Les spectres d’émission et d’absorption dans les plasmas denses et chauds présentent des structures complexes appelées faisceaux de transitions de plusieurs types : « unresolved transition arrays » [C. Bauche-Arnoult, J. Bauche, M. Klapisch, Phys. Rev. A 20, 2424 (1979), Phys. Rev. A 25, 2641 (1982), Adv. At. Mol. Phys. 23 131 (1988)], « spin-orbit split arrays » [C. Bauche-Arnoult, J. Bauche and M. Klapisch Phys. Rev. A 31 2248 (1985)], ou « supertransition arrays » [A. Bar-Shalom, J. Oreg, W.H. Goldstein, D. Shvarts and A. Zigler, Phys. Rev. A 40 3183 (1989)]. À la complexité introduite par le très grand nombre de raies à considérer s’ajoute le fait que ces plasmas sont souvent hors équilibre thermodynamique local (ETL), ce qui signifie que les populations des divers niveaux et ions n’obéissent pas à la loi de Saha-Boltzmann. Les situations hors ETL se rencontrent notamment dans les plasmas sources de rayonnement X ou extrême UV, en astrophysique, dans les plasmas pour la fusion par confinement inertiel ou magnétique, ou ceux produits par interaction laser-cible solide ou gazeuse.

Dans ces cas, les collisions électron-ion ou les interactions des ions avec un champ électromagnétique externe sont la plupart du temps insuffisamment probables pour assurer l'ETL. Pour décrire convenablement ces milieux, il faut alors faire appel à une étude détaillée des processus radiatifs et collisionnels responsables des transitions entre niveaux ioniques. Mais outre la nécessité de recourir à un modèle atomique suffisamment précis pour calculer les taux de chacun de ces processus, se pose la difficulté majeure de la résolution de systèmes linéaires potentiellement de grande taille : plus de 10³ équations, soit des matrices à plusieurs millions – voire milliards – d’éléments. Un modèle numérique plus performant que l’élimination de Gauss est en cours de développement.

L'approximation des moyennes en configuration [1] permet une simplification considérable des calculs de populations, car elle réduit, souvent par un facteur 10 ou plus, le nombre d’équations couplées. Il faut toutefois pouvoir contrôler la validité de cette moyenne. Par exemple la figure 1 représente la charge moyenne d’un plasma de néon à 10 eV, calculée avec niveaux détaillés et avec moyenne en configuration [2]. Afin de caractériser la qualité de la moyenne en configuration, nous proposons ici un nouveau critère fondé sur le principe de balance détaillée ou microréversibilité. Cette moyenne en configuration se révèle utilisable dans un plasma de carbone à une température électronique T = 10 eV mais ne l'est plus à T = 1 eV [1]. Le nouveau critère proposé est souvent préférable au critère intuitif selon lequel la moyenne en configuration serait valable lorsque la dispersion moyenne en énergie des configurations est très inférieure à la température électronique.

Le critère cité ci-dessus et fondé sur la microréversibilité des processus collisionnels peut se généraliser aux processus radiatifs, à condition d’inclure les taux d’absorption, d’émission induite, de photoionisation et de recombinaison radiative sous l’effet d’un champ électromagnétique fictif. L’intérêt de ce test est qu’il est complémentaire de celui basé sur les taux collisionnels, puisqu’il concerne d’autres taux. Ceci a notamment été testé dans un plasma hors ETL de néon [2].

[1] M. Poirier, F. de Dortan, J. Appl. Phys. 101, 063308 (2007).

[2] M. Poirier, J. Phys. B 41, 025701 (2008).