EXPERIMENTS ON FAST ELECTRON PROPAGATION IN MATTER PERFORMED AT THE LULI LABORATORY
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EXPERIMENTS ON FAST ELECTRON PROPAGATION IN MATTER PERFORMED AT THE LULI LABORATORY. Dimitri Batani. Dipartimento di Fisica «G. Occhialini », Università di Milano-Bicocca, Milano Laser 100 TW del LULI (Ecole Polytechnique, Parigi).

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Presentation Transcript


Dimitri batani

EXPERIMENTS ON FAST ELECTRON PROPAGATION IN MATTER PERFORMED AT THE LULI LABORATORY

Dimitri Batani

Dipartimento di Fisica «G. Occhialini », Università di Milano-Bicocca, Milano

Laser 100 TW del LULI (Ecole Polytechnique, Parigi)


Dimitri batani

work supported by the European programme « Access to Large Scale Facilities »

F.Pisani, E. Martinolli, M. Manclossi, A.Antonicci, F.Scianitti, E.Perelli, A.Bernardinello

Dipartimento di Fisica «G. Occhialini », Università di Milano-Bicocca, Milano, Italy

S.D. Baton, M. Koenig, F. Amiranoff, J.J. Santos, O.Popescu

LULI, CNRS-CEA-Ecole Polytechnique-Paris VI, Palaiseau, France

C. Rousseaux, M. Rabec Le Gloahec

CEA Bruyères-le-Châtel, France

T. Hall

University of Essex, Colchester, UK

V. Malka

LOA, ENSTA, Palaiseau, France

M.Key, R.Stephens, T.Cowan, R.Snavely, R.Freeman

LLNL and General Atomics, USA


Dimitri batani

Correnti molto elevate di elettroni relativistici sono prodotte nell’interazione con la materia di laser a breve impulso ed ultra-alta intensita’ (J  1013 A/cm2 Efast 1 MeV)

E’ importante studiare la loro propagazione per:

IGNIZIONE RAPIDA (FAST IGNITION)

SORGENTI DI PROTONI

…..

PROBLEMI:

La fisica del trasporto e’ ESTREMAMENTE complessa

Collisioni: diffusione, rallentamento …

J >> JAlfvenEffetti della carica spaziale (campi elettrostatici ≈ 1012 V/m)

Serve una corrente di ritorno di neutralizzazione Jfast Jbackground

Inibizione della propagazione elettronica (Bell et al., PPCF, 1997)

Qual’e’ la natura dei campi che producono inibizione? (elettrostatici? induttivi?)

Campi indotti, collimazione, instabilita’ (Weibel, ..), filamentazione, ...

e- p+


Dimitri batani

Confronto tra propagazione in conduttori e dielettrici

Diagnostica: spettroscopia K-a

Evidenza di inibizione nella propagazione

Regime di propagazione limitata dai campi F.Pisani, et al., PRE, 62, R5927 (2000),

T.Hall, et al., PRL, 81, 1003 (1998), D.Batani, et al., PRE, 61, 5725 (2000)

2) Propagazione in foam D.Batani, et al., PRE, 65, 066409 (2002)

Diagnostica: spettroscopia K-a

Dipendenza dell’inibizione dalla densita’ del materiale di background

3) OTR e CTR collegate alla propagazione di elettroni relativistici

JJ.Santos, et al., PRL , 89, 025001 (2002), S.D. Baton, et al., PRL, 91, 105001 (2003)

Diagnostica: emissione dalla faccia “dietro” risolta in spazio e in tempo

Evidenza di propagazione elettronica in bunches

Possibilita’ di discriminare vacuum heating e effetti ponderomotivi

4) Propagazione in solidi trasparenti L.Gremillet, et al., PRL, 83, 5015 (1999)

Diagnostica: ombroscopia risolta nel tempo

Evidenza della presenza di jet elettronici

(effetti di collimazione legati ai campi)

5) Propagazione in gas (nfast > ne, propagazione fortemente inibita)

Diagnostica: ombroscopia risolta nel tempo, OTR, spettroscopia K-a

Evidenza del ruolo dei campi elettrostatici D.Batani, et al. PRL sub

Importanza della densita’ di background e della fase di ionizzazione


Dimitri batani

Bersagli

500 m

Bersagli speciali

per l’ombroscopia

Alluminio: 6, 11, 26, 37 m

Spessori dello strato di propagazione:

Polietilene: 50, 75, 100, 150 m


Dimitri batani

Spettroscopia di emissione X K 

Mo Pd

Laser fs

CCD

- Modalità CCD “single hit” (spettroscopica)

- Nessuna risoluzione angolare

- Risoluzione energetica ≈ 0.5 keV

- Calibrazione mediante sorgente radioattiva di 109Ag

z

z

Picco K  del molibdeno

Picco K  del molibdeno

Picco K  del palladio


Dimitri batani

Evidenza di propagazione inibita nei dielettrici

Irraggiamento a 2w, I ≈ 2 1019 W/cm2, contrasto migliore di 108

Temperatura degli

elettroni rapidi

Thot ≈ 400 - 500 keV

Interpolazione con

exp(-R/Ro)

Al: EXP Ro ≈ 230 ± 40 µm Teoria collisionale Ro = 235 ± 10 µm

CH: EXP Ro ≈ 180 ± 30 µm Teoria collisionale Ro = 690 ± 20 µm


Dimitri batani

Regime di propagazione limitata dai campi

I ≈ 2 1019 W/cm2 - Thot ≈ 500 keVI ≈ 2 1018 W/cm2 - Thot ≈ 200 keV

Al: EXP Ro ≈ 60 ± 20 µm Teoria collisionale Ro = 70 ± 10 µm 2 1018 W/cm2

CH: EXP Ro ≈ 220 ± 50 µm Teoria collisionale Ro = 350 ± 10 µm 2 1018 W/cm2

CH: EXP Ro ≈ 180 ± 30 µm Teoria collisionale Ro = 690 ± 20 µm 2 1019 W/cm2

-1

(Bell et al., PPCF, 1997)


Dimitri batani

Propagazione in foam

Bersagli con stessa massa superficiale rd (stessa penetrazione collisionale)

Legge di Bell + Propagazione cilindrica + Conducibilita’ di Spitzer (T elevate)

R(r) = r-3/5

(confermato da simulazioni numeriche J.Davies, PRE, 2003)


Dimitri batani

Emissione

Termica

t

1 ns

200 µm

Segnale molto breve (<10 ps)

Segnale lungo

Emissione del plasma scaldato in espansione

Visibile: Emissione breve e localizzata

Segnatura dell’arrivo degli elettroni

Immagine integrata nel tempo

Immagine risolta nel tempo

35 µm Al

75 µm Al

Macchia centrale brillante

Arrivo shock

Prodotto da ASE

20 µm

Regione meno intensa


Dimitri batani

Optical Transition Radiation (OTR)

Emessa quando gli elettroni relativistici attraversano l’interfaccia

Bersaglio / Vuoto

Qual’e’ l’origine del burst iniziale ?

( I. Frank and V. Ginzburg,

J. Phys. USSR 9 - 1945 )


Dimitri batani

914 µm Al target

528 nm

Dt=195ps

l

500nm

600nm

700nm

Analisi spettrale emissione 2w0 molto intensa

e stretta sovrapposta ad uno spettro largo

8 x 1018 W/cm2

27 µm Al # 150

914 µm Al # 188

3 10 -14

1 10 -8

2 10 -14

Energia (J)

Energia (J)

6 10 -9

1 10 -14

2 10 -9

450

500

550

600

650

450

500

550

600

650

l (nm)

l (nm)

L’emissione a 2w0ha veramente origine dalla faccia retrostante !


Dimitri batani

La componente spettrale a 2we’ dovuta a

pacchetti di elettroni periodici

bersaglio

Laser

w, 2w, 3w, 4w, 5w…

dT

Slide 3

2 meccanismi possibili :

Vacuum Heating : i pacchetti di e- sono iniettati nel bersaglio a w0

tutte le armoniche, dT = Tw

Forza Ponderomotiva vxB : i pacchetti di e- sono iniettati nel bersaglio a 2w0

armoniche pari, dT = T2w


Dimitri batani

2w

3w

4w

5w

5 MeV

5 MeV

E(2w)

2 MeV

E(3w)

2 MeV

3w

2w

1 MeV

1 MeV

0

0

100

100

200

200

300

300

400

400

500

500

Spessore Al [µm]

Spessore Al [µm]

Sono state misurate armoniche sulla faccia dietro fino a 5w

La variazione dell’intensita’ delle armoniche con lo spessore del bersaglio permette di stimare l’energia mediadegli elettroni


Dimitri batani

Contributo

solo

w

Contributo

e 2

w

w

Punti sperimentali

A spessore fissato, la dipendenza in frequenza da il peso relativo dei contributi a w e 2 w

Al 75 µm

12

10

2

3

4

5

w

w

w

w

10

10

5 MeV

8

10

Segnale CTR [ arb. Units]

Miglior accordo esperimento / calcolo (balistico) ottenuto con :

Th ~ 2 MeV

60% e- da vxB (2w)

40% e- da E(w)

6

10

2 MeV

4

10

1 MeV

2

10

1

15

15

15

15

3 10

5 10

7 10

9 10

Frequenza [rd/s]


Dimitri batani

Risultati sperimentali ottenuti con la tecnica dell’Ombroscopia con bersagli trasparenti

 Jet elettronici in moto a velocita’ ≈ c

 Una nube elettronica estesa a ≈ c/2

(Gremillet et al. PRL 1999

Borghesi et al. PRL 1999)

Quarzo fuso

jets

∆t ≈ 1.2ps

400µm

vuoto

2, 350 fs, 1019 W/cm2fascio d’interazione

Effetto di collimazione indotto dai campi magnetici?


Dimitri batani

Altre diagnostiche (X, OTR)

Fascio di interazione

Fascio sonda

=

3

5

0

f

s

=

m

5

2

8

n

t

l

3

5

0

f

s

=

l =

1,057 µm

t

=

-

E

= 5 J

0

.

1

J

0

.

0

1

E

=

1

6

m

m

Gas Jet

(

H

e

,

A

r

)

P

=

3

0

,

5

0

,

7

0

,

8

0

b

a

r

Propagazione di elettroni in gas

diagnostica: ombroscopia risolta nel tempo

I raggi subiscono rifrazione a causa dei gradienti di densita’ elettronica

e non sono piu’ raccolti dalla lente che produce l’immagine su una CCD

Il ritardo temporale tra il CPA e il fascio sonda e’ cambiato da colpo a colpo


Dimitri batani

T

i

Risultati Ombroscopia: Immagine tipica

Dt

=

20

ps

A

l

Al (15m)

#24

Gas jet (Ar 70 bar)

1080 m

Ti (20m)

jets

CPA beam

a 1.2 mm dall’ugello


Dimitri batani

Ombroscopia: serie temporale

Gas jet: Ar 70 bar

Densita’ atomica: 2.7x1019cm-3

Intensita: 3 - 4 1019 W/cm2

CPA beam

t0 t0 + 4 ps t0 + 13 ps

Cambiando il ritardo tra il fascio CPA e il fascio sonda ricostruiamo l’evoluzione della nuvola elettronica


Dimitri batani

#75

#73

Dt

Dt

=

=

10

ps

8 ps

mm

760

1040 mm

#76

Dt

28

ps

=

He 80 bar

640 mm


Dimitri batani

Velocita’ della nube dedotta dall’ombroscopia

  • dimensione minima della nube elettronica   m

  • vcloud  c/30  c/10

  • vcloud aumenta con la densita’ del plasma

  • vjets  c/2 at least


Dimitri batani

#55

#60

#59

200 µm

800 µm

1000 µm

Risultati ottenuti dall’ OTR

Ti / He 30bar / Al

n ~ 8 1018 cm-3

Bersaglio semplice

75µm Al

Ti / vuoto / Al

n = 0

Immagini ottenute con streak nel modo “gated” e G  

Dimensioni della regione di emissione confrontabili con quelle della nuvola elettronica

Forte inibizione propagazione elettronica in gas

Isolid~ 100 x Igas

Igas~ 2 x Ivacuum


Dimitri batani

Propagazione in gas: interpretazione risultati 1

 Gli elettroni rapidi sono creati nel bersaglio metallico con una densita’ nb ≈ 5 1020 cm-3e arrivano sulla faccia retrostante in un tempo dell’ordine di t = d/c (minore della durata del laser)

 Nuovo regime per il trasporto elettronico (nfast ≥ nbackground )

  • La condizione Jfast = Jbackground diventa critica

  • Dal punto di vista sperimentale: propagazione fortemente inibita: vexp ≈ c/10 -c /30

Questo regime di trasporto elettronico nfast ≥ nbackground

E’ rilevante per la fast ignition


Dimitri batani

Regione ionizzata

e-

Gas neutro

lDebye

Regione con campo elettrico

E

Propagazione in gas: interpretazione risultati 2

Nel gas la propagazione e’ dominata dalla separazione di carica

  • Gli elettronmi propagano su una distanza lDebye (fast).

    Per conservazione dell’energia il potenziale e’ V  e E lDebyeThot  1 MeV

  • Un campo elettrostatico E ≈(4 π nb kThot)1/2 dell’ordine di

    1012 V/m>> Eatom e’ prodotto dalla separazione di carica

  • Si ha una ionizzazione rapidissima del gas per ionizzazione di campo

  • Si creano elettroni liberi che sono messi in moto dal campo elettrico e

    possono bilanciare la separazione di carica ed annullare il campo


Dimitri batani

La ionizzazione e’ un processo rapidissimo

  • Sono prodotti solo gli stati con tempo

    di ionizzazione 1/nfZ < tcross

  • tcross e’ il tempo in cui la nube

    elettronica attraversa una lunghezza

    di Debye, cioe’ il tempo di esistenza

    del campo elettrico (fronte di

    ionizzazione)

  • Questo implica ionizzazione completa di He e fino ad ArVIII per Ar


Dimitri batani

Conclusioni

  • Risultati sperimentali nei gas:

  • Evidenza di 2 strutture: iets e nube

  • Forte inibizione della propagazione dovuta ai campi elettrostatici

  • La velocita’ di propagazione aumenta con ne

  • L’interpretazione preliminare mostra l’importanza:

  • della densita’ del gas per determinare le condizioni di propagazione (accordo qualitativo con i risultati di Gremillet et al. PRL 1999)

  • di una fase di ionizzazione necessaria per la creazione degli elettroni liberi che possono produrre una corrente di ritorno

  • Dei campi elettrostatici indotti dalla separazione di carica mentre gli elettroni rapidi si propagano nel gas

  • STUDIANDO UN PROBLEMA LEGATO ALL’IGNIZIONE RAPIDA E’ POSSIBILE STUDIARE TANTA FISICADI BASE…


Dimitri batani

Fusione a confinamento inerziale: schema

tradizionale dell’attacco diretto via laser

Criterio di Lawson per l’ignizione (D-T): R > 3 gcm-2 con T ≈ 10 keV

- impulsi sincronizzati in simmetria sferica

- compressione per onde di shock

- ignizione di punto caldo centrale grazie alla convergenza degli shock

- modello isobaro dell’ignizione

Limiti dello schema classico

-non uniformita’ di irraggiamento o nel bersaglio

- instabilità idrodinamica di Rayleigh-Taylor


Dimitri batani

  • L’idea della IGNIZIONE RAPIDA (Tabak,Phys.Plasmas, 1994):

  • 1: compressione”usuale” con fasci laser ns

  • 2: laser CPA crea un fascio di elettroni relativistici (punto caldo laterale)

Studio del trasporto elettronico nella materia da 10 a 100 nc su 200 - 300 µm

  • Parametri tipici: E  10 kJ, t  10 ps, Efast 1 MeV

    nb 3 cm-3 (molto maggiore della densita’ nella corona del plasma)


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