dimitri batani dipartimento di fisica «g. occhialini », università di milano-bicocca, milano...
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Dimitri Batani
Dipartimento di Fisica «G. Occhialini », Università di Milano-Bicocca, Milano
Laser 100 TW del LULI (Ecole Polytechnique, Parigi)Laser 100 TW del LULI (Ecole Polytechnique, Parigi)
EXPERIMENTS ON FAST ELECTRON PROPAGATION IN MATTER PERFORMED
AT THE LULI LABORATORY
F.Pisani, E. Martinolli, M. Manclossi, A.Antonicci, F.Scianitti, E.Perelli, A.Bernardinello
T. Hall
C. Rousseaux, M. Rabec Le Gloahec
S.D. Baton, M. Koenig, F. Amiranoff, J.J. Santos, O.Popescu
Dipartimento di Fisica «G. Occhialini », Università di Milano-Bicocca, Milano, Italy
LOA, ENSTA, Palaiseau, France
CEA Bruyères-le-Châtel, France
LULI, CNRS-CEA-Ecole Polytechnique-Paris VI, Palaiseau, France
work supported by the European programme « Access to Large Scale Facilities »
V. Malka
University of Essex, Colchester, UK
LLNL and General Atomics, USA
M.Key, R.Stephens, T.Cowan, R.Snavely, R.Freeman
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:E’ importante studiare la loro propagazione per:
IGNIZIONE RAPIDA (FAST IGNITION)IGNIZIONE RAPIDA (FAST IGNITION)
SORGENTI DI PROTONISORGENTI DI PROTONI……....
PROBLEMI:PROBLEMI:La fisica del trasporto e’ ESTREMAMENTE complessaLa fisica del trasporto e’ ESTREMAMENTE complessa
Collisioni: diffusione, rallentamento … J >> JAlfven Effetti 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+
1) Confronto tra propagazione in conduttori e dielettrici Diagnostica: spettroscopia K-Evidenza di inibizione nella propagazioneRegime 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- 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 tempoEvidenza di propagazione elettronica in bunchesPossibilita’ di discriminare vacuum heating e effetti ponderomotivi
4) Propagazione in solidi trasparenti L.Gremillet, et al., PRL, 83, 5015 (1999)
Diagnostica: ombroscopia risolta nel tempoEvidenza 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-Evidenza del ruolo dei campi elettrostatici D.Batani, et al. PRL
subImportanza della densita’ di background e della fase di ionizzazione
Bersagli
Bersagli specialiper l’ombroscopia
500 m
Spessori dello strato di propagazione:Alluminio: 6, 11, 26, 37 m
Polietilene: 50, 75, 100, 150 m
Spettroscopia di emissione X K
z
Laser fsMo Pd
CCD - Modalità CCD “single hit” (spettroscopica)- Nessuna risoluzione angolare- Risoluzione energetica ≈ 0.5 keV- Calibrazione mediante sorgente radioattiva di 109Ag
z
0
20
40
60
80
100
120
140
16 18 20 22 24
Conteggi (u.a.)
E (keV)
Picco K del molibdeno
Picco K del palladio
Picco K del molibdeno
Evidenza di propagazione inibita nei dielettrici
0 100
2 109
4 109
6 109
8 109
1 1010
0 100 200 300 400 500
AlCH
( )thickness µm
CH experimental
Al experimental
CH numerical
Al numerical
Irraggiamento a 2, I ≈ 2 1019 W/cm2, contrasto migliore di 108
Temperatura deglielettroni rapidiThot ≈ 400 - 500 keV
Interpolazione conexp(-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
Regime di propagazione limitata dai campi
0 100
2 109
4 109
6 109
8 109
1 1010
0 100 200 300 400 500
AlCH
( )thickness µm
CH experimental
Al experimental
CH numerical
Al numerical
I ≈ 2 1019 W/cm2 - Thot ≈ 500 keV I ≈ 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
0 100
1 109
2 109
3 109
4 109
5 109
0 20 40 60 80 100 120 140 160
AlCH
thickness (µm)
CH experimental
Al experimental
CH numerical
Al numerical
z0=
Thot
keV[ ]200
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟σ Ω−1m−1[ ]
106
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟I Wcm−2[ ]
1018
⎛⎝⎜
⎞⎠⎟12 m[ ] (Bell et al., PPCF, 1997)
-1
Propagazione in foam
Bersagli con stessa massa superficiale d (stessa penetrazione collisionale)
Legge di Bell + Propagazione cilindrica + Conducibilita’ di Spitzer (T elevate)
R() = -3/5
(confermato da simulazioni numeriche J.Davies, PRE, 2003)
101
102
103
10 100 1000
MoPd
0.52
target density ρ (mg/cm3)
102
103
0.01 0.1 1
R()=140-0.5
Target density( /g cm3)
(R )∝-1( )collisional
Immagine integrata nel tempo
Visibile: Emissione breve e localizzata Segnatura dell’arrivo degli elettroni
35 µm Al
20 µmMacchia centrale brillante
200 µmRegione meno intensa
Immagine risolta nel tempo
EmissioneTermica
Arrivo shockProdotto da ASE
1 n
s
t
75 µm Al
Segnale lungoEmissione del plasma scaldato in espansione
Segnale molto breve (<10 ps)
Qual’e’ l’origine del burst iniziale ?
( I. Frank and V. Ginzburg, J. Phys. USSR 9 - 1945 )
Optical Transition Radiation (OTR)Emessa quando gli elettroni relativistici attraversano l’interfaccia Bersaglio / Vuoto
En
erg
ia (
J)
450 500 650550 600
(nm)
27 µm Al # 150
1 10 -8
6 10 -9
2 10 -9
450 500 650550 600
(nm)
914 µm Al # 188
En
erg
ia (
J)1 10 -14
2 10 -14
3 10 -14
Analisi spettrale emissione 20 molto intensa e stretta sovrapposta ad uno spettro largo
914 µm Al target
528 nm
500nm 600nm 700nm
t=
195ps
8 x 1018 W/cm2
L’emissione a 20 ha veramente origine dalla faccia retrostante !
Slide 3
bersaglio
2345…T
Laser
La componente spettrale a 20 e’ dovuta apacchetti di elettroni periodici
2 meccanismi possibili :
Vacuum Heating : i pacchetti di e- sono iniettati nel bersaglio a 0
tutte le armoniche, T = T
Forza Ponderomotiva vxB : i pacchetti di e- sono iniettati nel bersaglio a 20
armoniche pari, T = T2
Sono state misurate armoniche sulla faccia dietro fino a 5
0 100 200 300 400 500
Spessore Al [µm]
0 100 200 300 400 500
Spessore Al [µm]
E(2
)
E(3
)
5 MeV
2 MeV
1 MeV
5 MeV
2 MeV
1 MeV32
La variazione dell’intensita’ delle armoniche con lo spessore del bersaglio permette di stimare l’energia mediadegli elettroni
2 3 4 5
A spessore fissato, la dipendenza in frequenza da il peso relativo dei contributi a e 2
4
3 1015 5 1015 7 1015 9 1015
Frequenza [rd/s]
2 3 5
1
102
104
106
108
1010
1012
Seg
nale
C
TR
[
arb
. U
nits
]
Contributo soloContributo e 2Punti sperimentali
5 MeV
2 MeV
1 MeV
Al 75 µm
Miglior accordo esperimento / calcolo (balistico) ottenuto con :
Th ~ 2 MeV
60% e- da vxB (2)40% e- da E ()
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
400µ
m
Quarzo fuso
vuoto
jets
∆ ≈ 1.2 ps
2, 350 fs, 1019 W/cm2 fascio d’interazione
Effetto di collimazione indotto dai campi magnetici?
(Gremillet et al. PRL 1999 Borghesi et al. PRL 1999)
= 350 fs 1,057 µmE = 5 J
= 528 nm= 350 fs
1 0.1 J mm
-
Gas Jet (He, Ar)
P = 30, 50, 70, 80 bar
Fascio di interazione Fascio sonda
E 0.0
16
= =
Altre diagnostiche (X, OTR)
Propagazione di elettroni in gas Propagazione di elettroni in gas diagnostica: ombroscopia risolta nel tempodiagnostica: 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
#24 ps= 20
1080 mjetsTi
Al
CPA beam
Gas jet (Ar 70 bar)
Ti (20 m)
Al (15 m)
Risultati Ombroscopia: Immagine tipica
a 1.2 mm dall’ugello
Ombroscopia: serie temporaleOmbroscopia: serie temporale
Gas jet: Ar 70 bar
Densita’ atomica: 2.7x1019 cm-3
Intensita: 3 - 4 1019 W/cm2
Cambiando il ritardo tra il fascio CPA e il fascio sonda Cambiando il ritardo tra il fascio CPA e il fascio sonda ricostruiamo l’evoluzione della nuvola elettronicaricostruiamo l’evoluzione della nuvola elettronica
CPA beam
t0 t0 + 4 ps t0 + 13 ps
#75 #73
#76
=
8 ps ps= 10
ps=28
760 m 1040 m
640 mHe 80 bar
Velocita’ della nube dedotta dall’ombroscopiaVelocita’ della nube dedotta dall’ombroscopia
-200
0
200
400
600
800
1000
1200
-10 0 10 20 30 40 50 60 70
Data Gas Jet Experiment
delay (ps)
He 30 107 m/s
He 80 1.4 10 7 m/s
Ar 30 2 107 m/s
Ar 70 3 107 m/s
• dimensione minima della nube elettronica m • vcloud c/30 c/10
• vcloud aumenta con la densita’ del plasma
• vjets c/2 at least
Ti / He 30bar / Aln ~ 8 1018 cm-3
#59
1000 µm
Ti / vuoto / Aln = 0
Bersaglio semplice75µm Al
200 µm
#60
Isolid ~ 100 x Igas
Igas ~ 2 x Ivacuum
Risultati ottenuti dall’ OTR
#55
800 µm
Immagini ottenute con streak nel modo “gated” e G 1
Forte inibizione propagazione elettronica in gas
Dimensioni della regione di emissione confrontabili con quelle della nuvola elettronica
Propagazione in gas: interpretazione risultati 1Propagazione in gas: interpretazione risultati 1
Gli elettroni rapidi sono creati nel bersaglio metallico con una densita’ nb ≈ 5 1020 cm-3 e arrivano sulla faccia retrostante in un tempo dell’ordine di t = d/c (minore della durata del laser)
Nuovo regime per il trasporto elettronico (nNuovo regime per il trasporto elettronico (nfastfast ≥ n ≥ nbackgroundbackground )La condizione Jfast = Jbackground diventa critica
Dal punto di vista sperimentale: propagazione fortemente inibita: vexp ≈ c/10 -c /30
Questo regime di trasporto elettronico nQuesto regime di trasporto elettronico nfastfast ≥ n ≥ nbackgroundbackground E’ rilevante per la fast ignition fast ignition
Propagazione in gas: interpretazione risultati 2Propagazione in gas: interpretazione risultati 2
Nel gas la propagazione e’ dominata dalla separazione di carica
e-
EDebye
Gas neutroRegione ionizzata
Regione con campo elettrico
Gli elettronmi propagano su una distanza Debye (fast). Per conservazione dell’energia il potenziale e’ V e E Debye 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
Sono prodotti solo gli stati con tempo di ionizzazione 1/fZ < 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)
1011
1012
1013
1014
1015
1016
1017
0 2 1019 4 1019 6 1019 8 1019 1 1020 1,2 1020 1,4 1020
ionisation frequency according to Keldish
(for comparison, tcross
= D/( /20)=20 /310c µm 8 / =610m s -14 )sec
frequenza ArIfrequenza ArIIfrequenza ArIIIfrequenza ArIVfrequenza ArVfrequenza ArVIfrequenza ArVIIfrequenza ArVIIIfrequenza ArIX
(electron density cm-3)
Questo implica ionizzazione completa di He e fino ad ArVIII per Ar
La ionizzazione e’ un processo rapidissimoLa ionizzazione e’ un processo rapidissimo
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…
ConclusioniConclusioni
Fusione a confinamento inerziale: schema tradizionale dell’attacco diretto via laser
-non uniformita’ di irraggiamento o nel bersaglio- instabilità idrodinamica di Rayleigh-Taylor
- impulsi sincronizzati in simmetria sferica- compressione per onde di shock- ignizione di punto caldo centrale grazie alla convergenza degli shock- modello isobaro dell’ignizione
Criterio di Lawson per l’ignizione (D-T): R > 3 gcm-2 con T ≈ 10 keV
Limiti dello schema classico
€
R f
R f
≈ 50% ⇒ΔI
I≈1%
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)
Parametri tipici: E 10 kJ, t 10 ps, Efast 1 MeV nb 1023 cm-3 (molto maggiore della densita’ nella corona del plasma)
Studio del trasporto elettronico nella materia da 10 a 100 nc su 200 - 300 µm