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Dimitri Batani Dipartimento di Fisica «G. Occhialini », Università di Milano-Bicocca, Milano Laser 100 TW del LULI (Ecole Polytechnique, Parigi) EXPERIMENTS.

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

2 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

3 Correnti molto elevate di elettroni relativistici sono prodotte nellinterazione con la materia di laser a breve impulso ed ultra-alta intensita (J A/cm 2 E fast 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 >> J Alfven Effetti della carica spaziale (campi elettrostatici V/m) Serve una corrente di ritorno di neutralizzazione J fast J background Inibizione della propagazione elettronica (Bell et al., PPCF, 1997) Quale la natura dei campi che producono inibizione? (elettrostatici? induttivi?) Campi indotti, collimazione, instabilita (Weibel,..), filamentazione,... e- p+

4 1) Confronto tra propagazione in conduttori e dielettrici Diagnostica: spettroscopia K- 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, (2002) Diagnostica: spettroscopia K- Dipendenza dellinibizione dalla densita del materiale di background 3) OTR e CTR collegate alla propagazione di elettroni relativistici JJ.Santos, et al., PRL, 89, (2002), S.D. Baton, et al., PRL, 91, (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 (n fast > n e, propagazione fortemente inibita) Diagnostica: ombroscopia risolta nel tempo, OTR, spettroscopia K- Evidenza del ruolo dei campi elettrostatici D.Batani, et al. PRL sub Importanza della densita di background e della fase di ionizzazione

5 Bersagli Bersagli speciali per lombroscopia 500 m Spessori dello strato di propagazione: Alluminio: 6, 11, 26, 37 m Polietilene: 50, 75, 100, 150 m

6 Spettroscopia di emissione X K z Laser fs Mo Pd CCD - Modalità CCD single hit (spettroscopica) - Nessuna risoluzione angolare - Risoluzione energetica 0.5 keV - Calibrazione mediante sorgente radioattiva di 109 Ag z Picco K del molibdeno Picco K del palladio Picco K del molibdeno

7 Evidenza di propagazione inibita nei dielettrici Irraggiamento a 2, I W/cm 2, contrasto migliore di 10 8 Temperatura degli elettroni rapidi T hot keV Interpolazione con exp(-R/R o ) Al: EXP R o 230 ± 40 µm Teoria collisionale R o = 235 ± 10 µm CH: EXP R o 180 ± 30 µm Teoria collisionale R o = 690 ± 20 µm

8 Regime di propagazione limitata dai campi I W/cm 2 - T hot 500 keV I W/cm 2 - T hot 200 keV Al: EXP R o 60 ± 20 µm Teoria collisionale R o = 70 ± 10 µm W/cm 2 CH: EXP R o 220 ± 50 µm Teoria collisionale R o = 350 ± 10 µm W/cm 2 CH: EXP R o 180 ± 30 µm Teoria collisionale R o = 690 ± 20 µm W/cm 2 (Bell et al., PPCF, 1997)

9 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)

10 Immagine integrata nel tempo Visibile: Emissione breve e localizzata Segnatura dellarrivo degli elettroni 35 µm Al 20 µm Macchia centrale brillante 200 µm Regione meno intensa Immagine risolta nel tempo Emissione Termica Arrivo shock Prodotto da ASE 1 ns t 75 µm Al Segnale lungo Emissione del plasma scaldato in espansione Segnale molto breve (<10 ps)

11 Quale lorigine del burst iniziale ? ( I. Frank and V. Ginzburg, J. Phys. USSR ) Optical Transition Radiation (OTR) Emessa quando gli elettroni relativistici attraversano linterfaccia Bersaglio / Vuoto

12 Energia (J) (nm) 27 µm Al # (nm) 914 µm Al # 188 Energia (J) Analisi spettrale emissione 2 molto intensa e stretta sovrapposta ad uno spettro largo 914 µm Al target 528 nm 500nm600nm700nm t=195ps 8 x W/cm 2 Lemissione a 2 ha veramente origine dalla faccia retrostante !

13 Slide 3 bersaglio 2 … T Laser La componente spettrale a 2 e dovuta a pacchetti 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 2 0 armoniche pari, T = T 2

14 Sono state misurate armoniche sulla faccia dietro fino a Spessore Al [µm] Spessore Al [µm] E(2 ) E(3 ) 5 MeV 2 MeV 1 MeV 5 MeV 2 MeV 1 MeV 3 2 La variazione dellintensita delle armoniche con lo spessore del bersaglio permette di stimare lenergia media degli elettroni

15 A spessore fissato, la dipendenza in frequenza da il peso relativo dei contributi a e Frequenza [rd/s] Segnale CTR [ arb. Units] Contributo solo Contributo e 2 Punti sperimentali 5 MeV 2 MeV 1 MeV Al 75 µm Miglior accordo esperimento / calcolo (balistico) ottenuto con : T h ~ 2 MeV 60% e- da v x B (2 ) 40% e- da E ( )

16 Risultati sperimentali ottenuti con la tecnica dellOmbroscopia con bersagli trasparenti Jet elettronici in moto a velocita c Una nube elettronica estesa a c/2 400µm Quarzo fuso vuoto jets 1.2 ps 2, 350 fs, W/cm 2 fascio dinterazione Effetto di collimazione indotto dai campi magnetici? (Gremillet et al. PRL 1999 Borghesi et al. PRL 1999)

17 = 350 fs 1,057 µm E = 5 J = 528 n m = 350 fs J mm - Gas Jet (He, Ar) P = 30, 50, 70, 80 bar Fascio di interazioneFascio sonda E = = Altre diagnostiche (X, OTR) 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 limmagine su una CCD Il ritardo temporale tra il CPA e il fascio sonda e cambiato da colpo a colpo

18 #24 ps = m jets Al CPA beam Gas jet (Ar 70 bar) Ti (20 m) Al (15 m) Risultati Ombroscopia: Immagine tipica a 1.2 mm dallugello

19 Ombroscopia: serie temporale Ombroscopia: serie temporale Gas jet: Ar 70 bar Densita atomica: 2.7 x cm -3 Intensita: W/cm 2 Cambiando il ritardo tra il fascio CPA e il fascio sonda ricostruiamo levoluzione della nuvola elettronica CPA beam t 0 t ps t ps

20 #75 #73 #76 = 8 ps ps = 10 ps = m 1040 m 640 m He 80 bar

21 Velocita della nube dedotta dallombroscopia dimensione minima della nube elettronica m v cloud c/30 c/10 v cloud aumenta con la densita del plasma v jets c/2 at least

22 Ti / He 30bar / Al n ~ cm -3 # µm Ti / vuoto / Al n = 0 Bersaglio semplice 75µm Al 200 µm #60 I solid ~ 100 x I gas I gas ~ 2 x I vacuum Risultati ottenuti dall OTR # µm Immagini ottenute con streak nel modo gated e G Forte inibizione propagazione elettronica in gas Dimensioni della regione di emissione confrontabili con quelle della nuvola elettronica

23 Propagazione in gas: interpretazione risultati 1 Propagazione in gas: interpretazione risultati 1 Gli elettroni rapidi sono creati nel bersaglio metallico con una densita n b cm -3 e arrivano sulla faccia retrostante in un tempo dellordine di t = d/c (minore della durata del laser) Nuovo regime per il trasporto elettronico (n fast n background Nuovo regime per il trasporto elettronico (n fast n background ) La condizione J fast = J background diventa critica Dal punto di vista sperimentale: propagazione fortemente inibita: v exp c/10 -c /30 Questo regime di trasporto elettronico n fast n background fast ignition E rilevante per la fast ignition

24 Propagazione in gas: interpretazione risultati 2 Nel gas la propagazione e dominata dalla separazione di carica e-e- E Debye Gas neutroRegione ionizzata Regione con campo elettrico Gli elettronmi propagano su una distanza Debye (fast). Per conservazione dellenergia il potenziale e V e E Debye T hot 1 MeV Un campo elettrostatico E (4 π n b kT hot ) 1/2 dellordine di V/m>> E atom e prodotto dalla separazione di carica l Si ha una ionizzazione rapidissima del gas per ionizzazione di campo l Si creano elettroni liberi che sono messi in moto dal campo elettrico e possono bilanciare la separazione di carica ed annullare il campo

25 l Sono prodotti solo gli stati con tempo di ionizzazione 1/ fZ < t cross l t cross e il tempo in cui la nube elettronica attraversa una lunghezza di Debye, cioe il tempo di esistenza del campo elettrico (fronte di ionizzazione) l Questo implica ionizzazione completa di He e fino ad ArVIII per Ar La ionizzazione e un processo rapidissimo

26 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 n e Linterpretazione preliminare mostra limportanza: 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 ALLIGNIZIONE RAPIDA E POSSIBILE STUDIARE TANTA FISICADI BASE… Conclusioni

27 Fusione a confinamento inerziale: schema tradizionale dellattacco 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 dellignizione Criterio di Lawson per lignizione (D-T): R > 3 gcm -2 con T 10 keV Limiti dello schema classico

28 Lidea della IGNIZIONE RAPIDA (Tabak,Phys.Plasmas, 1994): 1: compressioneusuale con fasci laser ns 2: laser CPA crea un fascio di elettroni relativistici (punto caldo laterale) Parametri tipici: E 10 kJ, t 10 ps, E fast 1 MeV n b 3 cm -3 (molto maggiore della densita nella corona del plasma) Studio del trasporto elettronico nella materia da 10 a 100 n c su µm


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