Laser 100 TW del LULI (Ecole Polytechnique, Parigi) 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)

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

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 >> 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+

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) 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

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

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

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

Regime di propagazione limitata dai campi 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 -1 (Bell et al., PPCF, 1997)

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)

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 20 µm Arrivo shock Prodotto da ASE Emissione Termica 200 µm 1 ns t Segnale lungo Emissione del plasma scaldato in espansione Segnale molto breve (<10 ps) Regione meno intensa

Qual’e’ l’origine del burst iniziale ? Optical Transition Radiation (OTR) Emessa quando gli elettroni relativistici attraversano l’interfaccia Bersaglio / Vuoto ( I. Frank and V. Ginzburg, J. Phys. USSR 9 - 1945 )

L’emissione a 2w0 ha veramente origine dalla faccia retrostante ! Analisi spettrale emissione 2w0 molto intensa e stretta sovrapposta ad uno spettro largo 914 µm Al target l 528 nm 500nm 600nm 700nm Dt=195ps 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 !

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

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 media degli elettroni 100 200 300 400 500 Spessore Al [µm] E(2w) E(3w) 5 MeV 2 MeV 1 MeV 3w 2w

A spessore fissato, la dipendenza in frequenza da il peso relativo dei contributi a w e 2 w Al 75 µm 10 12 2 w 3 w 4 w 5 w 10 10 5 MeV 10 8 Segnale CTR [ arb. Units] Miglior accordo esperimento / calcolo (balistico) ottenuto con : Th ~ 2 MeV 60% e- da vxB (2w) 40% e- da E (w) 10 6 2 MeV 10 4 1 MeV Contributo w solo e 2 Punti sperimentali 10 2 1 3 10 15 5 10 15 7 10 15 9 10 15 Frequenza [rd/s]

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 Quarzo fuso (Gremillet et al. PRL 1999 Borghesi et al. PRL 1999) jets 400µm ∆t ≈ 1.2 ps vuoto 2, 350 fs, 1019 W/cm2 fascio d’interazione Effetto di collimazione indotto dai campi magnetici?

Propagazione di elettroni in gas diagnostica: ombroscopia risolta nel tempo t = 3 5 f s 1,057 µm E = 5 J l = 2 8 n m 1 . J l - Gas Jet ( H e , A r ) P 7 b a Fascio di interazione Fascio sonda 6 Altre diagnostiche (X, OTR) 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

Risultati Ombroscopia: Immagine tipica Dt = 20 ps Al (15m) #24 T i Gas jet (Ar 70 bar) 1080 m Ti (20m) jets CPA beam a 1.2 mm dall’ugello

Ombroscopia: serie temporale Gas jet: Ar 70 bar Densita’ atomica: 2.7 x 1019 cm-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

He 80 bar #75 #73 Dt = 8 ps Dt = 10 ps 760 mm 1040 mm Dt #76 = 28 ps

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

Risultati ottenuti dall’ OTR 200 µm #60 #55 800 µm #59 1000 µm Bersaglio semplice 75µm Al Ti / He 30bar / Al n ~ 8 1018 cm-3 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 Isolid ~ 100 x Igas Igas ~ 2 x Ivacuum Forte inibizione propagazione elettronica in gas

Propagazione 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 (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

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 e-  E lDebye  Gas neutro Regione ionizzata Regione con campo elettrico

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

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…

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

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)