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Dimitri Batani

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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). - PowerPoint PPT Presentation

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  • Dimitri BataniDipartimento di Fisica G. Occhialini, Universit di Milano-Bicocca, Milano

    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.BernardinelloT. HallC. Rousseaux, M. Rabec Le GloahecS.D. Baton, M. Koenig, F. Amiranoff, J.J. Santos, O.PopescuDipartimento di Fisica G. Occhialini, Universit di Milano-Bicocca, Milano, ItalyLOA, ENSTA, Palaiseau, FranceCEA Bruyres-le-Chtel, France LULI, CNRS-CEA-Ecole Polytechnique-Paris VI, Palaiseau, Francework supported by the European programme Access to Large Scale Facilities V. MalkaUniversity of Essex, Colchester, UKLLNL and General Atomics, USAM.Key, R.Stephens, T.Cowan, R.Snavely, R.Freeman

  • Correnti molto elevate di elettroni relativistici sono prodotte nellinterazione 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 complessaCollisioni: diffusione, rallentamento J >> JAlfven Effetti della carica spaziale (campi elettrostatici 1012 V/m)Serve una corrente di ritorno di neutralizzazione Jfast JbackgroundInibizione 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+

  • Confronto tra propagazione in conduttori e dielettrici Diagnostica: spettroscopia K-aEvidenza 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-a Dipendenza dellinibizione 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-aEvidenza del ruolo dei campi elettrostatici D.Batani, et al. PRL subImportanza della densita di background e della fase di ionizzazione

  • BersagliBersagli specialiper lombroscopia500 mSpessori dello strato di propagazione:Alluminio: 6, 11, 26, 37 m Polietilene: 50, 75, 100, 150 m

  • Spettroscopia di emissione X K zLaser fsMo PdCCD- Modalit CCD single hit (spettroscopica)- Nessuna risoluzione angolare- Risoluzione energetica 0.5 keV- Calibrazione mediante sorgente radioattiva di 109AgzPicco K del molibdenoPicco K del palladioPicco K del molibdeno

  • Evidenza di propagazione inibita nei dielettriciIrraggiamento a 2w, I 2 1019 W/cm2, contrasto migliore di 108Temperatura deglielettroni rapidiThot 400 - 500 keV

    Interpolazione conexp(-R/Ro)Al: EXP Ro 230 40 m Teoria collisionale Ro = 235 10 m CH: EXP Ro 180 30 m Teoria collisionale Ro = 690 20 m

  • Regime di propagazione limitata dai campiI 2 1019 W/cm2 - Thot 500 keV I 2 1018 W/cm2 - Thot 200 keV

    Al: EXP Ro 60 20 m Teoria collisionale Ro = 70 10 m 2 1018 W/cm2 CH: EXP Ro 220 50 m Teoria collisionale Ro = 350 10 m 2 1018 W/cm2 CH: EXP Ro 180 30 m Teoria collisionale Ro = 690 20 m 2 1019 W/cm2 (Bell et al., PPCF, 1997)-1

  • Propagazione in foamBersagli 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)

  • Immagine integrata nel tempoVisibile: Emissione breve e localizzata Segnatura dellarrivo degli elettroni35 m Al 20 mMacchia centrale brillanteRegione meno intensa Immagine risolta nel tempoArrivo shockProdotto da ASE75 m Al

  • Quale lorigine del burst iniziale ? ( I. Frank and V. Ginzburg, J. Phys. USSR 9 - 1945 )

  • Energia (J)450500650550600l (nm)27 m Al # 1501 10 -86 10 -92 10 -9450500650550600l (nm)914 m Al # 188Energia (J)1 10 -142 10 -143 10 -14Analisi spettrale emissione 2w0 molto intensa e stretta sovrapposta ad uno spettro largo8 x 1018 W/cm2Lemissione a 2w0 ha veramente origine dalla faccia retrostante !

  • Slide 3bersagliow, 2w, 3w, 4w, 5wdTLaserLa componente spettrale a 2w e dovuta apacchetti di elettroni periodici2 meccanismi possibili :Vacuum Heating : i pacchetti di e- sono iniettati nel bersaglio a w0 tutte le armoniche, dT = TwForza 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 5wLa variazione dellintensita delle armoniche con lo spessore del bersaglio permette di stimare lenergia media degli elettroni

  • A spessore fissato, la dipendenza in frequenza da il peso relativo dei contributi a w e 2 w4w3 10155 10157 10159 1015Frequenza [rd/s]2w3w5w110210410610810101012Segnale CTR [ arb. Units]5 MeV2 MeV1 MeVAl 75 mMiglior accordo esperimento / calcolo (balistico) ottenuto con:

    Th ~ 2 MeV

    60% e- da vxB (2w)40% e- da E (w)

  • Risultati sperimentali ottenuti con la tecnica dellOmbroscopia con bersagli trasparenti Jet elettronici in moto a velocita c Una nube elettronica estesa a c/2400mQuarzo fusovuotojetst 1.2 ps2, 350 fs, 1019 W/cm2 fascio dinterazioneEffetto di collimazione indotto dai campi magnetici? (Gremillet et al. PRL 1999 Borghesi et al. PRL 1999)

  • Propagazione di elettroni in gas diagnostica: ombroscopia risolta nel tempoI 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

  • #24Dt ps=201080 mjetsAl CPA beamGas jet (Ar 70 bar)Ti (20m)Al (15m)Risultati Ombroscopia: Immagine tipicaa 1.2 mm dallugello

  • Ombroscopia: serie temporaleGas jet: Ar 70 barDensita atomica: 2.7 x 1019 cm-3 Intensita: 3 - 4 1019 W/cm2Cambiando il ritardo tra il fascio CPA e il fascio sonda ricostruiamo levoluzione della nuvola elettronica

    CPA beam t0 t0 + 4 ps t0 + 13 ps

  • #75#73#76Dt = 8 psDt ps=10Dt ps=28760 mm1040 mm640 mmHe 80 bar

  • Velocita della nube dedotta dallombroscopia 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 ~ 81018 cm-3Ti / vuoto / Aln = 0 Bersaglio semplice75m Al Isolid ~ 100 x Igas Igas ~ 2 x IvacuumRisultati ottenuti dall OTRImmagini ottenute con streak nel modo gated e G Forte inibizione propagazione elettronica in gasDimensioni della regione di emissione confrontabili con quelle della nuvola elettronica

  • 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 dellordine 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 dellenergia il potenziale e V e E lDebye Thot 1 MeV Un campo elettrostatico E (4 nb kThot)1/2 dellordine 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/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 ArLa ionizzazione e un processo rapidissimo

  • Risultati sperimentali nei gas:Evidenza di 2 strutture: iets e nubeForte inibizione della propagazione dovuta ai campi elettrostaticiLa velocita di propagazione aumenta con ne

    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 ritornoDei 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 BASEConclusioni

  • Fusione a confinamento inerziale: schema tradizionale dellattacco diretto via laser-non uniformita di irraggiamento o nel bersaglio- instabilit 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 dellignizioneCriterio di Lawson per lignizione (D-T): R > 3 gcm-2 con T 10 keV Limiti dello schema classico

  • 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, Efast 1 MeV nb 3 cm-3 (molto maggiore della densita nella corona del plasma)

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