Dimitri Batani

1. 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)

2. 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

3. 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+

4. 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

5. 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

6. 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

7. 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

8. 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)

9. 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)

10. 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

11. 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 )

12. 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 !

13. 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

14. 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

15. 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]

16. 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?

17. 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

18. 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

19. 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

20. #75 #73 Dt Dt = = 10 ps 8 ps mm 760 1040 mm #76 Dt 28 ps = He 80 bar 640 mm

21. 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

22. #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

23. 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

24. 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

25. 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

26. 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…

27. 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

28. 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)