Presentazione di PowerPoint

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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)
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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
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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 complessa Collisioni diffusione,
rallentamento J gtgt 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) Quale la natura dei campi che
producono inibizione? (elettrostatici?
induttivi?) Campi indotti, collimazione,
instabilita (Weibel, ..), filamentazione, ...
e- p
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• 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 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 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

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Bersagli
500 ?m
Bersagli speciali per lombroscopia
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
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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 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)
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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)
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Visibile Emissione breve e localizzata
Segnatura dellarrivo 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
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Quale lorigine del burst iniziale ?
( I. Frank and V. Ginzburg, J. Phys. USSR 9 -
1945 )
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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
650
550
600
450
500
650
550
600
l (nm)
l (nm)
Lemissione a 2w0? ha veramente origine dalla
faccia retrostante !
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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
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Sono state misurate armoniche sulla faccia dietro
fino a 5w
La variazione dellintensita delle armoniche con
lo spessore del bersaglio permette di stimare
lenergia media degli elettroni
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A spessore fissato, la dipendenza in frequenza da
il peso relativo dei contributi a w e 2 w
Al 75 µm
12
10
4
2
3
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
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Risultati sperimentali ottenuti con la tecnica
dellOmbroscopia 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
?t 1.2 ps
400µm
vuoto
2?, 350 fs, 1019 W/cm2 fascio dinterazione
Effetto di collimazione indotto dai campi
magnetici?
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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
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Risultati Ombroscopia Immagine tipica
Dt
ps

20
A
l
24
Al (15??m)?


Gas jet (Ar 70 bar)
1080 ?m
Ti (20??m)?
jets
CPA beam
a 1.2 mm dallugello
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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 levoluzione della
nuvola elettronica
20
75
73
Dt
Dt


8 ps
ps
10
mm
760
1040 mm
76
Dt
ps
28

He 80 bar
640 mm
21
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

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Risultati ottenuti dall OTR
Ti / He 30bar / Al n 8 1018 cm-3
Ti / vuoto / Al n 0
Bersaglio semplice 75µm Al
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
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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
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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 p nb kThot)1/2
  dellordine di
• 1012 V/mgtgt 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

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La ionizzazione e un processo rapidissimo

• Sono prodotti solo gli stati con tempo
• di ionizzazione 1/nfZ lt 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

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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
• 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

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Fusione a confinamento inerziale schema
tradizionale dellattacco diretto via laser
Criterio di Lawson per lignizione (D-T) ?R gt 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 dellignizione
Limiti dello schema classico
-non uniformita di irraggiamento o nel
bersaglio - instabilità idrodinamica di
Rayleigh-Taylor
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• 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)

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)