Experimental studies of high-energy-density magnetized plasmas: in route to magneto-inertial fusion

Abstract

This thesis is devoted to the exploration of magnetized high-energy density (HED)plasmas driven by laser along with the understanding of the physics involved in the magnetic field (B-field) generation using laser-driven coil targets (LDCs). The latter is one of the possible strategies to magnetize HED plasmas in facilities without external pulsed power. One of the main axes was the dimensioning and the deployment of laser-driven cylindrical implosion experiments under seed B-fields to study magnetization effects on the implosions and, more specifically, on the transport of energy and magnetic flux in HED plasmas. The thesis presents K-shell emission X-ray spectra obtained from the radialimplosion of Ar-doped D2-filled cylinders at the OMEGA laser, with 15 kJ of UV laser drive, that exhibit noticeable changes when a B-field is present, as compared to when it is not. This work was supported, through collaborations, by extended magnetohydrodynamics(MHD) and atomic physics simulations modeling the implosions, namely the transport of energy, magnetic flux and radiation. A multi-emission zone analysis of the experimental spectra allows for quantitative measurements of the plasma conditions in the core, indicating a 50% increase in temperature at half the mass density, when a 30 T seed field is applied. Besides, the predictions from atomic physics post-processing of extended-MHD simulations closely match the experimental spectra, providing compelling evidence that the core conditions at peak compression are in line with the impact of a 10 kT compressed field. The findings provide a foundation for verifying magnetized transport models in highly compressed plasmas – namely to test the microphysics involved in the transport coefficients used in the MHD macroscopic models – and to a more robust design of bigger scale experiments at LMJ and NIF. The other main axis of the thesis was the further understanding of seed B-field generation from LDCs. The thesis presents new measurements of such B-fields driven by high-energy laser pulses of sub-nanosecond or multiple nanosecond durations, either at IR or UV wavelengths, with typical intensities of the order of 10^15 W/cm^2. At the LULI2000 facility, the B-fields were characterized by proton deflectometry in two perpendicular probing axes. We succeeded to identify effects of both magnetic and electric fields on the probing protons, therefore quantifying both coil discharge current (of well identified polarity) and static charge at different times. Measured currents are broadly consistent with predictions from a laser-driven diode-current source and lumped RL circuit model, supporting the quasi-steady assessment of the discharges. Peak B-fields of 50 T at the center of 0.5 mm diameter coils were obtained at the explored, rather moderate, laser intensity. At the PALS facility, we obtained a more complete physical picture of the active current-driving region in LDCs, that is the laser interaction region. We simultaneously measured the B-field near the coil (by optical polarimetry) and the self-generated B-field in the laser-produced plasma plume (by complex interferometry), along with a thorough characterization of the plasma particle sources and ground discharges through the target holder. We discuss the correlation between the coil current and the plasma plume current across the plates, inferred respectively from the above B-field measurements. This platform allowed to optimize peak B-fields for different target geometrical parameters. Finally, we also discuss B-field measurements from LDCs driven by UV laser light at the OMEGA and LMJ facilities, as a prelude of their potential use for magnetizing large-scale HED plasma experiments. Different theoretical models for the evolution of LDC-generated B-fields are confronted with the experimental results of the various experiments.

Αυτή η διατριβή είναι αφιερωμένη στη μελέτη των μαγνητισμένων πλάσματων υψηλής ενεργειακής πυκνότητας (HED) που γεννιούνται από λέιζερ, καθώς και στην κατανόηση της φυσικής που εμπλέκεται στη δημιουργία μαγνητικών πεδίων χρησιμοποιώντας στόχους πη-νίου που ακτινοβολούνται με λέιζερ (LDCs). Η τελευταία αποτελεί μία από τις πιθανές στρατηγικές για τον μαγνητισμό των υπό μελέτη πλάσματων.΄Ενας από τους κύριους άξονες αυτού του έργου ήταν η σχεδίαση και η εκτέλεση πειραμάτων κυλινδρικής συμπίεσης που οδηγούνται από λέιζερ υπό την επίδραση αρχικών μαγνητικών πεδίων, με σκοπό τη μελέτη των επιδράσεων του μαγνητισμού στις συμπίεσεις, πιο συγκεκριμένα, στη μεταφορά ενέργειας και μαγνητικής ροής στα HED πλάσματα. Η διατριβή παρουσιάζει φάσματα που αποκτήθηκαν από την ακτινική συμπίεση κυλίνδρων γεμισμένων με 2 και προσμείξεις Ar, στο λέιζερ OMEGA, με ισχύ 15 kJ υπεριώδους (UV) λέιζερ, τα οποία εμφανίζουν αξιοσημείωτα χαρακτηριστικά παρουσία μαγνητικού πεδίου, σε σύγκρισημε την περίπτωση που το μαγνητικό πεδίο δεν είναι παρών. Χρησιμοποιώντας μια πολυζωνική φασματοσκοπική ανάλυση, κατέστη δυνατή η ποσοτική μέτρηση των συνθηκών του πλάσματος, δείχνοντας συγκεκριμένα αύξηση της θερμοκρασίας του πυρήνα κατά 50% με τη μισή πυκνότητα μάζας, όταν εφαρμόζεται αρχικό πεδίο 30 T. Ταυτόχρονα, τα πειραματικά φάσματα συμφωνούν στενά με τις προβλέψεις από ανάλυση εκτεταμένων μαγνητοϋδροδυναμικών (MHD) προσομοιώσεων. Αυτό αποτελεί ισχυρή ένδειξη ότι οι συνθήκες στον πυρήνα κατά τη μέγιστη συμπίεση στο πείραμα του OMEGA ευθυγραμμίζονται με την επίδραση ενός συμπιεσμένου μαγνητικού πεδίου 10 kT. Μέσω συνεργασιών, αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από αριθμητικά εργαλεία τόσο γιακινητικές όσο και για MHD προσομοιώσεις, με σκοπό τη μοντελοποίηση της διάχυσης του μαγνητικού πεδίου, καθώς και την ανάλυση της ατομικής φυσικής και της μεταφοράς ακτινοβολίας, προκειμένου να ερμηνευθούν με ακρίβεια τα φασματικά δεδομένα εκπομπής από τα πειράματα. Τα ευρήματα αποτελούν θεμέλιο για την επαλήθευση των μοντέλων μεταφοράς μαγνητισμένων πλάσματων υπό ισχυρή συμπίεση, ιδίως για τη δοκιμή της μικροφυσικής που εμπλέκεται στους συντελεστές μεταφοράς των μακροσκοπικών (MHD) μοντέλων. Ιδιαίτερη έμφαση στο έργο αυτό δίνεται στη φυσική της δημιουργίας αρχικών μαγνητικών πεδίων στο εργαστήριο από LDCs. Η διατριβή παρουσιάζει μετρήσεις τέτοιων μαγνητικών πεδίων που δημιουργούνται από παλμούς λέιζερ υψηλής ενέργειας διάρκειας υπονανοδευτερολέπτου ή πολλών νανοδευτερολέπτων, είτε σε υπέρυθρο (IR) είτε σε υπεριώδες(UV) μήκος κύματος. Οι τυπικές εντάσεις του λέιζερ είναι της τάξεως των 10^15 W/cm^2. Στη διάταξη του πειράματος στο LULI2000, τα μαγνητικά πεδία χαρακτηρίστηκαν μέσω πρωτονικής εκτροπής σε δύο κάθετους άξονες ανίχνευσης. Επιτύχαμε την αναγνώριση των επιδράσεων τόσο των μαγνητικών όσο και των ηλεκτρικών πεδίων στα ανιχνευόμενα πρωτόνια, επιτρέποντας έτσι την ποσοτικοποίηση τόσο του ρεύματος εκφόρτισης του πηνίου (μεσαφώς προσδιορισμένη πολικότητα) όσο και του στατικού φορτίου. Τα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία 50 T στο κέντρο πηνίων διαμέτρου 0.5 mm επιτεύχθηκαν σε μέτριες εντάσεις λέιζερ. Στη διάταξη του πειράματος στο PALS, επεκτείναμε την ανάλυση της ενεργής περιοχής οδήγησης ρεύματος σε LDCs, δηλαδή την περιοχή αλληλεπίδρασης του λέιζερ. Μετρήσαμε ταυτόχρονα το μαγνητικό πεδίο κοντά στο πηνίο και το αυτογενές μαγνητικό πεδίο στο πλάσμα που παράγεται από το λέιζερ, παράλληλα με μια εκτενή ανάλυση των εκπεμπόμενων σωματιδίων του πλάσματος και των εκφορτίσεων μέσω της βάσης του στόχου. Αυτό επέτρεψε τη βελτιστοποίηση των μέγιστων μαγνητικών πεδίων για διαφορετικές γεωμετρικές παραμέτρους του στόχου. Επίσης συζητούμε τη συσχέτιση μεταξύ του ρεύματος στο πηνίο (που συνάγεται από τις μετρήσεις μαγνητικού πεδίου μέσω οπτικής πολαριμετρίας) και του ρεύματος του πλάσματος κατά μήκος των πλακών (που συνάγεται από τη μέτρηση της πυκνότητας πλάσματος και του αυτογενούς μαγνητικού πεδίου μέσω σύνθετης συμβολομετρίας). Επιπλέον, παρουσιάζουμε μετρήσεις μαγνητικών πεδίων από LDCs που οδηγούνται από UV λέιζερ στις εγκαταστάσεις OMEGA και LMJ, ως προοίμιο της πιθανής χρήσης τους για γέννηση μαγντικών πεδίων σε πειράματα μεγάλης κλίμακας σε HED πλάσματα. Διαφορετικά θεωρητικά μοντέλα για την εξέλιξη των δημιουργούμενων μαγνητικών πεδίων συγκρίνονται με τα πειραματικά αποτελέσματα.

Cette thèse porte sur l’étude de plasmas créés par laser, à haute densité d’énergie (HDE) et magnétisés, et sur la physique de la génération de champs magnétiques (champs B) par l’interaction laser avec des cibles en forme de boucle (LDCs). Ces dernières peuvent être une alternative pour magnétiser les plasmas HDE dans les installations non-équipées d’un banc de capacité externe. L’un des principaux axes a été de dimen- sionner et de réaliser des expériences d’implosion cylindrique par laser sous un champ B d’amorçage, pour étudier l’impact de la magnétisation sur les implosions, en partic- ulier sur le transport de l’énergie et du flux magnétique. Nous discutons des spectres d’émission de couche K de l’Ar, issus de l’implosion radiale de cylindres remplis de D2 dopés à l’Ar, obtenus sur l’installation OMEGA avec un drive laser UV de 15 kJ, avec des différences remarquables entre les cas avec et sans champ B initial. L’interprétation des expériences s’est appuyée sur des simulations de magnétohydrodynamique (MHD) étendue, de physique atomique et de transport du rayonnement. Une analyse multi-zone des spectres expérimentaux a conduit à des mesures quantitatives des conditions du plasma à la stagnation, avec une augmentation de 50% sur la température et une densité réduite d’un facteur deux, lorsqu’un champ B initial de 30 T est appliqué. De plus, un traitement de physique atomique des sorties des simulations MHD montre des spectres en étroit accord avec les résultats expérimentaux, montrant que les conditions obtenues à la compression maximale correspondent à l’effet d’un champ B compressé de 10 kT. Ces résultats établissent une base pour vérifier les modèles de transport magnétisé dans les plasmas HDE – notamment pour tester la microphysique derrière les coefficients de transport utilisés dans les modèles macroscopiques MHD – et pour une plus robuste conception d’expériences à plus large échelle, sur le LMJ ou le NIF. L’autre grand axe de la thèse a porté sur la génération de champs B en laboratoire à partir de LDCs. Nous présentons des nouvelles mesures de tels champs générés par des impulsions laser à haute énergie, de durée sub-nanoseconde ou de plusieurs nanosecondes, avec des longueurs d’onde IR ou UV, et des intensités de l’ordre de 10^15 W/cm^2. Les champs B générés au LULI2000 ont été caractérisés par déflectométrie de protons selon deux axes perpendiculaires. Nous avons identifié les effets des champs B et des champs électriques sur les protons sonde, permettant ainsi de quantifier, à différents temps, le courant de décharge de la boucle (et sa polarité) et la charge statique. Les mesures concordent avec les prédictions d’un modèle de diode déclenchée par laser couplé à un circuit électrique RL, ce qui souligne la quasi-stationnarité des courants. Des champs B de 50 T maximum ont ainsi été obtenus au centre de boucles de 0.5 mm de diamètre. Sur PALS, nous avons caractérisé plus en détail la zone active de génération du courant dans les LDCs, c’est-à-dire la région d’interaction laser. Nous avons mesuré simultanément le champ magnétique près de la boucle et celui auto-généré dans la plume plasma produite par laser, et en complément les spectres de particules issues du plasma et les décharges électriques à travers le support de la cible. Nous discutons de la corrélation entre les courants dans la boucle et dans la plume plasma. Cette plateforme a permis d’optimiser l’amplitude du champ B obtenu en fonction de différents paramètres géométriques de la cible. Enfin, nous discutons des mesures de champs B avec des LDCs drivés par des lasers UV, effectuées sur OMEGA et sur LMJ, en vue de leur possible utilisation pour la magnétisation de plasmas HDE dans des expériences laser à grande échelle. Plusieurs modèles théoriques pour l’évolution des champs B générés dans les LDCs sont comparés aux résultats expérimentaux de l’ensemble des expériences.