le programme avec abstracts

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7ème Forum Lasers et Plasmas
14-19 Juin 2015 – Ile de Porquerolles
Hôtel Club IGESA
Forum ILP 2015 Comité scientifique:
◦ Dimitri Batani
◦ Serena Bastiani
◦ Christophe Blancard
◦ Nathalie Blanchot
◦ Michel Boustie
◦ Fabien Dorchies
◦ Pascal Gauthier
◦ Stefan Hüller
◦ Michel Koenig
◦ Philippe Martin
◦ Laurent Masse
◦ Gilles Maynard
◦ Kim Ta Phuoc
◦ Chantal Stehlé
◦ Sylvaine Turck-Chieze
Comité d'organisation ([email protected]) :
◦ Sandrine Ferri (Aix-Marseille Université/PIIM)
◦ Patrick Mora (École Polytechnique/CPHT)
◦ Caterina Riconda (Université Pierre et Marie Curie/LULI)
Administration:
◦ Florence Auger (École Polytechnique/CPHT)
◦ Malika Lang (École Polytechnique/CPHT)
Programme du Forum ILP 2015 Ile de Porquerolles 14-‐19 Juin 2015 Lundi 9h-‐9h15 P. Mora Ouverture du 7ème Forum ILP 9h15-‐9h45 A. Le Marec (ISMO) Effet de la cohérence partielle des lasers XUV sur la caractérisation de leurs propriétés spectrales 9h45-‐10h15 S. Ferri (PIIM) Etude de l'abaissement du potentiel d'ionisation et autres propriétés statistiques des plasmas couplés via simulations numériques de Dynamique Moléculaire classique 10h15-‐10h45 Pause 10h45-‐11h15 S. Corde (LOA) Accélération plasma par faisceau de particules 11h15-‐11h45 T. Ceccotti (IRAMIS) Accélération d'électrons par excitation résonnante d’ondes de surface en régime relativistes 11h45-‐12h15 Y. Azamoum (LP3) Optimisation d’une source X Kα générée par laser Ti:Sa 10 TW – 100 Hz Déjeuner – Temps libre 17h-‐17h30 G. Chériaux (LULI) Apollon 10 PW : description et état d'avancement 17h30-‐19h Table Ronde (S. Jacquemot) L'avenir de la fédération recherche et des installations lasers de puissance 19h30 Diner Mardi 8h45-‐9h15 P.E. Masson-‐Laborde (CEA/DAM) Fusion par confinement inertiel et fonctionnement des hohlraums de forme ‘rugby’ 9h15-‐9h45 S. Laffite (CEA/DAM) Chronométrie et performances de l'implosion en attaque directe sur l'installation OMEGA 9h45-‐10h15 C. Neuville (CEA/DAM) Physique de l'interaction laser-‐plasma en configuration de croisement de faisceaux 10h15-‐10h45 Pause 10h45-‐11h15 A. Casner (CEA/DAM) Expériences NIF Discovery Science dédiées à l’étude régime fortement non-‐linéaire de l’instabilité de Rayleigh-‐Taylor ablative 11h15-‐11h45 M. Dozières (IRAMIS) X opacity measurements in mid-‐Z dense plasmas with a new target design of indirect heating 11h45-‐12h15 R. Taieb (LCPMR) Photoionization dynamics: Transition and scattering delays Déjeuner – Temps libre 17h-‐17h30 A. Debayle (CEA/DAM) Ion acceleration induced by laser-‐produced electrostatic shocks 17h30-‐19h Posters 01(J.C. Adam)-‐17 (d’Humières) 19h30 Diner Mercredi 8h45-‐9h15 W. Rozmus (U. Alberta) Electron Transport and Related Nonequilibrium Distribution Functions in Hot Large Scale ICF Plasmas 9h15-‐9h45 C. Baccou (LULI) Optimisation du taux de réactions de fusion aneutroniques initiées par des protons accélérés par laser 9h45-‐10h15 A. Colaitis (CELIA) Modélisation des interactions laser-‐plasma non linéaires aux échelles hydrodynamiques : application à l'échange d'énergie par croisement de faisceaux 10h15-‐10h45 Pause 10h45-‐11h15 L. Romagnani (LULI) Evolution of a Sedov-‐Taylor blast-‐wave : radiative, nonlocal heat transport and field effects 11h15-‐11h45 G. Pariente (IRAMIS) Mesurer des faisceaux laser ultra-‐intenses en espace-‐temps 11h45-‐12h15 M. Lobet (CEA/DAM) A few applications of the radiative and quantum electrodynamics effects in future extreme-‐intensity laser-‐matter experiments Déjeuner – Temps libre 18h-‐18h30 J.E. Ducret (IRFU) L'EquipEX PETAL+ 18h30-‐19h G. Boutoux (CELIA) X-‐rays imaging diagnostics for PETAL 19h30 Repas de Gala Jeudi 8h45-‐9h15 A. Ravasio (LULI) Laboratory Astrophysics with High Power Lasers 9h15-‐9h45 B. Barbrel (U. Berkeley) Dynamique électronique femtoseconde dans la Warm dense Matter 9h45-‐10h30 D. Rouan (LESIA) Les planètes extrasolaires 10h15-‐10h45 Pause 10h45-‐11h15 R. Smets ((LPP) Etude de la reconnexion magnétique en HEDP 11h15-‐11h45 P. Cossé (CEA/DAM) Opacité des intérieurs d’étoiles de type solaire : quelles (in)certitudes ? 11h45-‐12h15 M. Le Pennec (IRFU) Validation des opacités solaires Déjeuner – Temps libre 17h-‐17h30 E. Falize (CEA/DAM) Invariance d’échelle des plasmas radiatifs et magnétisés 17h30-‐19h Posters 18 (Khiar)-‐34 (Van Box Som) 19h30 Diner Vendredi 9h-‐9h30 E. Llor Aisa (CELIA) Génération de très hautes pressions d'ablation laser par un faisceau d'électrons rapides dans un plasma dense 9h30-‐10h G. Seisson (CESTA) Les chocs générés par laser pour l’étude des impacts hypervéloces : analogies, expériences et simulations 10h-‐10h30 S. Boyer (ENSMA) Comportement dynamique de matériaux transparents sollicités sous choc laser extrême 10h30-‐11h Pause 11h-‐11h30 G. Massacrier (CRAL) Abaissement du potentiel d'ionisation dans les conditions Warm Dense Matter 11h30-‐12h M. Harmand (IMPMC) Etude de la matière dense et tiède sur les installations XFEL Déjeuner – Départ Navette Exposés du Lundi 15 Juin Effet de la cohérence partielle des lasers XUV sur la caractérisation
de leurs propriétés spectrales
Andréa Le Marec1, Pierre Chavel2, Olivier Guilbaud3, Olivier Larroche4
et Annie Klisnick1
1
ISMO, CNRS, Université Paris-sud, Orsay
2
LCP, Institut d'Optique - Graduate School, CNRS, Université Paris-Sud, Palaiseau
3
LPGP, CNRS, Université Paris-sud, Orsay
4
CEA DIF, Bruyère-le-châtel
La dernière décennie a vu l’avènement des lasers XUV injectés, où une impulsion
harmonique d’ordre élevé femtoseconde résonante est injectée et amplifiée dans un
amplificateur plasma de laser XUV. Par rapport au mode de fonctionnement ASE
(Amplification d'Emission Spontanée) utilisé auparavant, le mode injecté permet une
amélioration spectaculaire des propriétés de cohérence temporelle et spatiale des
impulsions XUV et une réduction importante de leur durée. Les propriétés de telles
impulsions s’approchent de celles délivrées par lasers X à électrons libres (XFEL)
dans la même gamme de longueur d’onde, mais leur durée est cependant limitée à
la picoseconde, à cause de la largeur spectrale extrêmement étroite des lasers XUV
générés par plasma. Pour atteindre le domaine femtoseconde dans lequel les lasers
à électrons libres permettent déjà d'explorer de nombreuses applications, il faut
élargir la bande spectrale des lasers XUV (~1011-1012 Hz).
Au cours des dernières années, notre groupe a caractérisé expérimentalement la
largeur spectrale de quatre différents types de lasers XUV, pompés par excitation
collisionnelle. Puisqu’il n’existe pas de spectromètre XUV de résolution assez fine
nous avons utilisé une méthode interférométrique. La grandeur mesurée par
l'autocorrélation du champ est la cohérence temporelle de l'impulsion, dont on déduit
la largeur spectrale. Les quatre types de lasers XUV que nous avons caractérisés
reposent sur des procédés de génération différents, ce qui confère à leurs milieux
amplificateurs des propriétés distinctes. En particulier, leur durée d’impulsion en
mode ASE varie de quelques picosecondes à quelques nanosecondes. Par ailleurs,
le temps de cohérence est dans tous les cas de l'ordre de ~1 ps à quelques ps. On
distingue ainsi deux classes de lasers XUV : ceux dont la durée d’impulsion est très
longue devant le temps de cohérence et ceux dont la durée est plus grande, mais
proche du temps de cohérence. Dans ce second cas, nous avons observé un
désaccord entre nos mesures et les prédictions théoriques.
Dans cet exposé nous discuterons de l'origine de ce désaccord, étroitement lié aux
propriétés de cohérence temporelle partielle des lasers XUV fonctionnant en mode
ASE. Nous présenterons les simulations numériques que nous avons effectuées à
partir d'un modèle développé pour des impulsions XFEL [1]. Nous montrerons que ce
modèle reproduit bien nos observations expérimentales pour les deux classes de
lasers XUV, et qu'il permet d'extraire des informations supplémentaires sur les
impulsions mesurées.
Référence :
[1] T. Pfeifer et al. "Partial-coherence method to model experimental free-electron laser pulse
statistics." Optics letters 35.20 (2010): 3441-3443. Etude de l'abaissement du potentiel d'ionisation et autres
propriétés statistiques des plasmas couplés via une technique de
Dynamique Moléculaire classique
A. Calisti, S. Ferri et B. Talin
Aix-Marseille Université, CNRS, PIIM UMR 7345, 13397 Marseille, France
[email protected]
Lorsque la matière est soumise à un rayonnement X intense, elle est portée dans un
état fortement hors-équilibre qui résulte en un chauffage et une détérioration de
l’échantillon : la matière solide et froide est transformée en matière tiède et dense
(WDM) puis en plasma dense fortement couplé. Ces deux derniers régimes
présentent des atomes et des ions aux comportements intrinsèquement liés au
plasma. Les interactions électromagnétiques (en particulier la force de Coulomb)
entre les particules chargées induisent des comportements collectifs des ions et des
électrons. Aussi, lorsque l’énergie potentielle devient plus grande que l’énergie
thermique, les particules sont fortement corrélées, ce qui influence les propriétés
structurelles du milieu et par conséquent affecte la structure atomique des ions et
des atomes de ce milieu (abaissement du potentiel d’ionisation, déplacement et
élargissement des raies spectrales, modifications de la fonction de partition, etc.).
C’est dans ce contexte que nous développons un code de simulation numérique de
Dynamique Moléculaire classique multi-composantes (ions et électrons) dans lequel
un processus d’ionisation/recombinaison a été implémenté pour pouvoir suivre
l’évolution d’un plasma impliquant des ions de différents états de charges vers un
état stationnaire dépendant de la température, de la densité et de la composition du
plasma, [1]. Cette approche microscopique présente plusieurs avantages.
Notamment, les électrons sont décrits explicitement (pas d’approximation de BornOppenheimer) ce qui permet le calcul des fonctions de corrélation électroniques
dynamiques qui sont à la base de l’interprétation des expériences de diffusion
Thomson X. Nous présentons ici une application sur des plasmas de béryllium, [2].
D’autre part, l’environnement d’un ion émetteur est explicitement décrit. Nous
exploitons, par exemple, le mécanisme d’ionisation/recombinaison pour mesurer
l’abaissement du potentiel d’ionisation (IPD) sur un ion donné dû aux interactions de
toutes les particules chargées (ions et électrons) sur cet ion, [3]. De plus, cette
approche, permet de considérer des ions et des électrons à des températures
différentes. Les effets de non-équilibre sur l’IPD sont donc accessibles. Nous
présentons les résultats obtenus sur des plasmas d’aluminium comparés à des
modèles semi-classiques et à des mesures expérimentales, [3,4,5].
[1] A. Calisti, S. Ferri, M. Marciante and B. Talin, HEDP 13, 1-8 (2014).
[2] A. Calisti, S. Ferri and B. Talin, Contrib. Plasma Phys. 55, 5, 360-365 (2015).
[3] O. Ciricosta et al., Phys. Rev. Lett. 105, 065002 (2012).
[4] D.J. Hoarty et al. Phys. Rev. Lett. 110 265003, (2013).
[5] A. Calisti, S. Ferri and B. Talin, soumis à J. Phys. B.
Accélération plasma par faisceau de particules
Sébastien Corde1, 2
1
Laboratoire d’Optique Appliquée, ENSTA ParisTech – CNRS UMR7639 – Ecole
Polytechnique – Université Paris-Saclay, 91762 Palaiseau, France
2
SLAC National Accelerator Laboratory, Menlo Park, CA 94025, USA
Les accélérateurs conventionnels étant limités par leur champ électrique,
inférieur à 100 MV/m, de nouvelles méthodes d'accélération sont explorées.
L'accélération plasma est particulièrement prometteuse car elle permet d'obtenir des
champs électriques très élevés, pouvant être supérieur à 100 GV/m [1]. Elle est
basée sur l’utilisation d’ondes de sillage plasma, pouvant être excitées soit par des
impulsions laser, soit par des faisceaux de particules. La particularité de l’approche
faisceau est qu’elle utilise des faisceaux produits par des accélérateurs
conventionnels, et permet d’atteindre des efficacités énergétiques très intéressantes.
C’est l’approche la plus appropriée pour des applications à haute énergie, où
l’efficacité énergétique du collisionneur de particules est critique.
Nous discuterons les dernières avancées expérimentales dans le domaine de
l’accélération plasma par faisceau, tout particulièrement l’accélération plasma d’un
faisceau d’électrons avec une grande efficacité d’extraction de l’énergie de l’onde
plasma [2], la production de gains en énergie très importants dans un gaz noble
auto-ionisé par le faisceau, et la démonstration de l’accélération de positrons (voir
figure) par une onde de sillage plasma non linéaire [3].
Accélération de positrons dans un plasma. L’énergie initiale des positrons est 20.35 GeV. La partie
accélérée du spectre en énergie des positrons est représentée par la courbe noire.
[1] S. Corde et al., Nat. Commun. 4, 1501 (2013).
[2] M. Litos et al., Nature 515, 92 (2014).
[3] S. Corde et al., Soumis à Nature (2015).
Accélération d'électrons par excitation résonnante d’ondes de
surface en régime relativistes
L. Fedeli,1, 2 A. Sgattoni,2 G. Cantono,3, 4, 1, 2 D. Garzella,3 F. Réau,3 I. Prencipe,5 M.
Passoni,5 M. Raynaud,6 M. Kveton,7 J. Proska,7 A. Macchi,2, 1 and T. Ceccotti3
1
2
Enrico Fermi Department of Physics, University of Pisa, Pisa, Italy
National Institute of Optics, National Research Council (CNR/INO), u.o.s Adriano
Gozzini, Pisa, Italy
3
CEA/DSM/IRAMIS/LIDYL, Gif-sur-Yvette, France
4
University of Paris Sud, Orsay, France
5
Department of Energy, Politecnico di Milano University, Milan, Italy
6
Laboratoire des Solides irradiés, Ecole Polytechnique, CNRS,
CEA/DSM/IRAMIS, Université Paris-Saclay, Palaiseau, France
7
FNSPE, Czech Technical University, Prague, Czech Republic
Les caractéristiques d’énergie, durée, flux, divergence voire de laminarité de paquets
de particules accélérées par laser permettent de les utiliser dans différents
domaines de recherche1 et d’en envisager l’utilisation à des fins applicatives2. Dans
ce contexte, l’un des axes majeurs de la recherche aujourd’hui concerne
l’augmentation de l’efficacité de couplage entre l’énergie délivrée par l’impulsion
laser et la cible. Pour y parvenir, on peut tirer parti de l’excitation d’ondes de surface
(SPW) dans la cible, des ondes localisées à l’interface plasma-vide et caractérisées
par un champ électrique résonant fortement inhomogène capable d’accélérer les
électrons aussi bien dans le vide que dans la cible. L’étude de l’interaction laserplasma dans un régime d’interaction compris entre 1016 et 1020 W/cm2 avec des
simulations PIC à 2 dimensions, a montré que l’on peut exciter des SPW, dans un
plasma sur-dense dont la surface est initialement modulée afin de satisfaire les
conditions d’excitation résonante3 et augmenter ainsi, de façon importante,
l’absorption laser.
Dans ce cadre, une première expérience en 2012 sur l’installation UHI100 à Saclay4
nous avait permis d’observer le couplage résonnante photon-SPW en régime
relativiste (ILaser > 1019 W/cm2 ) en utilisant des cibles réseau de période égale à 2
λLaser. Plus récemment, nous avons pu mettre en évidence, pour la première fois
dans ce même régime, l’existence d’un paquet d’électrons accéléré dans la direction
de propagation des plasmons le long la surface de la cible. Les électrons affichent
une distribution énergétique avec un pic assez marqué et centré sur des énergies de
quelque MeV. Ces résultats ouvrent la voie à un tout nouveau domaine de recherche
que notre groupe va parcourir et que l’on peut définir de « plasmonique relativiste »,
à savoir, tous les phénomènes associés à l’excitation résonnante d’ondes de surface
dans un régime d’interaction laser-matière à des intensités relativistes.
1
M. Borghesi et al., Fus. Sc. Techn. 49, 412 (2006)
S. V. Bulanov and V. S. Khoroshkov, Plasma Physics Reports, 28, 453 (2002)
3
M. Raynaud et al., Phys. Plasma 14, 92702 (2007); A. Bigongiari et al., Phys. Plasma 18, 102701
(2011)
4
T. Ceccotti et al. Phys. Rev. Lett. 111, 185001 (2013)
2
Optimisation d’une source X Kα générée par laser Ti:Sa
10 TW – 100 Hz
Y. Azamoum*, V. Tcheremiskine, R. Clady, L. Charmasson, N. Sanner, O. Uteza
et M. Sentis
Laboratoire Lasers, Plasmas et Procédés Photoniques,
UMR 7341 CNRS – AMU, Campus de Luminy, Marseille, France
*Contact : [email protected]
Notre travail porte sur l’optimisation d’une source X Kα générée par interaction laser
ultra intense femtoseconde avec une cible solide métallique massive. Les sources X
plasma laser de type Kα sont étudiées depuis de nombreuses années par plusieurs
équipes dans le monde. En effet, les caractéristiques de rayonnement X de ces
sources d’une part et leur compacité d’autre part permettent d’avoir une source ultrabrève à l’échelle du laboratoire. Ces sources sont ainsi facilement accessibles à la
communauté scientifique tout en présentant des propriétés complémentaires à
celles des accélérateurs de particules tels que les lasers à électrons libres et les
synchrotrons [1,2].
Un certain nombre d’applications nécessite l’obtention d’une source micrométrique
intense et de durée sub-picoseconde. L’imagerie médicale par contraste de phase [3]
requiert, par exemple, une source brillante et de taille de quelques microns pour
permettre d’atteindre une très haute résolution spatiale. Par ailleurs, une telle source
X sub-picoseconde permet de suivre les changements de structures atomiques lors
des transitions de phase ultrarapides dans des expériences de type pompe optiquesonde X. La mise en évidence et la confirmation du phénomène de fusion non
thermique par interaction laser femtoseconde a été ainsi réalisée avec une telle
source X plasma laser [4].
La source laser ASUR dont nous disposons pour générer cette source présente des
caractéristiques uniques. En effet, le système laser basé sur la technologie Ti:Sa
délivre des impulsions intenses jusqu’à 250mJ avec une durée de 30fs et à une
cadence de 100Hz. La source présente aussi un excellent rapport de contraste
temporel de 10-9 à l’échelle ns à 800nm. L’installation est également équipée d’un
système d’optique adaptative qui permet de focaliser le faisceau laser sur un
diamètre de 3,5µm (largeur à mi-hauteur). On peut ainsi atteindre des intensités
surfaciques > 1019 W cm-2 sur cible. Notons qu’aucune étude de source X de type Kα
n’a été réalisée avec de telles caractéristiques d’interaction.
Durant notre exposé, nous présenterons et discuterons les résultats issus de l’étude
expérimentale de l’impact des paramètres laser (l’intensité, le contraste temporel,
l’angle d’incidence entre le faisceau laser et la cible,…) sur les caractéristiques de la
source (taille, flux de photons et efficacité de conversion en photon Kα). En cours
d’optimisation, cette source permet déjà la délivrance de 109ph/s à 17,4 keV avec
une taille de source d’émission de l’ordre de 10 µm.
[1] T. Elsaesser and M. Woerner, "Perspective: Structural dynamics in condensed matter mapped by
femtosecond x-ray diffraction", J, Chem. Phys.140, 020901 (2014).
[2] Jannick Weisshaupt , Vincent Juvé , Marcel Holtz et al., "High-brightness table-top hard X-ray
source driven by sub-100-femtosecond mid-infrared pulses", Nature Photonics ,vol 8, (2014).
[3] R. Toth, J. C. Kieffer, S. Fourmaux, T. Ozaki and A. Krol, "In-line phase-contrast imaging with a
laser-based hard x-ray source", Rev. Sci. Instrum. 76, 083701 (2005).
[4] A. Rousse, C. Rischel, S. Fourmaux et al."Non-thermal melting in semiconductors measured at
femtosecond resolution ". Nature, 410, (2001).
Apollon 10 PW : description et état d'avancement
G. Chériaux 1, D. N. Papadopoulos 1,*, C. Le Blanc 1, F.Druon 2, P. Georges 2, J.P Zou
1
, J.M. Boudenne 1, L. Martin1, A. Beluze1, N. Lebas1, A. Fréneaux 1, I. Tagzhout1, D.
Fournet 1, J.L. Paillard 1, G. Mennerat 3, J.L. Veray 1, M. Pina 1, P. Monot 3, P. Martin 3,
F. Mathieu 1, P. Audebert 1 et F. Amiranoff 1
1
Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses, CNRS, Ecole Polytechnique,
CEA, Univ. Pierre et Marie Curie, Palaiseau, France,
2
Laboratoire Charles Fabry, Institut d’Optique, CNRS, Univ Paris Sud, Palaiseau,
France,
3
CEA, Iramis, SPAM, Saclay, France
Le laser intense Apollon-10P fournira à la communauté scientifique quatre faisceaux
dont deux principaux de puissance crête de 10 et de 1 PW en des durées
d'impulsions ultra-courte de 15 fs.
La présentation détaillera l'architecture du système et les solutions retenues pour
l'obtention des caractéristiques de sortie.
Un point sur l'état d'avancement de la construction du laser sur le site de l'Orme des
Merisiers sera fait.
Exposés du Lundi 16 Juin GeV Electrons due to a Transition from Laser Wakefield
Acceleration to Plasma Wakefield Acceleration
P. E. Masson-Laborde1, M. Z. Mo2, A. Ali2, S. Fourmaux3, P. Lassonde3, J. C.
Kieffer3, W.Rozmus4, D. Teychenné1, R. Fedosejevs2
1 CEA, DAM, DIF, F-91297 Arpajon Cedex, France
2 Department of Electrical and Computer Engineering, University of Alberta,
Edmonton, AB, Canada,T6G 2V4
3 INRS-EMT, Université du Québec, 1650 Lionel Boulet, Varennes, Québec,
Canada, J3X 1S2
4 Theoretical Physics Institute, University of Alberta, Edmonton T6G 2E1, Alberta,
Canada
The Laser Wakefield Acceleration (LWFA) experiments performed with the 200 TW
laser system located at the Canadian Advanced Laser Light Source (ALLS) facility at
INRS, Varennes (Québec) observed at relatively high plasma densities (~1x1019 cm3
) electron bunches of GeV energy gain, more than double of the predicted energy
using Lu’s scaling law. This energy boost phenomena was modelled with three
dimensional (3D) particle-in-cell (PIC) simulations and can be attributed to a
transition from LWFA regime to a plasma wakefield acceleration (PWFA) regime that
can drive electrons up to energies close to the GeV level. In the first stage, the
acceleration mechanism is dominated by the bubble created by the laser in the
nonlinear regime of LWFA, leading to an injection of a large number of electrons.
After propagation beyond the depletion length, where the laser pulse energy is
depleted and it can no longer generate sufficient transverse ponderomotive force to
sustain the bubble anymore, the dense bunch of high energy electrons propagating
inside the bubble will drive its own wakefield in the PWFA regime. This wakefield will
be able to trap and accelerate a secondary population of electrons up to the GeV
level during this second stage. 3D PIC simulations support this analysis, and confirm
the scenario.
Chronométrie et performances de l’implosion en attaque directe sur l’installation OMEGA S. Laffite, J. L. Bourgade, T. Caillaud, F. Girard, O. Landoas, S. Lemaire, L. Masse, P. E. Masson-‐Laborde, F. Philippe, C. Reverdin et V. Tassin (CEA, DAM, DIF, F-‐91297 Arpajon, France) G. Legay (CEA, DAM, VA, 21120 Is-‐sur-‐Tille, France) J. A. Delettrez, V. Yu. Glebov, F. J. Marshall, D. T. Michel, W. Seka (LLE, University of Rochester, New York, 14623-‐1299, USA) T. Joshi, R. C. Mancini (Physics Department, University of Nevada, Reno, Nevada 89557, USA) J. A. Frenje (PSFC, MIT, Cambridge, Massachusetts 02139, USA) On présente l'interprétation d’expériences d’implosion en attaque directe, sur l’installation Omega, au Laboratory Laser for Energetics (LLE). L'objet de ces expériences était de tester notre capacité à maitriser une implosion ablative, non cryogénique, à l'échelle OMEGA. Trois impulsions laser ont permis de faire varier la stabilité de l'implosion d'une cible toujours aux mêmes dimensions. La configuration attaque directe OMEGA autorise la mesure résolue en temps de la lumière laser diffusée. On montre ici que, à condition que le terme source soit maîtrisé, la chronométrie de l'implosion, estimée par le « bang-‐time » et la trajectoire de la coquille, peuvent être prédites. Cette conclusion est indépendante de la forme de l'impulsion laser. En revanche, la forme de l'impulsion influe fortement sur la stabilité de l'implosion, estimée par la comparaison au calcul des performances de la cible. Pour le pulse carré, le nombre de neutrons mesurés représente environ 75 % du nombre donnée par le calcul. Pour le pulse mis en forme, le rapport tombe à environ 20 %. Physique de l’interaction laser-plasma en configuration de
croisement de faisceaux
C. Neuville1, V. Tassin1, C. Baccou2, P.-E. Masson-Laborde1, A. Debayle1,
P. Fremerye1, F. Philippe1, P. Seytor1, D. Teychenne1, M. Casanova1, P. Loiseau1,
G. Tran1, W. Seka3, J. Katz3, R. Bahr3, S. Hüller4, A. Héron4, C. Riconda2,
G. Duchâteau5, A. Colaïtis5, V. Tikhonchuk5, C. Labaune2, D. Pesme4
et S. Depierreux*1
1
CEA, DAM, DIF, F-91297 Arpajon, France
2
LULI, UMR 7605 CNRS-Ecole Polytechnique-CEA-Université Paris VI, 91128
Palaiseau cedex, France
3
Laboratory of Laser Energetics, University of Rochester, 250 East River Road,
Rochester, New-York 14623-1299, USA
4
Centre de Physique Théorique, UMR 7644, CNRS-Ecole Polytechnique, 91128
Palaiseau cedex, France
5
Centre Lasers Intenses et Applications, Université Bordeaux 1, 351 Cours de la
Libération, 33405 Talence cedex, France
Le croisement de multiples faisceaux laser intervient dans de nombreuses
applications en FCI (Fusion par Confinement Inertiel), mais aussi dans les schémas
d’amplification d’impulsions courtes. Il modifie le couplage des faisceaux laser avec
le plasma, en particulier les instabilités de diffusions Brillouin et Raman stimulées.
D’un côté, de nombreuses ondes électromagnétiques peuvent servir de germe aux
instabilités. Cela s’observe notamment via le transfert d’énergie entre les faisceaux,
utilisé pour l’amplification d’impulsions [A.A. Andreev et al., Phys. Plasmas 13,
053110 (2006)] ou le réglage de la symétrie dans les expériences NIF [J.D. Moody et
al., Nature Phys. 8, 344 (2012)]. D’un autre côté, des instabilités dites collectives
peuvent apparaître. Elles consistent à amplifier une même onde plasma ou
électromagnétique via les instabilités de plusieurs faisceaux [D.F. DuBois et al.,
Phys. Fluids B 4, 241 (1992)].
Des expériences ont été menées sur les installations laser LULI2000, à l’Ecole
Polytechnique (France), et OMEGA, à Rochester (US), pour étudier ces
phénomènes. Des diagnostics de rétrodiffusion, de transmission et de diffusion
Thomson, résolus en temps et en longueur d’onde, ont permis de mesurer l’évolution
temporelle et spectrale de signaux diffusés dans des directions caractéristiques. Plus
particulièrement, l’installation LULI2000 a permis de croiser deux faisceaux, un
nanoseconde et un picoseconde. L’installation OMEGA, quant à elle, a permis de
croiser jusqu’à quinze faisceaux nanosecondes lors d’expériences d’attaque
indirecte.
Cette présentation exposera les principaux résultats obtenus lors de ces
expériences. Le transfert d’énergie entre deux faisceaux a été observé lors de
l’expérience menée sur LULI2000. Sur OMEGA, nous avons mis en évidence
l’existence d’instabilités collectives. L’amplification d’une onde sonore par une
instabilité à quatre faisceaux a été observée par les mesures de diffusion Thomson.
Quant aux mesures de rétrodiffusion, elles mettent en évidence des instabilités à six
et dix faisceaux. Ces résultats permettent non seulement d’approfondir la
connaissance des instabilités Brillouin et Raman, mais aussi d’aborder les limites de
déposition d’énergie laser dans les cavités lors d’expériences d’attaque indirecte.
Expériences NIF Discovery Science dédiées à l’étude régime
fortement non-linéaire de l’instabilité de Rayleigh-Taylor ablative
A. Casner1, L. Masse1 et AblRT et Hydrodynamics collaborations
1
Dans le cadre du premier appel à projet pour des expériences académiques
sur le NIF, notre proposition d’expériences avait été retenue en 2010. Sa particularité
et son originalité découlait de la volonté d’étudier le stade fortement non-linéaire de
l’instabilité de Rayleigh-Taylor (IRT) ablative en attaque indirecte [1]. En effet, même
si la caractérisation expérimentale de l’IRT ablative a été un sujet d’études depuis 25
ans, la durée limitée de la phase d’accélération accessible sur les lasers tels que
Nova et OMEGA (au maximum 5 ns) ne permettait pas d’atteindre ce régime
fortement non-linéaire. En disposant d’un laser de classe MJ tel que le NIF, et LMJPETAL dans un futur proche [2], nous avons pu accéder pour la première fois en
attaque indirecte à un régime de compétition / mélange de bulles au front d’ablation
en partant d’un motif 2D multimode de perturbations initiales. Nous détaillerons
l’ensemble des résultats obtenus au cours d’une série de 9 tirs s’étalant de mars
2013 à avril 2015 [3].
La stabilisation ablative de l’IRT étant dépendante du schéma d’irradiation, il
serait intéressant d’effectuer des mesures similaires en attaque directe, mais en
partant cette fois-ci des défauts 3D d’empreinte laser. Dans cette optique, nous
présenterons les objectifs du développement d’une plateforme d’attaque directe
utilisant 96 faisceaux du NIF et 0.5 MJ d’énergie laser [4]. Les résultats obtenus lors
des premiers tirs prévus à l’automne 2015 serviront de référence à de futures
expériences académiques pour lesquelles la qualification des défauts d’empreinte et
du couplage laser / cible sont des préalables indispensables.
[1] A. Casner et al., Physics of Plasmas 19, 082708 (2012).
[2] LMJ-PETAL Users Guide.
[3] A. Casner et al., accepted for publication in Physics of Plasmas APS DPP Special Issue (May
2015).
[4] https://lasers.llnl.gov/news/experimental-highlights#discovery
X opacity measurements in mid-Z dense plasmas
with a new target design of indirect heating
M.Dozières1, F.Thais1, S.Bastiani-Ceccotti2, T.Blenski1, W.Fölsner3, F.Gilleron4,
D.Khaghani5, J C.Pain4, M.Poirier1, C.Reverdin4, F.Rosmej2, G.Soullié4, B.Villette4.
1CEA, IRAMIS, LIDyL, Saclay, Gif-sur-Yvette, France
2LULI, École polytechnique, CNRS, UPMC, Palaiseau, France
3Max-Planck-institut für Quantenoptik, Garching, Germany
4CEA, DAM, DIF, F-91297 Arpajon, France
5EMMI, GSI Helmholtzzentrum, Darmstadt, Germany
We present the recent experimental work at the LULI-2000 facility about X and XUV opacity
measurements in mid-Z laser produced plasma. The aim of this work was, first, to
simultaneously measure absorption structures in X and XUV range using different approaches
to estimate the plasma temperature and validate the atomic physic codes, and second, to
implement a new target design of indirect heating. We were interested in plasma conditions
characterized by temperatures between 25eV and 30eV and densities of the order of
magnitude of 10 3g/cm3 to 10 2g/cm3. We sought to investigate the Ni and Cu 2p-3d x-ray
absorption structures as well as the 1s-2p transition of an additional aluminum layer to
confirm the in-situ temperature. Under these conditions in medium-Z plasma the Planck and
Rosseland average opacities are often dominated by XUV Δn=0 (n=3) transitions. And the
strength of these structures is highly sensitive to plasma temperature.
The experimental scheme of the new target design was based on a thin foil of main material,
placed between two gold cavities (one above and one below) that were heated by two
nanosecond doubled frequency 300J beams. The plasma was probed by an X-ray backlighter
created by a third nanosecond beam with an energy E~20J. This X-ray source was along the
axis defined by the foil and the main spectrometer whereas the two cavities were out of this
axis to reduce the effect of the Hohlraum self-emission on the detector. The both-side
irradiation of the foil by the cavities allows to decrease spatial gradient in the sample.
In addition to the main spectrometer, several other diagnostics were used. An independent
measurement of the radiative temperature of each cavity was performed with a broad-band
spectrometer. The X-ray source was systematically measured by an high resolution
spectrometer. Finally a pinhole camera was placed to observe the X-ray emission of the
cavities and the backlighting source.The association of all these diagnostics allowed us to
better characterize the sample and constrain the opacity data.
Only results are shown in X-ray range because of not enough reliable XUV spectra and
comparisons with calculations made by the hybrid code SCO-RCG are presented.
Photoionization dynamics: Transition and scattering delays
J. Caillata, M. Vacherb, R. Gaillaca, A. Maqueta and R. Taïeba
a
UPMC, CNRS, UMR 7614, Laboratoire de Chimie Physique Matière et
Rayonnement, Paris, France
b
Department of Chemistry, Imperial College London, London, SW7 2AZ, UK
Resolving electron motion in atoms and molecules on its natural attosecond (as)
scale is way beyond the temporal resolution of available detection devices. The
techniques developed to achieve such attosecond resolution thus rely on
interferometric setups [1]. In fact, the reported times are actually group delays
derived from phase measurements, involving coherent photoemission processes.
Therefore, the analysis of the experimental data and the related theoretical
development ask for rigorous and unambiguous definitions and interpretations of
these phases, and of the inferred group delays [2].
It is now accepted that a "scattering delay" [4] affects the dynamics of any
photoemission process. However, the simplicity of the underlying physics is not fully
recognized yet. Formally, such delays are imprinted in the phase shifts of the
photoelectron wave-functions, which are commonly expressed on the basis of
incoming waves. In this framework, the "scattering phase" associated to
photoemission appears as the argument of the transition amplitude, thus obscuring
the significance of the delay - which may be misinterpreted for example as a
transition duration.
Here, we will present the benefits of working with the continuum wave-functions
selected by the transitions (scwf) [3], which (i) carry all the information related to the
continuum reached by photoabsorption, (ii) are defined independently of the arbitrary
basis one chooses to work with and (iii) are real valued for single-photon transitions.
They provide a clear-cut interpretation of the scattering delays.
In higher order processes, the scwf comes with an additional complex phase, as
soon as the transition is resonant. We will show that the group delay associated with
that phase can now be interpreted as a "transition delay", and how it can be
accessed experimentally in a straightforward reinterpretation of the rabbit
interferometric technique, initially designed for the characterization of coherent xuv
pulses. References [1] S. Haessler et al, Phys. Rev. A 80 011404 (2009); M. Schultze et al Science 328 1658 (2010) ;
K. Klunder et al Phys. Rev. Lett. 106 143002 (2011).
[2] J. Caillat et al Phys. Rev. Lett. 106 093002 (2011);R. Gaillac et al submitted (2015); M. Vacher
et al, in preparation (2015).
[3] H. Park et al J. Chem. Phys 104 4554 (1996).
[4] E. P. Wigner Phys. Rev. 98 145 (1955).
Ion acceleration induced by laser-produced electrostatic shocks
Debayle A.1, Gremillet L.1, Davoine X.1, Mollica F.2, Vauzour B.2, Flacco A.2
and Malka V.2
1
2
Laboratoire d'Optique Appliquée, ENSTA-CNS-Ecole Polytechnique, UMR
7639, 91761 Palaiseau, France
The past fifteen years have seen significant advances on laser-assisted particle
acceleration. The GeV range has been reached for electron bunches [1] while the
100 MeV/nucleon “barrier” for ions has been overcome [2]. Both achievements
predate a new generation of particle accelerators, relevant for a remarkable range of
fundamental, industrial and medical applications. Particularly, the recently attained
level of ion acceleration strengthens the viability of laser-assisted hadron-therapy. In
this respect, the SAPHIR project, carried by Amplitude Technologies, aims at
demonstrating the feasibility of proton-therapy through laser/plasma interaction. For
this purpose, a 200 TW laser system has been developed at “Laboratoire d’Optique
Appliqué” (LOA), with an energy of ~5 J and a maximum intensity of ~5×1020 W/cm².
Among the various laser-driven acceleration mechanisms possibly explored, those
induced in near-critical gas targets have been paid particular attention due to their
suitability for high-repetition rate laser systems.
Prior to the experiments conducted at LOA, we have explored this relatively new
interaction regime by means of the particle-in-cell (PIC) code CALDER [3]. We have
found that, for a carefully chosen set of laser and plasma parameters, the ions can
be accelerated to several tens of MeV/nucleon using a SAPHIR-class laser pulse.
The acceleration mechanism is as follows. In a first step, the laser beam ionizes the
gas and strongly heats the electrons to tens of MeV. Owing to the charge separation
induced at the edge of the gas jet, the ions are accelerated as in the standard TNSA
regime. Meanwhile, deeper into the gas jet, the strong electron kinetic pressure
drives an electrostatic collisionless shock that overtakes and reflects part of the
TNSA-accelerated ions, hence producing final ion energies several times higher [4]
than those obtained by TNSA alone.
We have performed a detailed numerical and theoretical study of this new
acceleration regime. In particular, we show that the electron heating results from the
breaking of a strongly nonlinear wake-field driven by the laser pulse. We present a
reduced model of this mechanism, describing the wakefield generation in the
presence of a population of trapped electrons. This simple model allows us to
estimate the level of electron heating as a function of the laser and gas parameters,
and therefore to predict the final ion energy.
[1] Lu H. et al., App. Phys. Lett. 99, 091502 (2011)
[2] Jung D. et al., Phys. Plasmas 20, 083103 (2013)
[3] Lefebvre E. et al., Nucl. Fusion 43, 629 (2003)
[4] Fiuza F. et al., Phys. Rev. Lett. 109, 215001 (2012)
Exposés du Mercredi 17 Juin Electron Transport and Related Nonequilibrium Distribution
Functions in Hot Large Scale ICF Plasmas
W. Rozmus
Department of Physics, University of Alberta,
Edmonton, Alberta, Canada
Using Fokker Planck (FP) code OSHUN [1] and higher order perturbative solutions to
the FP equation we have studied electron distribution functions (EDF) in
inhomogeneous and hot hohlraum plasmas of the current ICF experiments. We have
also examined limits of validity for the diffusive approximation to the FP equations
using accurate OSHUN solutions with many harmonics.
In inhomogeneous ICF plasmas characterized by the temperature and density
gradients consistent with the high flux model [2] nonequilibrium EDF often display
unphysical properties related to first and second order derivatives at larger velocities.
These EDF strongly modify linear plasma response, including Lanadau damping of
Langmuir waves, electrostatic fluctuation levels and gain coefficients.
We have found that Langmuir waves propagating in the direction of the heat
flow have increased Lanadau damping while Langmuir waves propagating in the
direction of the temperature gradients are far less damped as compared to damping
calculated from the Maxwellian EDF. These effects have been discussed in the
context of stimulated Raman scattering, Langmuir decay instability and Thomson
scattering experiments.
[1] M. Tzoufras et al. Phys. Plasmas 20, 056303 (2013).
[2] M.D. Rosen, et al., HEDP 7, 180 (2011).
Optimisation du taux de réactions de fusion aneutroniques initiées
par des protons accélérés par laser
1
2
2
C. Baccou , C. Neuville , S. Depierreux , V. Yahia1, 2, C. Goyon1, 2, F. Consoli3, R. De
Angelis3, J.E. Ducret4, G. Boutoux4, J. Rafelski5 and C. Labaune1
1 LULI, Ecole Polytechnique CNRS, CEA, UPMC, 91128 Palaiseau Cedex, France
2
3
4
5
ENEA, 00044 Frascati, Italy
CELIA, Université Bordeaux 1, Talence, France
Department of Physics, University of Arizona, Tucson, Arizona 85721-0081, USA
Grâce au développement des technologies laser à impulsions courtes et intenses, il
est possible d'envisager la production d'énergie par la fusion nucléaire de façon
différente. De nouveaux schémas de fusion peuvent être conçus dans lesquels les
réactions de fusion seraient produites hors équilibre thermique. Dans ce régime, les
sections efficaces de réactions de fusion aneutroniques, telles que la fusion protonbore-11, sont aussi importantes que la section efficace de réaction de fusion
classique entre deutérium-tritium. Ainsi, nous avons conçu un nouveau schéma de
fusion dont le principe est d'initier des réactions grâce à des protons accélérés par
laser venant interagir avec une cible de bore [1]. Nous avons mené des campagnes
expérimentales pour comprendre la physique régissant l'interaction faisceau de
protons-cible et pour déterminer les paramètres clés qui influent sur le nombre de
réactions produites.
Pour mesurer ce nombre, nous avons développé un ensemble de diagnostics :
détecteurs CR-39, spectromètre magnétique et parabole Thomson. Leur rôle est de
détecter les particules α produites par les réactions de fusion. Chaque diagnostic
permettant de détecter des particules d'énergies et ionisations différentes, leur
utilisation croisée est complémentaire. Un effort important a été effectué sur la
calibration des CR-39 pour maîtriser l'identification des particules α dans tous les
diagnostics.
Les résultats expérimentaux montrent que l'utilisation de mécanismes d'accélération
convertissant l'énergie laser en impulsion des protons est plus efficace pour initier
des réactions que l'utilisation de mécanismes de chauffage par impulsion courte [2].
De plus, on observe une hausse du nombre de réactions lorsque la cible de bore est
dans l'état de plasma et que ce nombre dépend des profils de température et densité
rencontrés.
[1] C. Labaune et al., Nature Comm. 4, 2506 (2013)
[2] C. Baccou et al., Laser Part. Beams doi:10.1017/S0263034615000178 (2015)
Modélisation des interactions laser-plasma non linéaires aux
échelles hydrodynamiques : application à l'échange d'énergie par
croisement de faisceaux
A. Colaïtis, G. Duchateau, X. Ribeyre, Ph. Nicolaï, V. Tikhonchuk
Centre Lasers Intenses et Applications (CELIA) - Univ. Bordeaux - CNRS - CEA
Les interactions laser-plasma mettant en jeu des impulsions longues (100 ps –
10 ns) à des intensités intermédiaires (1014 - 1017 W/cm2) se produisent dans un
régime non-linéaire associé avec une rétro-diffusion parasite, à une perturbation forte
de la densité et à la génération d'électrons de grandes énergies. Ces processus nonlinéaires étudiés surtout à l'échelle microscopique ont souvent un effet prépondérant,
notamment dans le domaine de la fusion inertielle. Ceux-ci ne sont pas pris en
compte dans les codes hydrodynamiques car leur description repose principalement
sur la connaissance de l’intensité laser dans le plasma, difficile à estimer à partir des
modèles standards de Ray-Tracing (statistiques de rayons lumineux infiniment fins
suivant les lois de l’optique géométrique). Cette description, qui permet de prendre
en compte la réfraction des rayons et d'estimer l'absorption collisionnelle
(Bremsstrahlung inverse), ne porte pas d’information directe sur l’intensité laser. Bien
que celle-ci puisse être calculée à partir de l'absorption collisionnelle, cette
estimation est peu précise, souvent bruitée, et nécessite des algorithmes complexes
afin d'obtenir une convergence numérique du résultat.
Afin de pallier les limitations du Ray-Tracing, nous avons implémenté dans le
code hydrodynamique-radiatif CHIC un modèle basé sur l'optique géométrique
complexe paraxiale (PCGO) : une description stochastique de faisceaux lasers par
des rayons lumineux "épais", de profils d'intensité transverse Gaussiens. L'épaisseur,
le rayon de courbure et l'intensité de ces rayons dépend des paramètres du plasma
et rend compte à la fois de la réfraction, de la diffraction et de l'absorption
collisionnelle de manière plus précise que le Ray-Tracing [1]. De plus, elle permet de
naturellement reproduire la statistique d'intensité créée par les techniques usuelles
de lissage des faisceaux lasers, telles qu'obtenues à partir de l’usage de lames de
phases. La connaissance directe de l'intensité laser dans le plasma permet alors de
prendre en compte de manière consistante les effets non linéaires de l’interaction, à
l'échelle hydrodynamique. Notamment, nous avons développé un modèle qui permet
de calculer les échanges d'énergie entre faisceaux croisés (CBET) [2]. Cette
méthode, validée par comparaison avec un code électromagnétique paraxial, repose
sur le calcul chronologique des échanges d'énergie locaux entre chaque rayon épais,
à l'aide d'un modèle stationnaire du taux d'amplification spatial de diffusion Brillouin
stimulée (SBS). Ce dernier prend notamment en compte l'effet doppler et
l'amortissement des ondes ioniques dans le plasma, et ne nécessite pas de
limitations arbitraires du gain SBS. Cette méthode permet de calculer de manière
couplée, i.e. à chaque pas de temps hydrodynamique, les échanges d'énergies entre
multiples faisceaux lasers, dans n'importe quelle configuration d'éclairement et de
manière performante. Son application à la fusion inertielle en attaque directe
souligne l'importance du CBET pour les performances du couplage laser-cible et de
la symétrie de l'irradiation laser.
[1] A. Colaitis et al., Phys. Rev. E 89, 033101, (2014).
[2] A. Colaitis et al., Phys. Rev. E 91, 013102, (2015).
Evolution of a Sedov-Taylor blast-wave: radiative, nonlocal heat
transport and field effects
L. Romagnani1, A. Marocchino2, A. Ravasio1, A. Levy3, D. Vernhet3, E. Lamour3,
C. Prigent3, M. Grech1, Y. Fukuda4, J. Satoshi4, L. Lancia2, D. Doria5, M.
Borghesi5
1 Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses, LULI- Ecole PolytechniqueCNRS-CEA-UPMC, 91128 Palaiseau, France
2 Università di Roma La Sapienza, Rome, Italy
3 Sorbonne Universités, UPMC, UMR 7588, CNRS, INSP, F-75005, Paris, France
4 Japan Atomic Energy Agency (JAEA), Kyoto, Japan
5 Queen’s University Belfast, Belfast, UK
Laboratory investigation of laser-generated blast-waves offers a unique platform to
study fundamental physical phenomena, such as nonlocal heat transport and
radiation effects, as well as to model astrophysical shocks and study them under
controlled conditions. We will present the results of a recent experiment carried out
on the ELFIE laser system at the LULI laboratory, where we investigated the
dynamics of cylindrical blast-waves generated in the interaction of an intense and
short laser pulse with an atomic cluster jet. The evolution of the shock wave was
followed from the early stages of the plasma thermally-driven expansion and shock
formation up to the late times shock propagation via optical interferometry, while, for
the first time to our knowledge, proton projection imaging was employed to map the
electromagnetic field distribution in the early evolution phase. Comparison of the latetime shock trajectory (radius of the cylindrical shell versus time) with hydrodynamic
simulations highlighted the importance of nonlocal electron transport and radiative
effects in the shock dynamics. Proton probing data on the other hand revealed field
effects in the early-time plasma evolution.
Typical interferogram of the cylindrical plasma shell and corresponding Abel-inverted
electron density map.
Mesurer des faisceaux laser ultra-intenses en espace-temps
G. Pariente, V. Gallet, O. Gobert, F. Quéré
CEA Saclay DSM/IRAMIS/LIDYL
Les systèmes laser femtoseconde produisant des faisceaux de plus en plus intenses
et de dimension de plus en plus grande, des couplages spatio-temporels du champ
électrique sont attendus [1]. Les couplages spatio-temporels (CST) apparaissent
quand la structure temporelle du faisceau est dépendante de l’espace. L’impact des
CST sur le champ électrique au foyer peut être énorme. Des CST faibles peuvent
néanmoins être exploités pour réaliser des interactions laser-matiè̀ re mieux contrôlés
[2]. Pour l’optimisation et l’utilisation de toutes les capacités des installations
existantes, il est donc crucial de pouvoir mesurer ces couplages, i.e. mesurer la
structure du champ laser complexe en 3D E(x,y,t). Ceci est particulièrement vrai pour
les systèmes lasers produisant des faisceaux larges spatialement, comme UHI-100,
le laser de diamètre 80mm, 100 TW, durée 25 fs au CEA Saclay.
Pour cette mesure, nous avons développé la technique TERMITES (Total Electricfield Reconstruction using a Michelson Interferometer’s TEmporal Scan). Cet
appareil permet une reconstruction 3D du champ électrique E(x,y,t) via une
spectroscopie de Fourier auto-référencée en champ proche. Avec TERMITES, nous
avons réalisé la première caractérisation 3D d’un laser de haute puissance.
Fig. 1 a) Isosurface a 5% de l’intensité max (en vert) et les projection (x,ω), (y,ω) et (x,y) d’une tache
focale résolue spectralement de UHI-100 reconstruite avec TERMITES b) Tache focale reconstruite
via intégration spectrale d’une tache focale résolue spectralement.
Il apparaît que les distorsions du champ (CST) visibles en 1.a, ne le sont pas en 1.b).
Ceci illustre le fait que les techniques actuelles d’optimisation de faisceau laser (i.e.
traiter indépendamment la dimension spatiale et la dimension spectrale) sont
aveugles à des caractéristiques essentielles du faisceau.
La caractérisation totale des lasers ultra-intenses permettra une optimisation spatiotemporelle inédite de ces faisceaux, ce qui est un pré requis pour leur mise en forme
spatio-temporelle précise. En injectant cette information dans les simulations PIC,
des comparaisons plus réalistes et adéquates entre les expériences et les
simulations seront possibles.
[1] S. Akturk, Xun Gu, P. Bowlan and R. Trebino, J. Opt. 12 093001(2010).
[2] J. A. Wheeler, A. Borot, S. Monchocé, H. Vincenti, A. Ricci, A. Malvache, R. Lopez-Martens & F.
Quéré, Nature Photonics 6, 829–833 (2012)
A few applications of the radiative and quantum electrodynamics
effects in future extreme-intensity laser-matter experiments
Mathieu LOBET1,2, Emmanuel D’HUMIÈRES2, Mickael GRECH3, Xavier
DAVOINE1, Charles RUYER3, Martin LEMOINE4, Laurent GREMILLET1
1. 1) CEA, DAM, DIF, F-91297, Arpajon, France
2) CELIA, UMR 5107, Université de Bordeaux-CNRS-CEA, 33405 Talence,
France
3) LULI, UMR 7605, CNRS-CEA-Ecole Polytechnique-Université Paris VI, Ecole
Polytechnique,
91128 Palaiseau, France
4) Institut d'Astrophysique de Paris, CNRS, UPMC, 98 bis boulevard Arago, F75014 Paris, France
The quest for ever more powerful and intense laser sources will soon lead to a new
generation of systems of unprecedented performance. The 10 PW level is expected
to be reached on the forthcoming Apollon and Vulcan-10PW lasers, as well as on the
first-stage ELI project. These facilities will deliver 15 − 30 fs, 100 J pulses focused to
23
−2
∼ 10 Wcm intensities. They will serve as technological testbeds for the conception
of 100 PW systems (ELI upgrade, XCELS), where several multi-PW beams will be
24
−2
combined to attain intensities in excess of 10 Wcm . In a longer run, the IZEST
project aims at reaching the exawatt level through novel compression techniques
25
−2
enabling production of multi-kJ pulses of intensities beyond 10 Wcm .
The main motivation behind these projects is to explore in the laboratory a novel field
of physics characterized by coupled ultra-relativistic plasma, radiative and
electrodynamics (QED) effects, including the nonlinear Compton emission of x-ray
and γ-ray photons, and their subsequent decay into electron-positron pairs. These
processes are expected to greatly affect the laser-driven acceleration of charged
particles and, as a result, the overall energy balance of the laser-target interaction.
Furthermore, the successive emission of hard photons and their decay into newly
emitting particles may result in pair-creation cascades, of prime interest for the
experimental generation of high-temperature and high-density quantum plasmas.
These unique physical conditions will be exploited to design new concepts of laserdriven sources of high-energy photons and antimatter.
This presentation will address different scenarii of ultra-relativistic laser-matter
interaction via self- consistent, multi-dimensional particle-in-cell simulations enriched
with Monte Carlo QED processes. In a first part, we will investigate the photon and
antimatter generation during the head-on collision of wakefield-driven GeV electrons
with an Apollon-type laser pulse. Secondly, we will present a wire- target design for
the generation of collimated, intense γ-ray beams in the case of ELI-relevant laser
parameters. Finally, we will assess the capability of exawatt lasers to generate
relativistic pair plasmas prone to collective phenomena of astrophysical interest. In
particular, we will show that the Weibel-unstable collision between two laser-driven
pair jets leads to an ultra-fast, synchrotron- enhanced thermalization, up to a stage
close to shock formation.
L’ÉquipEx PETAL+5
Jean-Éric Ducret
La collaboration PETAL+6
Centre Lasers Intenses & Applications CELIA
UMR 5107 CNRS – CEA – Université de Bordeaux
IRFU/Service d’Astrophysique
CEA-Saclay
The projet PETAL+ a pour objectif la conception & la réalisation des trois premiers
diagnostics du laser PETAL ainsi que du système d’insertion dédié. SPECTIX
(Spectromètre PEtal à Cristal en TransmIssion X) est un spectromètre à photons X
durs basé sur l’utilisation de cristaux en transmission selon l’optique de Cauchois [1].
Il couvrira le domaine en énergie 7-100 keV. SEPAGE (Spectromètre Electrons
Protons A Grandes Energies) est un spectromètre à particules chargées générées par
l’interaction de PETAL avec sa cible, conçu pour détecter les spectres en énergie des
électrons & des protons entre 0.1 & environ 200 MeV. Il utilise deux paraboles de
Thomson [2] (« basse énergie » & « haute énergie »). SEPAGE aura à l’avant un
module de radiographie protonique. SESAME (Spectromètre ElectronS Angulaire
Moyenne Energie) est un ensemble de deux spectromètres à électrons identiques,
couvrant le domaine en énergie 5-150 MeV & qui doit permettre la mesure de la
dépendance angulaire de l’émission d’électrons autour de l’axe de PETAL. Ces
diagnostics seront équipés de détecteurs passifs, des « Imaging Plates » pour
protéger le signal des effets de l’impulsion électromagnétique générée par PETAL.
L’état d’avancement du projet PETAL+ sera présenté, ainsi que les travaux en
cours, notamment ceux liés à l’étalonnage en efficacité des IP aux particules
chargées, pour laquelle des données existent [3,9] mais qui nécessitent d’être
complétées. Notre démarche inclut aussi une étude précise de l’interaction particule –
IP à l’aide de l’outil de simulation numérique GEANT4 [10].
Références
[1] Y. Cauchois, J. Phys. Radium 3, 320 (1932)
[2] J.J. Thomson, Phil. Mag. 21 (122), 225 (1911)
[3] A.L. Gonzalez et al., Appl. Rad. and Isot. 57, 875 (2002)
[4] N. Nakanii et al., Rev. Sci. Instr. 79, 066102 (2008)
[5] H. Chen et al., Rev. Sci. Instr. 79, 033301 (2008)
[6] T. Bonnet et al., Rev. Sci. Instr. 84, 103510 (2013)
[7] T. Bonnet et al., Rev. Sci. Instr. 84, 013508 (2013)
[8] K.A. Tanaka et al., Rev. Sci. Instr. 76, 013507 (2005)
[9] A. Mancic et al., Rev. Sci. Instr. 79, 073301 (2008)
[10] GEANT4, Nucl. Instrum. and Meth. A506, 250 (2003) IEEE Trans. Nucl. Sci. 53, 270 (2006)
5
Projet financé dans le cadre du Grand Emprunt National, contrat ANR-10-EQPX-0048.
La collaboration PETAL+ regroupe des physiciens de l’université de Bordeaux, du CEA (CESTA,
DIF, IRFU & IRAMIS – Saclay), du CNRS (LULI, Laboratoire Kastler-Brossel, IN2P3/CENBG) & de
l’École Polytechnique.
6
X-rays imaging diagnostics for PETAL
G. Boutoux1, D. Batani1, D. Bretheau2, F. Granet2, Ch. Meyer2, D. Raffestin2, V.
Tikhonchuk1 , et al.
1
CELIA – Université Bordeaux, 2CEA/DAM/Cesta
In addition to the Equipex PETAL+, the PETAPhys project is dedicated to the
qualification phase of the PETAL laser, i.e. during the increase in power. In order to
both characterize the focal spot of PETAL and get additional informations on the
laser interaction with its target, we are developing two simple and robust diagnostics,
which are as a supplement to the PETAL+ diagnostics. The first one is an optical
diagnostic based on the 2ω radiation produced in the target. The second one is a
hard X-ray diagnostic that would measure Bremsstrahlung spectra and achieve
pinhole-imaging of the X emission. The characteristics of these diagnostics will be
presented. In a second part, we performed PIC and Monte-Carlo simulations to infer
the PETAL photon source escaping from a 2 mm thick tungsten target and we
simulated our whole set-up to predict the physical signal inferred by the X-ray
diagnostic. These simulations will be extensively detailed. Last, we will discuss these
results in view of the first coupled LMJ-PETAL experiments planned in october 2016 /
march 2017.
Exposés du Jeudi 18 Juin Laboratory Astrophysics with High Power Lasers
A. Ravasio1, R. Yurchak1, A. Pelka1,2, S. Pikuz Jr3., E. Falize4, T. Vinci1, M. Koenig1,
B. Loupias3, A. Benuzzi-Mounaix1, M. Fatenejad5, P. Tzeferacos5, D. Q. Lamb5, and
E.G. Blackman6
1
LULI, Ecole Polytechnique, CNRS, CEA,UPMC, Route de Saclay, 91128 Palaiseau,
France.
2
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, Bautzner Landstr. 400, 01328 Dresden,
Germany
3
Joint Institute for High Temperatures RAS,13-2 Izhorskaya st., Moscow, 125412
Russia.
4
CEA-DAM-DIF, F-91297 Arpajon, France.
5
Flash Center for Computational Science, University of Chicago, IL 60637, USA.
6
Department of Physics and Astronomy, University of Rochester, Rochester, NY
14627, USA.
The development of high power lasers in the last two decades has opened a new
field of research where astrophysical phenomena can be studied in laboratory
experiments. This new class of experimental science is complementary to
astronomical observations, which cannot always give conclusive explanations due to
insufficient data or too long timescales of the investigated phenomena. The
possibility of performing well-designed laboratory simulations to study processes that
occur in astrophysical objects has been demonstrated and can contribute to
understand different processes and to validate complex simulations. In this talk, we
will give examples of this new approach.
In particular we will present a recent experiment aiming at investigating the
interaction between two nested supersonic plasma flows. Understanding how the
interaction might collimate an uncollimated outflow is of particular interest for
assessing jet formation paradigms. We will show how experimental data combined
with hydrodynamic simulations corroborate theoretical astrophysics investigations, up
to now unsupported
Dynamique électronique femtoseconde dans la WDM
Benjamin Barbrel1, Roger Falcone1, Dominik Kraus1, Kyle Engelhorn1, Alison
Saunders1, Alessandra Ravasio2, Giulio Monaco3, Ulf Zastrau4, Byoung-ick Cho5,
Minju Kim5, Siegfried Glenzer6, Jerry Hastings6, Eliseo Gamboa6, Will Schumaker6,
Mac MacDonald6, Maxence Gauthier6, Luke Fletcher6, Phil Heimann6, Eric Galtier6,
Hae Ja Lee6, Bob Nagler6, Agostino Marinelli6, Timothy Maxwell6, Hyun-Kyung
Chung7
1
UC Berkeley, 2LULI, 3University of Trento, 4University of Jena, 5GIST, 6SLAC
Des développements récents à LCLS ont conduit à la capacité pour le FEL de délivrer des impulsions doubles, séparées en temps et en énergie. Ce mode fonctionnement permet la réalisation d’expériences pompe-‐sonde dans le domaine des X durs, afin d’étudier la dynamique électronique ultrarapide dans les plasmas denses et tièdes. Les propriétés hors-‐équilibre des électrons dans la matière dense sont encore largement inexplorées et ce type d’expérience ouvre une fenêtre sur l’évolution temporelle de la fonction de distribution électronique lors des premières dizaines de femtosecondes après irradiation par une impulsion X. Nous avons réalisé une expérience à LCLS-‐MEC sur des échantillons de titane. La première impulsion réalise un chauffage isochore du matériau, qui est sondé par diffusion Thomson inélastique au moyen de la seconde. Introduction au monde des exoplanètes,
détection et démographie
Daniel Rouan
LESIA – Observatoire de Paris
Il y a aujourd'hui près de 2000 planètes extrasolaires connues en orbite autour
d'étoiles autres que le soleil dont une grande partie correspond à des composantes
de systèmes multi-planétaires. La présentation portera d'abord sur les différentes méthodes effectivement en
opération aujourd'hui pour détecter ces objets, les paramètres auxquels ces
méthodes donnent accès et les biais de sélection associés à chacune. Un bilan statistique que l'on peut faire aujourd'hui des propriétés de ces planètes,
sera ensuite brossé. Les capacités des futures expériences, en particulier les missions spatiales, seront
enfin examinées. Les exoplanètes connues dans un diagramme Masse / Rayon orbital.
Etude de la reconnexion magnétique en HEDP
R. Smets
Laboratoire de Physique des Plasmas, Universite Pierre et Marie Curie, Ecole
polytechnique, route de Palaiseau, 91128 Palaiseau Cedex, France
L'ionisation d'une cible solide irradiée par un laser produit une plume de plasmas.
Les gradients de température et de pression associés sont à l'origine d'un champ
magnétique à symétrie azimuthale autour du faisceau. La production de deux
boucles magnétiques permet alors d'étudier le processus de reconnexion
magnétique entre ces boucles. Jusqu'à présent, la reconnexion magnétique étant un
phénomène important en plasmas spatiaux et astrophysiques, elle a surtout été
étudiée via l'analyse de mesures in-situ de sondes et/ou satellites. Nous décrirons la
possibilité d'étudier la reconnexion magnétique avec les diagnostiques des
experiences de laboratoire pour souligner la différence avec les données venant des
plasmas spatiaux. De plus, nous présenterons une analyse de simulations
numériques de ce processus pour discuter ce qui était admis jusqu'à présent à
propos de la causalité du processus de reconnexion magnétique.
Opacité des intérieurs d’étoiles de type solaire :
quelles (in)certitudes ?
Ch. Blancard, Ph.Cossé, G. Faussurier et G. Mondet
Depuis une quinzaine d'années, la connaissance de la structure interne de notre
étoile s'affine essentiellement grâce aux progrès des satellites d'observation dédiés.
Ainsi, les mesures d'oscillations acoustiques de faibles amplitudes (en surface)
permettent aux astrophysiciens de remonter au profil radial de la vitesse du son,
avec toujours plus de précision, et donc toujours plus de contraintes pour la
modélisation. Dans un premier temps, les observations ont validé la stratification du
Soleil – un cœur nucléaire, une zone radiative interne, une zone convective, puis une
photosphère – et l'accord avec les simulations a été crescendo jusqu'en 2005. À
cette date, la composition chimique solaire a été révisée, diminuant notamment les
concentrations du carbone, de l'azote et de l'oxygène. Ces trois éléments ne
représentent ensemble qu'une fraction de l'ordre du centième de la masse totale,
mais peuvent contribuer jusqu'au quart de l'opacité du mélange solaire, et donc
affecter sensiblement le transport de l'énergie dans la zone radiative. Depuis lors,
cette composition chimique a été confortée, et la qualité d’autres ingrédients de la
modélisation a été remise en cause pour tenter de retrouver l’accord perdu [1-3].
Celle des opacités est source de beaucoup de questions, mais de peu de réponses.
Dans le cadre du projet ANR OPACITY, nous avons donc employé notre chaîne de
calcul de physique atomique, OPAS [4-5], à la production de tables d’opacités
destinées à fournir aux codes de structure stellaire une alternative dans les données
disponibles (essentiellement celles d’OPAL et de l’Opacity Project, datant des
années 1990). Lors de cette démarche, nous nous sommes attachés à inventorier
les sources d’incertitudes liées à notre modélisation, et à quantifier leur impact sur le
résultat final (une simple moyenne de Rosseland). Ceci permet de mieux
appréhender les comparaisons code-à-code, avant d’ouvrir la voie à des études de
sensibilités réalistes. C’est cette démarche et ces comparaisons que nous
présentons, en attendant les premières applications à la structure de notre étoile.
[1] J.A. Guzik, Mem. S.A.It. 79, 481 (2008)
[2] A.M. Serenelli, S. Basu, J.W. Ferguson & M. Asplund, ApJ 705, L123 (2009)
[3] S. Turck-Chièze & S. Couvidat, Rep. Prog. Phys. 74, 086901 (2011)
[4] Ch. Blancard, Ph. Cossé & G. Faussurier, ApJ 745, 10 (2012)
[5] G. Mondet, Ch. Blancard, Ph. Cossé & G. Faussurier, ApJS à paraître (2015)
Validation des opacités solaires
M. Le Pennec1, S. Turck-Chièze1, X. Ribeyre2, J.E. Ducret1,2, S. Salmon1, C.
Blancard3, P. Cossé3, G. Mondet3, G. Faussurier3
1
CEA, DSM, IRFU, SAp, 91190 Gif-sur-Yvette, France
2
CELIA, 33000 Bordeaux, France
3
L'hélio- et l'astérosismologie permettent aujourd'hui de détecter les oscillations de
milliers d'étoiles. Ces oscillations, directement liées au transport du rayonnement
dans les étoiles, permettent de contraindre la structure interne des étoiles
considérées. Cependant, la comparaison des données sismiques du Soleil et
d'autres étoiles avec des prédictions de modèles montre des différences significatives,
qui pourraient être liées à une connaissance imprécise de la production et du transport
de l'énergie. Je consacrerai cette présentation au cas du Soleil, laboratoire privilégié
de la physique stellaire, et des étoiles de type-solaire.
Le Soleil est un laboratoire privilégié pour tester et valider la physique des modèles
stellaires. En effet, des différences sont apparues entre les prédictions du modèle
solaire, visible par exemple sur les comparaisons de profils de vitesse du son.
Deux axes sont proposés pour expliquer cette grande différence (Turck-Chièze et al.
2001, 2004, 2011, Basu et al. 2014). Le premier est que le Soleil pourrait produire un
peu plus d'énergie qu'il n'en libère à sa surface (autour de 5%). La différence serait
transformée en mouvements macroscopiques dans la zone radiative. Or, ce type de
processus n'est pas pris en compte dans le modèle standard solaire. Le deuxième
axe porte sur le transfert de rayonnement : celui-ci pourrait ne pas être correctement
pris en compte, soit à travers le calcul de l'opacité moyenne de Rosseland soit lors
du traitement de l'accélération radiative. Cela pourrait d'ailleurs avoir un impact
significatif sur la détermination des abondances internes solaires.
Il existe actuellement peu d'expériences pour valider ces calculs (Bailey et al. 2009,
Bailey et al. 2015). C'est pourquoi nous proposons une expérience d'opacité sur un
laser de haute puissance (Laser Mégajoule). Son but est de mesurer l'opacité des
plus importants contributeurs à l'opacité globale dans les conditions que l'on retrouve
au voisinage de la transition entre la zone radiative et convective (tachocline : ~ 250
eV et ~ 0.5 g/cc) : fer, oxygène, silicium. Dans cet objectif, nous exploitons une
approche appelée Double Front d'Ablation. Lors de l'interaction du laser avec le
plasma, les effets radiatifs permettent d'atteindre avec une grande stabilité les
conditions de densité et de température du voisinage de la tachocline. Je montrerai
le principe de cette technique, ainsi que les résultats de nos simulations
hydrodynamiques (Le Pennec et al. 2014).
En parallèle, nous exploitons également de nouveaux calculs d'opacités fournis par
le code OPAS (Blancard et al. 2012). Je montrerai les premiers résultats obtenus sur
le modèle solaire avec ces nouveaux calculs.
Références
Bailey, J. et al. , Phys. of Plas., 16, 5, 2009
Bailey, J. et al., Nature, 517, 56, 2015
Basu, S. et al., Space Science Rev., on line first, 2014 Blancard, C. et al., ApJ, 745, 10, 2012
Le Pennec, M. et al., HEDP, in press, 2014
Turck-Chièze, S., Nucl. Phys. B. (Proc Suppl), 91, 73, 2001 Turck-Chièze, S. et al., Phys. Rev. Lett.,
93, 21, 2004 Turck-Chièze, S. et al. , ApJ Lett., 731, L29, 2011
Invariance d’échelle des plasmas radiatifs et magnétisés
É. Falize1, C. Busschaert1 & N. Charpentier1 & L. Van Box Som1,2,3
1
CEA-DAM-DIF, F-91297, Arpajon, France
LERMA, Observatoire de Paris, Université de Pierre et Marie Curie, Ecole Normale
Supérieure, UMR 8112 CNRS, 5 place Jules Janssen, 92195 Meudon, France
3
CEA, Irfu, Service d’Astrophysique, Centre de Saclay, 91991 Gif-sur-Yvette, France
2
La description du comportement de nombreux environnements ou
phénomènes astrophysiques (comme les chocs radiatifs [1], les chocs d’accrétion
[2], le transport radiatif dans les disques d’accrétion [3] ou encore l’interaction des
jets supersoniques avec le milieu interstellaire [4]), réclament des modèles précis de
transfert radiatif et de magnétohydrodynamique. Ces derniers s’avèrent souvent très
complexes à établir et difficile à valider par les observations directes des objets
étudiés. La possibilité de produire, en laboratoire, des plasmas radiatifs [5] que l’on
peut soumettre à des champs magnétiques intenses [6] est une réelle opportunité
pour faire progresser l’étude des écoulements magnétohydro-radiatifs.
La possibilité de réaliser une expérience pertinente, d’un point de vue
astrophysique, dépend de l’existence de lois d’échelle [7,8] qui permettent de
réconcilier les échelles physiques si différentes entre la maquette de laboratoire et le
phénomène astrophysique. La comparaison des principaux nombres sans dimension
caractérisant les écoulements aux deux échelles permet de déterminer le degré de
similitude entre l’objet astrophysique et sa potentielle maquette de laboratoire.
Après avoir rappelé les bases de la théorie classique de la similitude, nous
présenterons les propriétés de similarité des principaux régimes de
magnétohydrodynamique radiative que l’on peut produire en laboratoire grâce aux
installations de puissance. Nous proposerons une approche originale [9], basée sur
les symétries de Lie, qui permet d’étendre les concepts d’invariance d’échelle
exploitables pour réaliser des expériences pertinentes. Nous verrons alors que cette
approche permet d’étendre le spectre de phénomènes astrophysiques extrêmes
reproductibles en laboratoire.
Références
[1] Michaut C. et al., Astrophys. Space Sci., 322, 77 (2009)
[2] Busschaert C. et al., Astron. Astrophys. (2015) accepté
[3] Blaes O et al., Astrophys. J., 733, 110 (2011)
[4] Blondin J. M. et al., Astrophys. J., 360, 370 (1990)
[5] Remington B. et al., Rev. Modern Phys., 78, 755 (2006)
[6] Ciardi A. et al., Phys. Rev. Letters, 110, 025002 (2013)
[7] Ryutov D. et al., Astrophys. J., 518, 821 (1999)
[8] Falize E. et al., Astrophys J., 730, 96 (2011)
[9] Charpentier N. et al., (in prep)
Exposés du Vendredi 19 Juin Génération de très hautes pressions d’ablation laser par un
faisceau d’électrons rapides dans un plasma dense
E. Llor Aisa, X. Ribeyre, V. Tikhonchuk
Univ. Bordeaux - CNRS - CEA, Centre Lasers Intenses et Applications, UMR 5107,
33405 Talence, France
Un des schémas les plus prometteurs dans le cadre de la fusion par confinement
inertiel en attaque directe séparant les phases de l’implosion et de l’allumage est
l’allumage par choc. Cependant, les premières simulations numériques montrent que
des pressions d’ablation laser de l’ordre de 300 Mbar sont nécessaires pour atteindre
l’allumage. En 1980, N. H. Burnett et al.[1] proposent alors une explication pour la
formation de ces ondes de choc: elles seraient créées par les particules
énergétiques et non par l’ablation thermique. Effectivement, récemment [2,3] des
faisceaux intenses de haute énergie ontcété considérés comme un moyen pour
générer des ondes de chocs de grande amplitude. Notre objectif est de mieux
comprendre la physique sous-jacente de la génération de ces pressions très élevées
par les mécanismes du transport de l’énergie par les électrons énergétiques.
La taille de la zone où l’énergie est déposée dépend de la distribution en énergie
d’électrons et la pression d’ablation dépend principalement du flux d’énergie des
électrons rapides [4,5]. Ici nous présentons un modèle décrivant l’effet de la
distribution en énergie des électrons dans la dynamique de la formation des ondes
de choc (voir Fig. 1 a)).
Nous avons étudé analytiquement et numériquement la pénétration et le dépôt
d’énergie des électrons chauds dans un plasma dense et la formation de l’onde de
choc. Le flux d’énergie des électrons et le dépôt d’énergie sont calculés pour
différentes fonctions de distribution en supposant que le taux d’énergie déposé à
chaque point le long de la trajectoire de l’électron est décrit par le modèe de
ralentissement continu (slowing down approximation). De même nous tenons compte
de la dispersion angulaire des électrons. Nous avons obtenu un critère pour la
formation d’un choc pour une fonction de distribution arbitraire. Nous avons montré
que le moment et la position de la formation du choc sont indépendantes du spectre
du moment que le stopping range moyen est le même (voir Fig. 1 b)) mais la force du
choc diminue quand la largeur de la distribution en e ́nergie de l’électron augmente.
Les conclusions du modèle théorique ont été validées avec des simulations
numériques réalisées avec le code hydrodynamique CHIC couplé avec un module
cinétique M1 décrivant le transport des électrons rapides dans un plasma dense [6].
La pression, la force du choc et l’efficacité du transfert d’énergie sont calcuées pour
différentes distributions en énergie en considérant le même stopping range moyen et
le même flux d’énergie.
Tous ces paramètres sont à prendre en compte dans le design des cibles pour la
fusion inertielle. Concrètement, pour une distribution en énergie exponentielle, les
électrons rapides préchauffent la cible en diminuant la force du choc.
Références
[1]N. H. Burnett et al., Appl. Phys. Lett. 38, 226 (1981)
[2] R. Betti et al., J. Phys. Conf. Ser. 112, 022024 (2007)
[3] X. Ribeyre et al., Phys. Plasmas, 20, 062705 (2013)
[4] T. E. Fox et al., Phys. Plasmas 20, 122707 (2013)
[5] Ph. Nicolaï et al., Phys. Rev. E 89, 033107 (2014)
[6] Ph. Nicolaï et al., Phys. Rev. E 84, 016402 (2011)
Les chocs générés par laser pour l’étude des impacts
hypervéloces : analogies, expériences et simulations
G. Seisson1,2*, D. Hébert2, I. Bertron2, M. Boustie3, L. Berthe4, G. Prudhomme1,
P.-A. Frugier1, L. Videau1, P. Mercier1, A. Sollier1, E. Lescoute1
1
2
CEA/DIF, Bruyères-le-Châtel, 91297 Arpajon
CEA/CESTA, 15 av. des Sablières - CS60001, 33116 Le Barp
3
Institut P’, 1 av. Clément Ader, 96961 Futuroscope
4
Laboratoire PIMM, 151 boul. de l'Hôpital, 75013 Paris
*Nouvelle affectation depuis février 2015
Les matériaux composites sont très utilisés dans diverses applications et sont
parfois soumis à des impacts hypervéloces (IHV), notamment dans le domaine
spatial. La taille des impacteurs étant proche de celle des torons de fibres, les
simulations mésoscopiques ont tout leur intérêt mais nécessitent des modèles
numériques aboutis pour chaque sous-constituant. Le graphite étant souvent utilisé
comme matrice ou fibres, nous avons étudié son comportement dynamique.
Ainsi, des expériences de pénétration et de cratérisation ont été menées sur un
isographite poreux. Elles ont mis en évidence la corrélation complexe des
phénomènes de déformation et d’endommagement de la cible à ceux du projectile.
Pour s’affranchir de cela et compléter notre base de données, une campagne
expérimentale de chocs lasers a été menée au Luli2000. En effet, une analogie entre
IHV et chocs lasers peut être aisément établie. Plusieurs diagnostics in-situ ont été
utilisés simultanément et leur association à des analyses post-mortem a permis
l’identification de différents modes d’endommagement des cibles.
Une chaîne de calcul basée sur des codes d’hydrodynamique éprouvés a été mise
au point et un modèle numérique pour matériau poreux a pu être amélioré.
Finalement, les premières simulations sont encourageantes bien qu’elles ne
réussissent pas encore à reproduire toutes les observations expérimentales.
Comportement dynamique de matériaux transparents sollicités
sous choc laser extrême
Boyer S.A.E.1, Touchard F.1, Gerland M.1, Boustie M.1, Ecault R.1, Loison D.2, Nivard
M. 2, Guin J.-P. 2, Sangleboeuf J.C.2, Lescoute E.3, Sollier A.3, Berthe L.4 1 PPRIME,
ISAE-ENSMA, CNRS 3346, Futuroscope, France
2
IPR, Université de Rennes, CNRS 6251, Rennes, France
3
CEA, DIF, Bruyères-Le-Châtel, France
4
Arts et Métiers ParisTech, PIMM, CNRS 8006, Paris, France
Boyer <[email protected]>, Touchard <[email protected]>, Gerland <[email protected]>, Boustie <[email protected]>, Ecault <[email protected]>, Loison <didier.loison@univ-‐rennes1.fr>, Nivard <mariette.nivard@univ-‐rennes1.fr>, Guin <jean-‐pierre.guin@univ-‐rennes1.fr>, Sangleboeuf <jean-‐christophe.sangleboeuf@univ-‐rennes1.fr>, Lescoute <[email protected]>, Sollier <[email protected]>, Berthe <[email protected]> L’émergence de nouveaux matériaux transparents ‘à la mode’, tels que les
polymères à structure nano-composite ou à structure macroscopique fibre longue
bio-sourcée répond à de futures applications d’intérêt pour l’industrie (domaine de la
défense, du transport, de l’aéronautique, etc.). Il devient donc nécessaire de
s’intéresser à la compréhension des propriétés dynamiques de ces matériaux sous
conditions dites extrêmes, telles que celles produites par choc laser.
Pour accéder à une première connaissance des effets induits par chocs laser ultra
brefs, le choix s’est porté sur les générateurs femtoseconde (350 fs) et picoseconde
(600 ps). Les expériences ont été instrumentées avec les diagnostics mesure de
vitesses résolues en temps (VISAR, VH), observation transverse de la propagation
d’onde de choc dans les milieux transparents et observation transverse de l’éjection
de débris.
Il est question de qualifier dans quelle mesure les énergies peuvent radicalement ou
pas créer une réponse macroscopique. Endommagement dynamique par seuil
d’écaillage dans des structures nano-composites et propagation d’onde de choc
laser dans des structures macroscopiques composite à fibre longue bio-sourcée ont
été identifiés (Figure 1) [1-3].
Figure 1. Endommagement créé à l’interface fibre/matrice dans des éprouvettes composites
2
2
monofilamentaires chanvre/époxy; a) 0.5 GW/cm , b) 0.21GW/cm [3]
Références :
[1] Ecault R., Berthe B., Touchard F., Boustie M., Lescoute E., Sollier A., Voillaume H. J. Phys. D 48
(2015) 095501
[2] Ecault R., Berthe L., Boustie M., Touchard F., Lescoute E., Sollier A., Mercier P., Benier J. J. Phys.
D 46 (2013) 235501
[3] Perrier A., Ecault R, Touchard F., Vidal Urriza M., Baillargeat J., Chocinski-Arnault L., Boustie M.,
Polym.Testing 44 (2015) 125
Remerciements
Ces résultats ont été obtenus en grande partie lors de la campagne d’essais LULI
(Ecole Polytechnique, Université Paris-Saclay, France) N°12-TW-F5. Les associés
au projet sont vivement remerciés par les auteurs.
Abaissement du potentiel d'ionisation dans les conditions WDM
Gérard Massacrier
Université de Lyon, CRAL, CNRS UMR 5574;
Observatoire de Lyon, 9 av. Charles André, 69230 Saint Genis Laval; ENS de Lyon
[email protected]
Un ion immergé dans un plasma dense voit sa structure électronique fortement
modifiée par son environnement. L'écrantage induit par les électrons délocalisés
provoque entre autres un abaissement du potentiel d'ionisation (IPD). Le calcul des
populations des divers états d'ionisation est sensible à cet effet, avec des
conséquences sur l'équation d'état, les opacités, les coefficients de transport... Par
ailleurs l'interprétation des expériences s'appuie aussi sur ces populations, de
manière évidente pour la spectroscopie, mais aussi de façon plus ou moins explicite
dans les simulations hydrodynamiques.
L'IPD est difficile à mesurer dans les conditions WDM. Cependant deux récentes
expériences sur l'aluminium, l'une utilisant le laser à électrons libres du LCLS [1],
l'autre l'installation Orion [2], ont conclu à des résultats opposés. La première incite à
abandonner pour l'IPD la formulation couramment employée de Steward-Pyatt, au
profit de celle de Ecker-Kröll, alors que la seconde favorise Steward-Pyatt.
Je présente ici un modèle qui reconcilie ces deux résultats obtenus à des
températures différentes. Initialement développé dans un but thermodynamique [3-5],
ce modèle va au-delà des approches d'atome moyen (AA): les électrons liés et libres
sont traités de manière quantique et autocohérente, mais les ions de différentes
charges sont considérés de manière séparée, permettant ainsi de distinguer leurs
potentiels d'ionisation. Au contraire des simulations 'ab initio' de dynamique
moléculaire [6], cette approche permet de traiter n'importe quelles conditions
thermodynamiques (en particulier les hautes températures), tout en étant beaucoup
plus légères numériquement.
Références
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
O. Ciricosta et al, Phys. Rev. Lett. 109, 065002 (2012).
D.J. Hoarty et al, Phys. Rev. Lett. 110, 265003 (2013).
G. Massacrier, JQSRT 51, 221 (1994).
A.Y. Potekhin, G. Massacrier, and G. Chabrier, Phys. Rev. E 72, 046402 (2005).
G. Massacrier, A.Y. Potekhin, and G. Chabrier, Phys. Rev. E 84, 056406 (2011) .
S.M. Vinko, O. Ciricosta, and J.S. Wark, Nature Comm. 5, 3533 (2014)
Etude de la matière dense et tiède sur les installations XFEL
M. Harmand et al.
IMPMC, CNRS - Université Pierre et Marie-Curie, Paris, France
Les progrès récents de la compression par laser ont ouvert des perspectives inédites
pour l’étude de la matière soumise à de très hautes pressions et températures (Mbar,
milliers de K), des taux de déformations élevés (107-9 s-1) et des cinétiques ultrarapides (ps, ns). Ces méthodes sont aujourd’hui incontournables pour étudier des
régions de diagrammes de phase complètement inconnues mais indispensables
pour la modélisation des intérieurs planétaires et exo-planétaires.
Ces dernières années, l’essor des lasers à électrons libres (X-ray Free Electron
Laser, XFEL) donne accès à des approches scientifiques particulièrement
innovantes et prometteuses. Les flux de photons X (~1012-14 ph/tir), allant jusqu’à 15
keV actuellement et annoncés à 24 keV pour le futur Eu-XFEL et de durées
d’impulsion sub-100fs permettent une utilisation des XFEL particulièrement
performante pour sonder les dynamiques de la matière en volume et à l’échelle
microscopique.
Aujourd’hui plusieurs installations XFEL permettent donc d’utiliser des diagnostics
d’absorption X, de diffraction et diffusion X pour sonder la matière comprimée par
laser. Une brève introduction sur les principes et propriétés de base du rayonnement
XFEL sera suivie de l’exposé de récentes expériences à LCLS (Stanford, US) et
SACLA (Japon). Entre autre, nous détaillerons les résultats d’une expérience de
spectroscopie d’absorption X (XANES), proche du seuil K du Fer, visant à étudier la
transition solide-liquide à très haute pression [1]. Des expériences de diffraction X à
LCLS et SACLA, visant à étudier les cinétiques de transitions de phases du Fer et du
Silicium, seront aussi brièvement présentées.
L’essentiel de ce travail a été financé par l’ANR IRONFEL et en collaboration avec
l’ANR PLANTELAB.
Références
[1] M. Harmand and A. Ravasio et al, Accepté à Physical Review B (2015).
Posters Mardi 16 juin 17h30-‐19h 01(J.C. Adam)-‐17 (d’Humières) Jeudi 18 juin 17h30-‐19h 18 (Khiar)-‐34 (Van Box Som) 01.
J. C. Adam et al. Physics of the interaction of ultra intense laser pulses with
cold collisional plasma using large scale kinetic simulations.
02.
G. Boutoux et al. Characterizing the energy distribution and the propagation
of laser-induced relativistic electrons in mass-limited Ti-wire target
03.
G. Boutoux et al. Laser-induced D-D fusion using solid C2D4 target and future
plans to study nuclear fusion reactions in CELIA/ECLIPSE
04.
M. Busquet et al., Déconvolution et analyse des mesures d'opacité spectrale
obtenues au LULI pendant la campagne 2011.
05.
V. Yu. Bychenkov et al. Radiative Heat Transport Instability in ICF Plasmas
06.
A. Castan et al., Lien entre transport de chaleur et propagation laser :
approche numérique et expérimentale
07.
A. Chatagnier et al., Influence du choix du lissage sur le développement de
l'instabilité Brillouin stimulée, dans le contexte du LMJ
08.
M.Chiaramello et al. Plasma-based laser-pulse amplification via strongly coupled
Brillouin scattering
09.
A. Debayle et al., Sechel: Modeling of crossed beams energy transfer for the indirectdrive laser fusion program
10.
Basil Deschaud et al. Interaction d'un rayonnement XFEL avec les solides et la
cinétique atomique associée.
11.
A. Do et al., Conception et mise en œuvre d’un imageur à haute résolution utilisant
des lentilles de Fresnel fonctionnant dans le domaine des X pour les expériences
d’interaction laser-plasma
12.
L. Fedeli et al. Features of electron bunches accelerated by laser-driven resonant
surface plasmons
13.
J. Ferri et al., Production of Betatron radiation with a 2 PW and 500 fs laser
14.
T. Gangolf et al., Amplification of short laser pulses by Stimulated Brillouin
Backscattering
15.
D. Gilles et al., Calcul d'opacité du fer et du nickel ( n = 3, Δn = 0, 1, 2)à l'aide des
codes HULLAC-v9 et SCO-RCG
16.
A. Vallet et al., Interpretation de la génération d'une pression de 300 Mbar sur
l'installation OMEGA : Influence des électrons chauds dans l'allumage par choc
17.
E. d’Humières et al., Preparation of the first experiments on the high power laser
system PETAL coupled to LMJ for inertial confinement fusion studies
18.
B. Khiar et al., Laser-plasma experiments for laboratory astrophysics
19.
A. Grassi et al. Study of the Weibel Instability in Magnetized Plasma
20.
M. Hadj-Bachir et al. Modeling of the trapping experiments of relativistic
electrons in high intense optical lattice
21. P. Lee et al., Etude et conception de l'accélérateur d'électrons par sillage laser dans le
cadre de projet Cilex avec le code WARP
22. M. Lobet et al., Radiation effects in ultra-relativistic, high-density pair shocks
23.
P. Loiseau et al., Radiographie protonique, diffusion Raman stimulée et lissage
optique avec le code d'interaction laser-plasma HERA
24.
A. Maitrallain et al., Un injecteur pour les futurs accélérateurs lasers plasma
25.
P. E. Masson-Laborde et al., GeV Electrons due to a Transition from Laser
Wakefield Acceleration to Plasma Wakefield Acceleration
26.
F. Mollica et al., Interaction of high intensity femtosecond laser with over-critical gas
target for ion acceleration
27.
J. G. Moreau et al. , Acceleration of ions in near-critical plasmas by an intense laser
pulse
28.
Loïc Nicolas et al., Streaming instability in astrophysical environments
29.
J.-C. Pain et al., Modélisation de l’effet Stark dans le code d’opacité SCO-RCG
30.
D. Penninckx et al., influence du contraste de la lame de phase sur le lissage par
dispersion spectrale
31.
C. Riconda et al., Simple Scalings for Different Regimes of Electron Acceleration in
Surface Plasma Waves
32.
C. Ruyer et al., Analytical model of Weibel-mediated electron-ion collisionless shock
formation
33.
A. Soleilhac et al., ERTIGO: Combined experimental and theoretical study of the
ultra-fast ultra-Intense laser-absorption mechanism on hydrogen and boron enriched
nanoparticles in solution for applications in nuclear fusion reactions
34.
L. Van Box Som et al., Simulation expérimentale des chocs d’accrétion :
dimensionnement MégaJoule de l’expérience POLAR
Posters du Mardi 16 Juin PHYSICS OF THE INTERACTION OF ULTRA INTENSE LASER
PULSES WITH COLD COLLISIONAL PLASMA USING LARGE SCALE
KINETIC SIMULATIONS
J. C. Adam and A. Héron
Centre de physique Théorique, Ecole Polytechnique, CNRS, 91128 Palaiseau,
France
Abstract:
We present a set of 2D collisional particle-in-cell (PIC) simulations of the interaction
of ultra-intense laser pulses with over-dense cold collisional plasmas. The size of
these simulations is about 100 times as large as those previously published. This
allows studying the transport of energetic particles on time scale of the order of 400fs
without perturbations due to the influence of boundary effects and performing a very
detailed analysis of the physics of the transport. We confirm the existence of a
threshold in intensity close to the relativistic threshold above which the beam of
energetic particles diverges when it penetrates the cold plasma. We also study the
applicability of Ohm’s law to compute the electric field which is the method commonly
used in hybrid codes. The heating of the cold plasma is then studied and we show
that half of the heating is anomalous, i.e. not given by standard Joule effect. We
discuss the previously published results in the light of these new simulations.
Characterizing the energy distribution and the propagation of laserinduced relativistic electrons in mass-limited Ti-wire target
G. Boutoux5, L. Antonelli5, D. Batani5, A. Debayle6, A. Franz1, L.Giuffrida5, J.J.
Honrubia7, J. Jacoby1,
3
3
D. Khagani , P. Neumayer , S. Pikuz4, O. Rosmej1,2, J.J. Santos5, A. Sauteray5, A.
Schoenlein1
1
Goethe University, Frankfurt, Germany; 2GSI, Darmstadt, Germany; 3EMMI,
Darmstadt, Germany;
4
6
JIHT, Moskau, Russia; 5CELIA, Université de Bordeaux, Bordeaux, France;
CEA DAM DIF, Bruyères-le-Chatel, France; 7ETSI Aeronauticos, UPM, Madrid,
Spain
To investigate warm dense matter (WDM) generated by relativistic laser accelerated
electrons, we studied the interaction of the PHELIX laser with a free-standing masslimited Ti-wire. By using a highly spatially and spectrally resolved X-ray
spectroscopy, we could define the wire depth where heating by x-rays and thermal
electron conductivity can be excluded, and thus, in contrast to existing studies, only
WDM-generation by hot electrons can be considered. For contrast of 10-10 and laser
intensity of around 1021 W/cm2, a hot electron energy tail of 2 MeV energy, an
electron propagation of up to 1 mm deep into the wire and an isochoric heating up to
around 35 eV have been demonstrated. Our experimental results are confronted to
simulations that help to highlight both the role of the electrostatic electron
confinement inside the wire as well as the importance of resistive stopping powers in
the warm matter. The possible existence of high B-field generation in the wire skin is
also discussed.
Laser-induced D-D fusion using solid C2D4 target and future plans
to study nuclear fusion reactions in CELIA/ECLIPSE
G. Boutoux1, J.-E. Ducret1, R. Antoine2 et al.
1
CELIA, Université de Bordeaux, Bordeaux, France; 2Institut Lumière-Matière, Lyon,
France
We recently studied D-D fusion reactions in CELIA/ECLIPSE. These reactions were
triggered by interaction of the laser ECLIPSE (with 40 mJ on target, pulse duration of
around 35 fs and focal spot of 10 microns FWHM) with a solid C2D4 target. By
detecting 2.5 MeV neutrons using time-of-flight C6D6 sintillators, we measured a rate
of around 100 fusions per shot. Our experimental set-up will be presented and the
results will be discussed in view of model calculations. Then, our future plans to
study nuclear reactions in CELIA will be presented. In particular, the future availability
of a spray source in CELIA/ECLIPSE will give us new opportunities for nano-plasma
studies and fusion reaction measurements within plasmas.
Déconvolution et analyse des mesures d'opacité spectrale
obtenues au LULI pendant la campagne 2011.
a
b
c
d
M. Busquet , F.Thais , S.Bastiani , Ch.Reverdin , G.Loisel
a Research Support Instruments, Lanham, MD 20706, USA, e
b CEA/IRAMIS/LYDIL, 91191 Gif-‐sur-‐Yvette, France, c LULI, Ecole Polytechnique, CNRS, CEA, UPMC, 91128 Palaiseau Cedex, France, d CEA, DAM, DIF, F-‐91297 Arpajon, France , e Presently at Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico, 87185-‐1196, USA La mesure des opacités spectrales avec des plasmas créés par laser sub-kiloJoule
comme le LULI, est le résultat de compromis entre énergie, résolution spectrale,
discrimination temporelle ou spatiale,… qui rendent la déconvolution et l'analyse des
mesures particulièrement délicate. La campagne 2011 s'est interessée à la mesure
des transmissions du groupe du Fer (Fe,Ni,Cr,Cu) dans la gamme spectrale 50-250
eV à des températures de 10 à 25 eV et une densité de quelques mg/cm3. Le
principe de la mesure, où l'échantillon est placé entre deux holraums accolés, est
[1]
intermédiaire entre celui de la campagne 2010 (un seul hohlraum)
et celui de la
[2]
campagne 2013 (deux hohlraums séparés) .
Pour la déconvolution des données brutes, un programme d'analyse dedié à cette
expérience mais versatile a été développé, qui nous a permis d'obtenir une
fourchette de valeurs de transmission malgré le bruit important de l'amplificateur de
luminance. Les structures spectrales sont clairement identifiées et les transmissions
obtenues sont comparables aux transmissions théoriques.
Références:
[1] G.Loisel, et al., High Energy Density Physics, 5, 173 (2009)
[2] M.Dozieres, F.Thais, et al, RPHDM 2014 Radiative heat transport instability in ICF plasmas
V. Yu. Bychenkov1 and W. Rozmus2
1
P.N. Lebedev Physics Institute, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia.
2
Department of Physics, University of Alberta, Edmonton, Alberta, Canada
Theory of a linear plasma response to perturbations of the background state, where the
energy balance involves radiation cooling and radiative heat conduction demonstrates
growth of ion-acoustic waves (IAW). This electrostatic instability is driven by the density
dependence of the radiative heat conductivity coefficient. Such a dependence can
cause local reduction of the heat flux in the density perturbations associated with IAW
leading to further enhancement of plasma temperature and growth of IAW. The
instability develops in the wide range of angles and wavenumbers with the typical
growth rate on the order of cs ∇lnT (cs is the sound speed). Similar feedback loops were
studied before in the context of the radiation cooling instability [1], instabilities due to
turbulent [2] and nonlocal [3] electron thermal transport models. However the radiative
heat transport and radiation cooling can dominate energy transfer in high-Z indirect
drive ICF plasmas and destabilize IAW. This new instability may be particularly relevant
to recent experiments with near-vacuum hohlraums [4] that have achieved record high
laser to x-ray conversions and the highest radiation temperatures. Different nonlinear
scenarios of the IAW growth can generate multiple plasma jets and affect symmetry of
the x-ray drive.
[1] R. G. Evans, Plasma Phys. Contr. Fusion 27, 751 (1985).
[2] V. Yu. Bychenkov and V. P. Silin, JETP Lett. 44, 52 (1986).
[3] V. Yu. Bychenkov, J. Myatt, W. Rozmus and V.T. Tikhonchuk, Phys. Plasmas 1, 2419 (1994)
[4] J. D. Moody, D. A. Callahan, D. E. Hinkel et al., Phys. Plasmas 21, 056317 (2014).
Lien entre transport de chaleur et propagation laser : approche
numérique et expérimentale
Castan A.[1,2] ,Loiseau P.[2] ,Marquès J-R.[1] , Fuchs J.[1]
1. Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses, UMR 7605 CNRS-CEA-École
Polytechnique-Univ. Paris VI, 91128 Palaiseau, France
2. CEA, DAM, DIF, 91297 Arpajon, France
Dans le contexte de la FCI, la compréhension globale de l'interaction des
lasers avec le plasma sous-dense dans lequel il se propage, est importante pour
atteindre l'ignition. En particulier, dans le cadre de l'attaque indirecte, l'interaction des
lasers avec le gaz sous-dense contenu dans la cavité entraîne une dégradation des
faisceaux laser avant d'atteindre la paroi. Plus précisément, nous discuterons des
conséquences du transport de chaleur non-local sur la propagation laser.
Actuellement nous ne disposons pas d'un outil numérique permettant de
simuler correctement la propagation laser tout en prenant en compte le transport de
chaleur non-local. Nous avons donc mis en place une chaîne de simulation afin
d'étudier l'impact du transport non-local sur la propagation laser à l'aide de trois
codes. Elle permet ainsi i) de lier transport de chaleur non-local et propagation laser
et ii) de simuler plusieurs diagnostics mis en œuvre lors d'expériences lasers. Tout
d'abord, le code hydrodynamique 2D-axisymétrique FCI2[1] permet de modéliser
l'énergie déposée par le laser et la conduction thermique électronique sous forme
locale ou non-locale. Puis en utilisant le chauffage calculé par FCI2, nous utilisons le
code 3D-paraxial HERA[2] pour calculer la propagation laser et la génération
d'instabilités laser-plasma. Enfin, après avoir validé l'utilisation du code 3D MonteCarlo DIANE[3] comme post processeur de HÉRA nous l'utilisons pour simuler la
déflectométrie protonique. Cette chaîne numérique a donc été pensée dans le but
de comparer directement des observables calculées et mesurées en parallèle de ce
travail.
Deux expériences ont été réalisées au LULI2000. Deux diagnostics de
diffusion Thomson nous permettent de mesurer les températures électronique et
ionique, comparables avec les résultats de FCI2, et la densité électronique
comparable avec les résultats de HERA. La caméra Hisac[4], résolue temporellement,
permet de visualiser la transmission du faisceau laser en deux dimensions. Cette
observable est aussi directement comparable avec les résultats de HERA. Enfin la
radiographie protonique permet de visualiser les déflexions des protons dues aux
champs internes du plasma[5] . DIANE nous permet dorénavant de les comparer
avec les champs électriques internes calculés dans HÉRA.
[1] A nonlocal electron conduction model for multidimensional radiation hydrodynamics codes,
Schurtz, Nicolaï et al., POP (2000)
[2] Mesoscopic simulations of laser-plasma interaction, Morice, Loiseau et al., Journal de Physique IV
(2006)
[3] Simulation of energetic Ions transport in a plasma by a 3D Monte Carlo method., Riz et Chiche,
SNA (2003)
[4] Development of a two-dimensional space-resolved high speed sampling camera, Kodama, RSI
(1999)
[5] Relation between electric and magnetic field structures and their proton-beam image, Kugland et
al., RSI (2012)
Influence du choix du lissage sur le développement de l'instabilité
Brillouin stimulée, dans le contexte du LMJ
A. Chatagnier1,2, D. Penninckx1, A. Bourgeade1, E. D’Humières2, P. Loiseau3
1 CEA CESTA, 15 av. des Sablières, CS60001, 33116 Le Barp Cedex, France
2 CELIA, Université de Bordeaux, CNRS, CEA, UMR 5107,
351 cours de la Libération, F33405 Talence, Cedex, France
3 CEA DAM DIF, Bruyères-le-Châtel, F-91297 Arpajon Cedex, France
Une des difficultés majeures pour la réussite de la fusion par confinement inertiel est
la présence d'instabilités paramétriques, qui se développent lors de la propagation
des lasers de puissance dans le plasma. Afin de limiter ces effets, il est nécessaire
de modifier la répartition en intensité des faisceaux lasers incidents. Pour cela,
différentes techniques de lissage optique ont été développées. Ces méthodes
consistent à générer des figures de tavelures comportant de nombreux points
chauds et froids et à les additionner de façon incohérente. L'addition peut être
instantanée en utilisant la polarisation (on parle de lissage par double polarisation)
ou se faire au cours du temps en élargissant le spectre de l'impulsion et en utilisant
un disperseur pour séparer spatialement les différentes fréquences (on parle de
lissage par dispersion spectrale).
Le lissage par dispersion spectrale a été retenu sur le LMJ et les réservations sont
faites pour un lissage par double polarisation. Le disperseur utilisé est un réseau
focalisant permettant d'obtenir un lissage purement longitudinal ou longitudinal et
transverse. Le lissage transverse par dispersion spectrale et le lissage par double
polarisation sont utilisés conjointement sur le NIF. Chaque méthode présente des
avantages et des contraintes à la fois en termes de performances laser et en termes
d'efficacité sur la limitation des instabilités. Notre objectif est d'étudier l'influence des
paramètres de lissage sur le développement des instabilités laser-plasma. Du fait
des échelles spatio-temporelles étudiées, nous nous intéressons plus
particulièrement à une instabilité associée aux ondes acoustiques ioniques, la
diffusion Brillouin stimulée.
Pour commencer, on se place dans un cas académique idéal : comparaison des taux
de rétrodiffusion Brillouin dans le cas du lissage transverse (appliqué à un faisceau
carré) et dans le cas du lissage longitudinal (appliqué à un faisceau circulaire de
même surface). Pour cela deux codes de simulations sont utilisés, l'un pour décrire la
propagation des faisceaux laser dans le vide, l'autre pour simuler l'interaction laserplasma. Dans cette deuxième partie, le principal problème rencontré étant les
ressources numériques, il est impossible de considérer la tache focale dans son
ensemble (millimétrique dans le cas du LMJ), nous avons donc considéré seulement
une zone réduite. Nous montrerons les compromis nécessaires pour choisir cette
zone et les premiers résultats de simulations (voir figure).
2
Intensité (W/cm ) dans le plan transverse en entrée de boîte de simulation (300 µm avant le plan
focal), pour différents paramètres de lissage
Plasma-based laser-pulse amplification via strongly coupled
Brillouin scattering M.Chiaramello (1), C.Riconda (1), M.Grech (2), F.Amiranoff (2), S.Weber (4),
L.Lancia (5), T.Vinci (2) , J.R. Marquès (2), J.Fuchs (2) (1)LULI, Université Pierre et Marie Curie - Ecole Polytechnique - CNRS - CEA, 75252
Paris
(2)LULI, CNRS - Ecole Polytechnique - Université Pierre et Marie Curie - CEA, 91128
Palaiseau, (4)ELI-Beamlines, Institute of Physics of the Academy of Sciences, 18221 Prague, Czech Republic (5)SAPIENZA, University of Rome, Dip. SBAI, 00161 Rome, Italy
With current solid-state technology it is possible to generate laser pulses of few fs
duration with up to a Petawatt peak power, intensities of 1022 W/cm2 can be reached
in the focal spot. The limitation of these systems in terms of maximum achievable
intensity is due to optical damage thresholds of the components.
The use of plasma as an amplification medium is currently discussed because of the
absence of a damage threshold in the classical sense.
Via parametric scattering off a plasma oscillation the energy from a long pump pulse
can be transferred into a short seed pulse. The plasma oscillation can either be an
electron Langmuir wave (Raman scattering) or a low frequency ion wave (Brillouin
scattering).
Brillouin scattering has the potential to become a robust amplification process.
In this poster we will present some 1D and 2D PIC simulations: the aim of those
studies is to better is to better understand the role on the amplification mechanism of
each plasma parameter, such as the interaction length, the shape of the density
profile, the duration of the long pump signal, the relative delay between the seed and
pump signals and to compare with recent experiments. All the simulations reported
have been carried out using the new PIC code SMILEI.
Sechel: Modeling of crossed beams energy transfer for the indirectdrive laser fusion program
A. Debayle, D. Marion, P.-E. Masson-Laborde, P. Loiseau and M. Casanova
The French Laser MégaJoule and American National Ignition facilities both aim at
demonstrating the feasibility of Inertial Confinement Fusion (ICF) assisted by laser
beams. In the indirect-drive scheme (Fig. 1), the internal surface of a gold cylinder,
surrounding a Deuterium-Tritium (DT) pellet, is heated by a hundred laser beams.
The X-rays produced by the hot cavity, uniformly irradiate the DT target and initiate
an adiabatic implosion. At the stagnation time, the compressed target is heated until
the triggering of nuclear reactions.
Fig 1 : Indirect-drive scheme of the ICF. The crossed beam energy transfer certainly counts among the mandatory key
features to ensure the success of the aforementioned scheme. It is well known that
two (or more) crossed laser beams produce an interference pattern that may force an
acoustic wave. Near resonance, significant energy transfer occurs from the high
frequency beam to the low frequency beam in the plasma reference frame.
To estimate this effect in the case of a multi-beam configuration, we developed the
parallel code Sechel, based upon a stationary model similar to Ref. [1], that solves
the N partial differential equations describing the coupling of N laser beams in weakly
non-homogeneous plasma. This simplified approach is compared to Kinetic
simulations. Although some discrepancies exist, the significant energy transfer
foreseen by the stationary model is confirmed by the Particle-in-Cell simulation for
homogeneous plasma. The effects induced by the laser beam polarizations and the
plasma inhomogeneities will be discussed.
McKinstrie et al., Phys. Plasmas 5, 1142 (1998)
Interaction d'un rayonnement XFEL avec les solides et la cinétique
atomique associée.
Basil Deschaud1, Olivier Peyrusse1 et Frank B Rosmej2,3
1 Univ. Bordeaux, CEA, CNRS, CELIA (Centre Lasers Intenses et Applications),
UMR 5107, F-33400 Talence, France
2 Sorbonne Universités, Pierre et Marie Curie, UMR 7605, LULI, case 128, 4 place
Jussieu, F-75252 Paris Cedex 05, France
3 LULI, Ecole Polytechnique, CNRS, CEA, Physique Atomique dans les Plasmas
Denses PAPD, Route de Saclay, F-91128 Palaiseau, France
[email protected]
Le développement récent des lasers X/XUV à électrons libres (XFEL) a permis de nouvelles
études en physique des plasmas (matière à haute densité d'énergie (MHDE), physique
atomique). Dans la gamme X/XUV, le mécanisme d'interaction avec les solides est très
différent des mécanismes dans la gamme optique. En eჼet l'énergie est absorbée
principalement par les électrons liés. Le dépôt d'énergie nécessite donc un calcul de la
cinétique des électrons liés, couplée à celle des électrons libres.
On présente un modèle collisionnel radiatif (MCR) modifié pour pouvoir traiter le passage de
solide à plasma induit par le chauffage XFEL [1, 2]. Le modèle fait un lien entre solide et
plasma au niveau de la structure atomique et au niveau des processus élémentaires. La
comparaison des spectres d'émission obtenus avec notre modèle et des spectres
expérimentaux obtenus sur l'installation LCLS [3] nous permet d'étudier la structure atomique
dans l'état de MHDE. Ce diagnostic spectroscopique nous permet notamment de déterminer
l'abaissement des potentiels d'ionisation, qui est une quantité nécessaire à la modélisation des
plasmas à haute densité.
On présente également un nouveau modèle basé sur notre précédent MCR dans lequel les
électrons libres sont décrits par une distribution hors équilibre. Ce modèle nous permet de
suivre ჼ parallèlement à la cinétique des populations atomiques ჼ la déformation de la
distribution d'électrons libres induite par l'éjection de photoélectrons et d'électrons Auger. On
montre que l'équilibre entre recombinaison à trois corps et ionisation collisionnelle joue un
rôle important dans l'équilibration de la fonction de distribution.
References
[1] B. Deschaud, O. Peyrusse, F. B. Rosmej, EPL Europhys. Lett. 108 (5) (2014) 53001
[2] B. Deschaud, O. Peyrusse, F. B. Rosmej, HEDP 15 (2015) 22 [3] Vinko, et al, Phys. Rev. Lett. 104
(22) (2012)
Conception et mise en œuvre d’un imageur à haute résolution
utilisant des lentilles de Fresnel fonctionnant dans le domaine des
X pour les expériences d’interaction laser-plasma
A. Do[1] , V. Dervieux[2], D. Gontier[2], L. Lecherbourg[2], B. Loupias[2],
Ch. Rubbelynck[2], G. Soullié[2], Ph. Stemmler[2], Ph. Troussel[2], R. Wrobel[2]
[1] Laboratoire pour l’Utilisation des Lasers Intenses, CNRS, CEA, Ecole
Polytechnique, UPMC, 91128 Palaiseau, France
[2] CEA/DAM DIF, F-91297 Arpajon, France
L'utilisation de nouveaux lasers à impulsion ultra courtes ont ouvert la voie à
de nouvelles possibilités de mesures détaillées des plasmas denses. Ces lasers
permettent en effet de chauffer rapidement de la matière dense avec peu de
mouvement d'inertie initial, ce qui a pour effet de fournir un plasma sans gradient
pendant un laps de temps court. Plusieurs expériences ont été menées au CEA dans
le cadre de la physique des lasers à Ultra Haute Intensité (UHI, de 1018 à 1019
W/cm2). Le but est de produire des électrons rapides pour chauffer la matière. On
pourra ainsi faire des mesures des propriétés radiatives du plasma avec des
températures supérieures à 100 eV avec de très hautes densités.
Il est alors nécessaire de bien caractériser le plasma dense obtenu. Un des
diagnostics intéressants dans ce cadre est un imageur X à une dimension qui permet
de mesurer la dimension de la zone d’émission X du plasma et d'avoir, par exemple,
des informations sur les points chauds.
Les résultats des sténopés utilisés jusqu’à présent ne permettent pas
d’attendre une résolution suffisante. Nous proposons un nouveau microscope
fonctionnant dans le domaine des rayons X, à haute résolution spatiale, supérieure
aux systèmes existants. Les caractéristiques d'un tel système sont déterminées par
les contraintes expérimentales.
Il s’agit d'utiliser des lentilles de Fresnel qui présentent l'avantage d'avoir à la
fois une meilleure résolution et ouverture nettement plus importante que celle d'un
sténopé. Le diagnostic Fresnel Ultra High Resolution Imager (FUHRI) est composé
d’une telle lentille associée à un miroir multicouche (MMC). Le MMC est utilisé pour
la sélection spectrale. Selon les besoins, le détecteur peut être adapté à
l’expérience. Nous présenterons ici le principe de fonctionnement d’un tel diagnostic,
sa caractérisation sur des installations laser (EQUINOX) et synchrotrons (SOLEIL,
BESSY) et son déploiement lors d’une campagne expérimentale (LULI2000).
Features of electron bunches accelerated by laser-driven resonant
surface plasmons
L. Fedeli1, 2, A. Sgattoni2, G. Cantono3, 4, 1, 2, D. Garzella3, F. Reau3, I. Prencipe5, M.
Passoni5, M. Raynaud6, M. Kveton7, J. Proska7, A. Macchi2, 1 and T. Ceccotti3
1
Dipartimento di Fisica Enrico Fermi, Università of Pisa, Pisa, Italy
Istituto Nazionale di Ottica, Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR/INO), u.o.s Adriano Gozzini, Pisa, Italy
3
CEA/DSM/IRAMIS/LIDYL, Gif-sur-Yvette, France
4
Université de Paris Sud, Orsay, France
5
Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano Università, Milano, Italy
6
Laboratoire des Solides irradiés, Ecole Polytechnique, CNRS, CEA/DSM/IRAMIS, Université Paris-Saclay,
Palaiseau Cedex, France
7
FNSPE, Czech Technical University, Prague, Czech Republic
2
Surface plasmons (SP) are electromagnetic modes that can be resonantly excited at
a steep solid-vacuum interface in presence of a periodically modulated structure (ex.
a diffraction grating). In the field of highly intense laser-driven particle acceleration,
they have been investigated as a possible mechanism to enhance the laser-target
coupling1, aiming for higher energies in the proton beam generated via the TNSA
process2. Here we report what is, to our knowledge, the first observation of electron
bunches accelerated along the surface of grating targets by such resonant plasmons
driven at relativistic laser intensities (I>1019 W/cm2). Besides some applications for
which these electron beams can be proposed3, our study delves into a domain still
unexplored from the experimental point of view4, where a fully relativistic theory has
yet to be defined despite the results of several numerical simulation works5. In this
poster we show the comparison between the results obtained with regular flat targets
and various grating targets, with the purpose of clearly demonstrate the "resonant"
origin of the electron bunch accelerated along the grating surface. We also report the
main properties of this electron beam as inferred by our preliminary and far than
conclusive measures.
Lanex screen images of spatial distribution of electron emission from a grating (LEFT) and flat
(RIGHT) target, irradiated at the resonance angle (30° in this case). Phi angle refers to the positions
on the incidence plane from the tangent (0°) to the normal (90°) of the target. Electrons with energies
>1.5 MeV are filtered out with an Al filter in front of the Lanex.
1. Bigongiari et al., Phys. of Plasmas 20, 2701 (2013).
2. Ceccotti et al., Phys. Rev. Lett. 111, 5001 (2013).
3. Pomerantz et al., Phys. Rev. Lett. 113, 4801 (2014); Hastings et al., App. Phys. Lett.
89, 8918 (2006); Stockman, Phys. Rev. Lett. 93, 7404 (2004).
4. Hu et al., Phys Plasmas, 17, 3102 (2010); Hu et al.,Phys. Plasmas 17, 3109 (2010).
5. Raynaud et al., Phys. of Plasmas 14, 2702 (2007); Bigongiari et al., Phys. of Plasmas
18, 2701 (2011).
Production of Betatron radiation with a 2 PW and 500 fs laser
J. Ferri1,2, X. Davoine1, A. Lifschitz2
CEA, DAM, DIF, 91297 Arpajon, France
2
LOA ENSTA-Paristech Palaiseau, France
1
In Laser WakeField Acceleration (LWFA), an ultra-short laser pulse drives and
accelerates electron bunches in low density plasmas. The transverse wiggling of the
electron beam in the wake creates radiation known as betatron radiation. Due to its
small source size and short duration, the betatron radiation could be a promising
high-temporal and high-spatial resolution source for X-ray imaging with methods
such as phase contrast imaging. In this paper, we study the possibility to create a
betatron source with the 2 PW and 500 fs PETAL laser, which will operate in the LMJ
facility in France. This work could pave the way toward new applications of betatron
sources, such as X-ray imaging of shock experiment on the LMJ-PETAL facility, in
the inertial confinement fusion and laboratory astrophysics domains. Besides, if
LWFA and betatron X-ray have often been studied experimentally and theoretically
using ultra-short laser pulses (~30 fs), the PETAL laser doesn't enter the scalings
developed from these short lasers for an efficient LWFA regime. Although such a
laser might not be optimized for LWFA and betatron emission as either its energy is
too low or its duration is too long according to the matching conditions for LWFA, we
show with PIC simulations that it's still possible to accelerate a quasi-monoenergetic
electron beam and generate a betatron source with this laser. According to our
simulations, a 200 pC beam can be injected in a downrampe density gradient, and
then accelerated to an energy of a few GeV, after 10 cm of propagation in a plasma
of density 3 x 1016 cm-3. We investigate the properties of the produced radiation: wide
spectra up to several tens of keV and good collimation of the order of 10 mrad have
been obtained.
Amplification of short laser pulses by Stimulated Brillouin
Backscattering
T. Gangolf1,2, L. Lancia3, J.-R. Marquès1, A. Giribono3, K. Glize1,4,
M. Blecher2, L. Vassura1,3, A. Frank5, M. Cerchez2, C. Riconda6,
M. Chiaramello6, S. Weber7,8, G. Mourou7, O. Willi2, J. Fuchs1
1
LULI, École polytechnique – CNRS – CEA – UPMC, 91128 Palaiseau, France
2
ILPP, Heinrich-Heine Universität Düsseldorf, 40225 Düsseldorf, Germany
3
Dept. SBAI, Università di Roma "La Sapienza", 00161 Rome, Italy
4
CEA, Bruyères-le-Châtel, F-91297 Arpajon, France
5
GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, 64291 Darmstadt, Germany
6
LULI, UPMC – École polytechnique – CNRS – CEA, 75252 Paris, France
7
IZEST, École polytechnique – CEA, 91128 Palaiseau, France
8
Institute of Physics of the ASCR, ELI-Beamlines, 18221 Prague, Czech Republic
In the research on novel techniques for amplifying laser light to ever higher
intensities, plasma amplification has drawn much attention. A plasma-based
approach benefits from the fact that a plasma can sustain much higher intensities
than a solid state amplifier. In a plasma, energy can be transferred from one laser
pulse (pump) to another (seed), either via a high-frequency plasma electron wave
(stimulated Raman backscattering, SRS) or by a low-frequency ion acoustic wave
(stimulated Brillouin backscattering, SBS [1]).
In this contribution, we report on two recent experiments on amplification by SBS.
Counterpropagating in a preformed plasma, short low-energy (700 fs, 6 mJ) seed
pulses were amplified by longer high-energy (3...6 ps, 7...11 J) pump pulses. We
achieved amplification by SBS and the transition to the sc-SBS (strong coupling)
regime where the plasma wave is a nonlinear oscillation forced by the pump laser.
We observed that the process is less sensitive to competing mechanisms in this
regime. Absolute amplification of a factor of 4 could be obtained and clearly attributed
to the electromagnetic coupling of the two beams.
Furthermore, we propose two future experiments: First, we will study how detrimental
effects from filamentation and SRS can be mitigated by a specifically designed gas
target, as suggested by simulations [2]. Second, we plan to extend the process to
ultrashort seed pulses (30...130 fs) which simulations have shown to be favorable for
amplification [3]. This will be studied at the ILPP Ti:Sapphire laser system.
References
[1] L. Lancia et al., Phys. Rev. Lett. 104, 025001 (2010)
[2] C. Riconda et al., Phys. Plasmas 20, 083115 (2013)
[3] S. Weber et al., Phys. Rev. Lett. 111, 055004 (2013) Calcul d'opacité du fer et du nickel ( n = 3, Δn = 0, 1, 2)
à l'aide des codes HULLAC-v9 et SCO-RCG
D. Gilles a, M. Busquet b, M. Klapisch c, F. Gilleron d, J.-C. Pain d
a
CEA/IRFU/SAp, F-91191 Gif-sur-Yvette France, b Research Support Instruments,
Lanham, MD 20706, USA, c Berkeley Research Associates, Beltsville, MD 21042,
USA, d CEA, DAM, DIF,
F-91297 Arpajon, France)
Nous présentons les derniers résultats de calculs d'opacité du fer et du nickel
récemment obtenus avec les codes HULLAC-v9 [1] et SCO-RCG [2] pour des
conditions de plasmas typiques d'enveloppes stellaires ou de plasma de laboratoire
(10 eV < T < 30 eV et 10-7 g/cm3 < ρ < 10-2 (g/cm3). Pour ces conditions l'ionisation
du fer et du nickel est telle que les transitions n = 3 vers n = 3, 4, 5 constituent une
partie importante du spectre d'opacité et se situent entre 10 et 300 eV, c'est à dire
dans la gamme d'énergie significative pour le calcul des moyennes de Rosseland et
de Planck. Ces transitions sont très sensibles à l'Interaction de Configuration. De tels
calculs étant très "lourds", différentes approximations sont possibles. Nous avons
récemment montré qu'il est possible d'étudier l'effet de ces approximations ainsi que
la convergence vers un traitement "IC exacte" avec le code HULLAC-v9 [3, 4]. Nous
présenterons quelques exemples et nous comparerons ces résultats à ceux obtenus
avec le code SCO-RCG qui traite l'IC par la méthode IC en "une seule configuration
relativiste". Nous discuterons ces différents résultats et l'intérêt des différentes
approches pour le calcul pratique de tels spectres.
Références:
[1] [ M Busquet, M. Klapisch, , D. Gilles, EPJ Web of Conferences 59, 14004 (2013); M. Busquet, M.
Klapisch, Bull. American Phys. Soc. 55, 225 (2010).
[2] Q. Porcherot, J.-‐C. Pain, F. Gilleron, T. Blenski , High Energy Density Phys. 7, 234 (2011) ; J.-‐C. Pain, F. Gilleron, Q. Porcherot, T. Blenski, Proceedings of the 40th EPS conference on Plasma Physics P4.403 (2013) ; J.-‐C. Pain and F. Gilleron, High Energy Density Phys. 15, 30 (2015).
[3] D. Gilles, M. Busquet, M. Klapisch, F.
http://dx.doi.org/10.1016/j.hedp.2015.04.008, in press. Gilleron,
J.-C.
Pain,
HEDP
(2015),
[4]D. Gilles, S. Turck-‐Chièze, M. Busquet, F. Thais, G. Loisel, L. Piau, J.E. Ducret, T. Blenski, C. Blancard, P. Cossé, G. Faussurier, F. Gilleron, J.C. Pain, Q. Porcherot, J.A. Guzik, D.P. Kilcrease, N.H. Magee J. Harris S. Bastiani-‐Ceccotti, F. Delahaye and C.J Zeippen, EPJ Web of Conferences 59, 14003, (2013). Intérpretation de la génération d'une pression de 300 Mbar sur
l'installation OMEGA :
Influence des électrons chauds dans l'allumage par choc
A. Vallet (1) ,X. Ribeyre (2) ,V. Tikhonchuk (2) , A. Casner (1) ,R. Nora (3), W.
Theobald (3), T. Michel (3),R. Betti (3)
(1) CEA, DAM, DIF, F-91297 Arpajon, France
(2) Université de Bordeaux-CNRS-CEA, CELIA F-33400, Talence, France
(3) Laboratory for Laser Energetics and Fusion Science Center, University of
Rochester, Rochester, New York 14623, USA
Un des points les plus critiques pour l'allumage par choc est la possibilité de générer
une pression de plus de 300 Mbar par irradiation laser dans un large pré-plasma. Le
régime d'intensité requis (5 à 10 × 1015 W/cm2) est alors tel que les instabilités
paramétriques dominent lors de la propagation et de l’absorption laser. Sous ces
conditions, des électrons supra-thermiques sont produits dans la couronne et
influencent la génération du choc d'allumage.
Il faut alors tenir compte de deux processus d'absorption de l'énergie laser et de
deux processus de transport associés: une absorption collisionelle classique par
Bremsstrahlung inverse au niveau de la densité critique et le transport thermique
non-local ; une absorption en volume en aval de la densité critique et le transport
d’énergie par les électrons chauds. Ces processus de l'absorption, du transport de
l’énergie par les électrons thermiques et supra-thermiques dans la zone d’ablation et
la génération du choc à l’échelle de 500 ps nécessitent une description à la fois
cinétique et hydrodynamique du phénomène. Cela rend les prévisions par
simulations difficiles et une question ouverte est de savoir si les électrons chauds
renforcent le choc d'allumage ou au contraire nuisent à sa formation par
préchauffage.
Dans ce poster sont présentés les résultats d'expériences de génération de choc
dans une sphère solide sur l’installation OMEGA. Il s'agit des premières expériences
de génération de choc dans un régime d'intensité pertinent pour l'allumage par choc
en géométrie sphérique. Une pression de plus de 300 Mbar a été atteinte. Nous
présentons une interprétation des résultats expérimentaux faisant intervenir les
électrons supra-thermiques. Pour cela, le code de simulation CHIC et un modèle
simple de dépôt d’énergie des électrons chauds sont utilisés.
Hydrodynamic modelling of the shock ignition scheme for inertial confinement fusion, A. Vallet, Thèse
soutenue le 20 Novembre 2014, Université Bordeaux 1
Gigabar Spherical Shock Generation on the OMEGA Laser , R. Nora et al. , Phys. Rev. Lett. 114,
045001 (2015)
Spherical strong-shock generation for shock-ignition inertial fusion, W. Theobald et al. , Physics of
Plasmas, 22, 056310 (2015) Preparation of the first experiments on the high power laser system
PETAL coupled to LMJ for inertial confinement fusion studies
E. d’Humières1, N. Blanchot2, G. Boutoux1, A. Casner3, T. Ceccotti4, A. Compant la
Fontaine3, J.L. Dubois2, J.-E. Ducret1, J. Fuchs5, S. Hulin1, K. Jakubowska1, M.
Koenig5, J.R. Marquès5, J.L. Miquel3, P. Nicolai1, R. Nuter1, A. Poyé1, D.
Raffestin2, Ch. Reverdin3, I. Théfouin3, T. Massard2, V.T. Tikhonchuk1 and D.
Batani1
1) University Bordeaux - CNRS - CEA, CELIA, Talence 33405, France
2) CEA/DAM/CESTA, BP 12, Le Barp 33405, France
3) CEA/DAM/DIF, BP 1, Arpajon 91405, France
4) IRAMIS/SPAM, CEA-Saclay, France, France
5) LULI, Ecole Polytechnique – CNRS – CEA – UPMC, Palaiseau, France E-mail:
[email protected]
The high power laser system PETAL (http://petal.aquitaine.fr) is sponsored by the
Regional Council of Aquitaine and constructed by the CEA/CESTA, on the site of Le
Barp, for academic studies of high energy density states of matter and inertial
confinement fusion. It will be commissioned in 2015 and will be operated together
with the Laser MegaJoule (LMJ). Significant theoretical, numerical, experimental and
technical developments are still needed during the final period of PETAL construction
and the starting phase of its exploitation. This period up to 2017 when PETAL will be
opened to academic groups implies a tight and efficient collaboration between the
scientific and technical staff of the academic groups and laboratories and the CEA
engineers in order to attain in a short time scale the expected laser characteristics
and to assure all necessary conditions for efficient and secure operation of this
unique installation.
In this poster, we will present the first experiments selected by a large group of
scientists involved in the construction of PETAL, in the preparation of PETAL
diagnostics and in the estimations of the activation levels linked to PETAL
operations. These experiments will occur in 2016 and 2017 and will allow to
characterize the PETAL laser pulse for laser energies ranging from 200J to 1 kJ and
validate its operation and the particle and radiation diagnostics SEPAGE and
SPECTIX. These experiments will also allow to monitor the activation produced
during high energy PETAL shots and measure the electromagnetic pulses that are
emitted during the interaction of the pulse with different kinds of target.
These studies were performed in the context of the PETAL+ project funded by the
Agence Nationale pour la Recherche and of the PETAPHYS project funded by the
Initiatives d’excellence through the LAPHIA LabeX. They were also supported by the
GENCI project KITSIFI for large scale Particle-In-Cell simulations.
Posters du Jeudi 16 Juin Laser-plasma experiments for laboratory astrophysics
B. Khiar, A. Ciardi
LERMA, Observatoire de Paris, PSL Research University, CNRS, Sorbonne
Universités, UPMC Univ. Paris 06, F-75005, Paris, France
Our group is undertaking theoretical and numerical research in laser-driven plasma
experiments coupled with externally applied strong, steady-state, magnetic fields.
Applications include studies of astrophysical jet collimation, accretion shock
dynamics in young stars and streaming instabilities in space plasmas.
In this poster we will focus on particular case where we study the influence of double
laser pulses on the dynamics of a plasma embedded in a 20T magnetic field
produced on the ELFIE installation at LULI. We have recently included the modelling
of laser energy deposition in our three-dimensional, resistive MHD code GORGON.
The model assumes linear inverse-bremsstrahlung absorption and the laser
propagation is done in the geometrical optics approximation. We performed full scale
numerical simulations of actual laser experiments with this code and show here some
interesting features.
Electronic density map for double laser pulse simulations (Gorgon)
Ciardi, A., et al., "Astrophysics of Magnetically Collimated Jets Generated from Laser-Produced
Plasmas", 2013, Physical Review Letters, 110, 025002
Albertazzi et al., "Laboratory formation of a scaled protostellar jet by coaligned poloidal magnetic field",
2014, Science, Volume 346, Issue 6207, pp. 325-328
Study of the Weibel Instability in magnetized plasma
A. Grassi1;3, M. Grech2, A. Macchi3, F. Amiranoff2, C. Riconda1
1
LULI, Sorbonne Universités, Université Pierre et Marie Curie - EP - CNRS- CEA,
75252 Paris, France
2
LULI, CNRS- CEA - Ecole Polytechnique - UPMC ,
3
Istituto Nazionale di Ottica, (CNR/INO), Pisa, Italy.
Department of Physics E. Fermi, University of Pisa, 56127 Pisa, Italy
We consider the problem of Weibel instability in the case of two counterstreaming
relativistic electron-ion plasmas, in the presence of an external magnetic field parallel
to the plasma flow.
We investigate the effects of the magnetic field during the linear phase of growth of
the instability and the resulting changes induced in the saturation mechanisms.
The analysis is performed by means of both analytic calculations and numerical
simulations carried out with the open source PIC code SMILEI currently under
development between different laboratories.
(http://www.maisondelasimulation.fr/projects/Smilei/html/index.html)
We study this problem in the context of recent experiments of co-penetration of
magnetized plasma jets, for laboratory investigation of relativistic astrophysics,
accessible nowadays with the most intense lasers.
Modeling of the trapping experiments of relativistic electrons in
high intense optical lattice
M. Hadj-Bachir , B. Barbrel, E. d’Humières, V.T. Tikhonchuk and Ph. Balcou
Centre LASERs Intenses et Applications CELIA, CEA, CNRS, Université de
Bordeaux 33405 Talence France.
Une expérience sur le piégeage des électrons relativistes dans un réseau optique
intense sera effectuée prochainement en salle jaune au LOA. Cette expérience a
pour principal objet l'étude d'un phénomène prédit analytiquement et numériquement
sur l'émission d'un faisceau de rayons X cohérents [1] par le processus appelé «
XFEL Raman » basé sur l'interaction entre un paquet d'électrons relativistes et une
onde stationnaire transverse issue d'un laser intense, donnant lieu à un effet
Kapitza-Dirac relativiste, puis à une diffusion Raman [2]. Le premier objectif majeur
de cette première expérience, qui constitue la première étape du processus, est
l'injection du faisceau d'électrons relativistes dans l'onde stationnaire. Un code
particulaire nommé RELIC [3] a été développé pour l'étude de la dynamique et la
modélisation de l'injection en trois dimensions et pour tout paquet d'électrons et
géométries de réseau optiques. Nous présenterons dans ce poster des résultats de
calcul numérique sur le taux de piégeage des électrons dans les puits de potentiel
pondéromteur ainsi que les diagnostics dans l'espace transverse des électrons.
Références :
[1] I.A Andriyash et al PRL 109, 244802 (2012) .
[2] Ph.Balcou EUR PHYS J D 59, 525-537 (2010).
[3] M. HADJ-BACHIR et al, Numerical modeling of injection of a relativistic electron bunch
into a high intensity optical lattice. (en préparation)
Etude et conception de l'accélérateur d'électrons par sillage laser
dans le cadre de projet Cilex avec le code WARP
1P. Lee, 1T. L. Audet, 2R. Lehe, 2J.-L. Vay, 1G. Maynard, 1B. Cros
1Laboratore de Physique des Gaz et des Plasmas, CNRS-Université Paris-Sud XI,
91405 Orsay, France
2Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA 94720, USA
WARP [1] est un code PIC open-source initialement développé par Alex Friedman
dans les années 1980 a LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) pour les
simulations de la dynamique des faisceaux dans les accélérateurs a induction pour
les applications a la fusion par ions lourds (HIF). Ce code a été récemment adapté
pour décrire l’accélération laser-plasma. Un aspect important de ce code est de
pouvoir traiter l’ensemble des aspects d’un accélérateur multi-étages, a savoir
l’injection d’un paquet d’électrons dans une onde de plasma, le transport entre deux
étages plasma de ce paquet et enfin son accélération dans un étage plasma. Le
code WARP est ainsi particulierement bien adapté pour le projet CILEX, dans lequel
des expériences sur l'accélération d'électrons par sillage laser-plasma multi-étages
sont en préparation en utilisant l’installation laser multi-PW APOLLON. Les récents
développements du code WARP effectués par l’équipe porte sur 2 aspects : d’une
part optimiser le modele numérique pour réduire les besoins en ressources
informatiques, qui dans le cas d’un calcul PIC sont un critere tres fortement limitant,
et d’autre part, pour l’injecteur, prendre en compte la composition du gaz qui est un
des parametres importants dans l’optimisation d’un injecteur. En ce qui concerne le
premier aspect, nous nous sommes appuyés sur la symétrie axisymétrique du
probleme pour réduire les temps de calculs de plus de deux ordres de grandeurs. En
ce qui concerne l’injecteur, nos résultats montrent que l’injection d'électrons par
ionisation d’atomes de Z élevé permet de controler le processus d’injection, et que
donc l’utilisation d’un mélange de gaz, en présence d’impuretés de Z élevé, apparait
tres prometteuse. Nous présenterons lors de la conférence les résultats obtenus, a
l’aide de la nouvelle version du code WARP, sur l’optimisation d’une source
d’électrons quasi-monochromatique de 50 MeV dans une cellule de gaz. Des
comparaisons théorie- expérience, en lien avec les résultats obtenus sur l’installation
UHI100 du laboratoire Lidyl de Saclay seront également discutées.
[1] Vay, J.-L.; Grote, D. P.; Cohen, R. H. & Friedman, A. Novel methods in the Particle-In-Cell
accelerator Code-Framework Warp.Computational Science & Discovery,2012, 5, 014019
Radiation effects in ultra-relativistic, high-density pair shocks
M. Lobet1,2, L. Gremillet1, E. d’Humières2, M. Grech3, C. Ruyer1,3, M. Lemoine4
1
CEA, DAM, DIF, F-91297, Arpajon, France
2
CELIA, UMR 5107, Université de Bordeaux-CNRS-CEA, 33405 Talence, France
3
LULI, École Polytechnique-CNRS-CEA-UPMC, 91128 Palaiseau, France
4
Institut d’Astrophysique de Paris, CNRS, UPMC, 98 bis boulevard Arago, F-75014
Paris, France
Continuous progress in technology makes it possible to envision laser systems
capable of delivering multi-kJ pulses focused to intensities in excess of 1024 Wcm−2
[1]. Such exawatt facilities would enable accessing a novel physics regime
characterized by coupled plasma, radiative and electrodynamics (QED) effects,
including the synchrotron emission of γ-ray photons and their subsequent decay into
electron-positron (e−e+) pairs [2]. Intense enough laser drivers should trigger paircreation cascades, thus generating relativistically hot, overdense e−e+ plasmas, of
prime interest for the experimental probing of high-energy astrophysical objects [3].
In this presentation, we report on QED-particle-in-cell simulations of the Weibelunstable interaction between counter-streaming, high-density e−e+ jets, such as
those resulting from solid foils irradiated by exawatt-class lasers [2]. In the case of
two 60 fs, 120 kJ pulses, we first show that the collision triggers ultra-fast
thermalization and isotropization, yet fails to spawn a fully developed, turbulent shock
due to too short an interaction time [4]. Remarkably, the synchrotron emission
induced in the induced magnetic turbulence dissipates about 60% of the kinetic
energy in a few tens of fs. These losses speed up the thermalization of the jets, and
enhance their magnetic confinement. This novel laser-specific physics regime
contrasts with the standard astrophysical shock scenario, where synchrotron
emission occurs deep into the downstream region. In the second part, we study the
synchrotron radiation effects upon the formation of Weibel-mediated shocks in dense
e−e+ plasmas. Similarly to what occurs in hydrodynamics, the compression of
synchrotron-radiative shocks is found larger than that of non-radiative shocks. A
model is proposed for the turbulence growth in the shock foot and synchrotronmodified jump conditions.
References
[1] G. Mourou et al., Opt. Comm. 285, 720 (2012)
[2] C. P. Ridgers et al., Phys. Rev. Lett. 108, 165006 (2012)
[3] A. Spitkovsky, Astrophys. J. Lett. 682, L5 (2008)
[4] M. Lobet et al., submitted to Phys. Rev. Lett. (2014)
Radiographie protonique, diffusion Raman stimulée et lissage
optique avec le code d'interaction laser-plasma HERA P. Loiseau1, A. Castan1,2, A. Chatagnier3,4 et G. Tran1,5 A. Bourgeade , M. Casanova1, A. Debayle1, E. D'Humières4 , J. Fuchs2 , A. Héron5, S. Hüller5, J-R. Marquès2 , P-E. Masson-Laborde1, D. Penninckx3 et D. Pesme5 1
CEA, DAM, DIF, F-91297 Arpajon Cedex, France
2
LULI, École Polytechnique, CNRS, CEA, UPMC, Route de Saclay,
3
CEA, DAM, CESTA, F-33116 Le Barp Cedex, France
4
CELIA, Université Bordeaux I, CNRS, CEA, UMR 5107,
351 cours de la Libération, F-33405 Talence, Cedex, France
5
CPT, École Polytechnique, CNRS, Route de Saclay, 91128 Palaiseau, France
3
Une problématique essentielle de la fusion par confinement inertiel au moyen de
lasers de puissance est la maîtrise de la propagation des lasers dans le plasma
environnant la cible. Le code d'interaction laser-plasma Hera [1] a été développé
dans cet objectif. Basé sur une méthode de décomposition en harmoniques de la
densité électronique [2], il décrit en trois dimensions (3D) et de façon cohérente : la
propagation d'un faisceau laser dans un plasma sous-dense, complètement ionisé,
dans l'approximation paraxiale ; l'évolution hydrodynamique du plasma et la
rétrodiffusion Brillouin stimulée. Cette approche permet de simuler l'interaction laserplasma dans des plasmas millimétriques sur plusieurs centaines de picosecondes.
Nous présentons des développements récents, réalisés en collaboration avec
plusieurs équipes expérimentales et théoriques. Tout d'abord, la possibilité nouvelle
d'utiliser des particules chargées pour mesurer les champs électriques générés par
l'interaction laser-plasma, notamment via l'installation PETAL-LMJ, nous a amené à
développer une chaîne numérique de radiographie protonique (voir figure).
Parallèlement, suite aux forts niveaux de rétrodiffusion Raman mesurés lors
d'expériences récentes réalisées sur la LIL, et sur NIF, nous avons introduit une
modélisation non-linéaire de l'instabilité Raman. D'autre part, le conditionnement
laser étant le levier principal de réduction du développement des instabilités, nous
avons enrichi le code en intégrant de nouvelles conditions limites décrivant plus
précisément le champ laser lissé. Finalement, nous avons aussi introduit la
possibilité d'avoir une seconde longueur d'onde laser pour des études de croisement
de faisceaux. Tous ces éléments étendent les capacités de modélisation de Hera et
en font un outil bien adapté aux futures expériences qui seront menées sur
l'installation LMJ. Champs électriques calculés par Hera (gauche) et exemple de film impacté par des protons (droite).
[1] P. Loiseau et al., Phys. Rev. Lett. 97, 205001 (2006) [2] S. Hüller, et al., Phys. Plasmas 13, 022703 (2006). Un injecteur pour les futurs accélérateurs lasers plasma
A. Maitrallain1, S. Dobosz Dufrénoy1, T.L. Audet2, F.G. Desforges2, B.S. Paradkar2,
P. Monot1, F. Quéré1, Ph. Martin1, G Maynard2 & B. Cros2
1
Laboratoire Interactions, Dynamique et Lasers (LIDyL), CEA Saclay, 91191
Gif-sur-Yvette, France.
2
Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas (LPGP), CNRS UMR 8578,
Université Paris-Sud, Bât 210, 91405 Orsay, France.
L’accélération laser-plasma (Tajima & Dawson, 1979), permet aujourd’hui d’atteindre
des énergies de quelques GeV dans des plasmas centimétriques. Cependant les
énergies des faisceaux obtenus par accélération laser-plasma (Leemans W.P., 2014)
restent encore aujourd‘hui bien inférieures à celles obtenues par accélération
conventionnelle. La longueur d’accélération est ici le paramètre important, or elle est
limitée par les paramètres plasma et/ou laser (longueur de déphasage α *λ0-2*ne-3/2,
longueur de déplétion α τ*ne-1*λ0-2, longueur de Rayleigh α w02/ λ0 où λ0 est la
longueur d’onde, τ la durée d’impulsion et w0 taille de la tache focale (1/e²) laser
tandis que ne est la densité électronique du plasma). Considérant les puissances
disponibles sur les futures installations multi-PW, des schémas d’accélération à
plusieurs étages ont été proposés.
Nous travaillons avec les laboratoires de l’Université Paris-Saclay, à la préparation
des futures expériences d’accélération laser-plasma à deux-étages qui seront
étudiées sur APOLLON-10PW, dans le cadre de CILEX. Nous collaborons en
particulier avec le LPGP pour mettre au point un 1er étage (=injecteur) sur UHI100
(CEA-Saclay) et avec le SCAM-LLR-LAL pour la mise au point et tests d’une ligne de
transport dédiée. L’objectif de cette source est de fournir un faisceau d’électrons
stable dont l’énergie sera comprise entre 50 et 80 MeV, pour être transporté via une
ligne magnétique vers un second étage où il pourra être piégé dans une onde de
plasma et accéléré. L’idée de ce schéma à deux étages est ici de découpler la partie
injection et accélération afin d’améliorer le contrôle et la reproductibilité tir à tir des
différents éléments et ainsi d’atteindre de plus hautes énergies. Je présenterais les
résultats que nous avons obtenus sur UHI100 sur la partie « injecteur ».
er
Figure 1: Schéma de principe de l'accélérateur double étage composé d’un injecteur (1 étage) suivi de l’étage
er
nd
accélérateur. Le faisceau d’électrons est envoyé du 1 vers le 2 étage via une ligne de transport magnétique.
Tajima & Dawson. Laser Electron Accelerator. Physical Review Letters,1979, vol. 43, no.4,p.267-269.
Leemans W.P et al. Multi-GeV Electron Beams from Capillary-Discharge-Guided Subpetawatt Laser
Pulses in the Self-Trapping Regime. Physical Review Letters, 2014, vol. 113, no. 24
GeV Electrons due to a Transition from Laser Wakefield
Acceleration to Plasma Wakefield Acceleration
P. E. Masson-Laborde1, M. Z. Mo2, A. Ali2, S. Fourmaux3, P. Lassonde3, J. C.
Kieffer3, W.Rozmus4, D. Teychenné1, R. Fedosejevs2
1 CEA, DAM, DIF, F-91297 Arpajon Cedex, France
2 Department of Electrical and Computer Engineering, University of Alberta,
Edmonton, AB, Canada,T6G 2V4
3 INRS-EMT, Université du Québec, 1650 Lionel Boulet, Varennes, Québec,
Canada, J3X 1S2
4 Theoretical Physics Institute, University of Alberta, Edmonton T6G 2E1, Alberta,
Canada
The Laser Wakefield Acceleration (LWFA) experiments performed with the 200 TW
laser system located at the Canadian Advanced Laser Light Source (ALLS) facility at
INRS, Varennes (Québec) observed at relatively high plasma densities (~1x1019 cm3
) electron bunches of GeV energy gain, more than double of the predicted energy
using Lu’s scaling law. This energy boost phenomena was modelled with three
dimensional (3D) particle-in-cell (PIC) simulations and can be attributed to a
transition from LWFA regime to a plasma wakefield acceleration (PWFA) regime that
can drive electrons up to energies close to the GeV level. In the first stage, the
acceleration mechanism is dominated by the bubble created by the laser in the
nonlinear regime of LWFA, leading to an injection of a large number of electrons.
After propagation beyond the depletion length, where the laser pulse energy is
depleted and it can no longer generate sufficient transverse ponderomotive force to
sustain the bubble anymore, the dense bunch of high energy electrons propagating
inside the bubble will drive its own wakefield in the PWFA regime. This wakefield will
be able to trap and accelerate a secondary population of electrons up to the GeV
level during this second stage. 3D PIC simulations support this analysis, and confirm
the scenario.
Interaction of high intensity femtosecond laser with over-critical
gas target for ion acceleration
F. Mollica1, A. Flacco1, B. Vauzour1 & V. Malka1
Laboratoire d'Optique Appliquée (ENSTA Paristech/X/CNRS) 91120 Palaiseau
FRANCE
Laser-accelerated ion by femtosecond ultra-intense laser had been observed up to
80MeV on thin solid target [1], such energetic ions could be of interest for nuclear
and medical application [2]. However in this scope, solid targets show limitations:
critical laser contrast dependency [3], repetition rate scalability, debris management.
Various alternative scheme had been proposed to overcome these challenges like
dropplet targets [4], clusters [5], and overdense gas jet [6]. An intense laser pulse
impinging on an overdense plasma can launch collisionless shocks [7]. Upstream
ions can be reflected by the shock and accelerated in the forward direction at twice
the shock velocity. Laser driven acceleration of He ion from a gas jet have been
recently observed with intense CO2 laser in longitudinal direction [8,9] and with Ti:Sa
laser in transverse direction [10].
In this experiment, we explored the interaction of a 30fs, 3J Ti:Sa pulse focused at
1,5x 1020 W/cm2 on a near-critical Helium gas jet and on over-critical mixture (Ar/H)
gas jet. Neutral atomic density was shaped using static shock in the supersonic flow.
The plasma was probed by a 400nm probe beam, showing the plasma dynamic and
laser filamentation in such medium. Preliminary results show 5MeV electron
accelerated in the forward direction and filamentation of the laser prior to critical limit.
20
2
Shadowgraphy 10ps before main pulse (2.5J, 30fs at 1x 10 W/cm ) interact with 0.1nc (atomic
density) Ar/H(2%) sonic gas jet of diameter 300µm. Nozzle is visible on top. Laser is incoming from
the left. We observe laser filamentation and pre-plasma form by laser pedestal.
Références
[1] I Jong Kim et al. ArXiv:1411.5734 (2014)
[2] H. Daido et al. Rep. Prog. Phys. 75, 056401
(2012)
[3] A. Flacco et al. NIM A , 620, 1, 8-22 (2010)
[4] S. Ter-Avetisyan et al. Phys. Plasmas 15,
083106 (2008)
[5] Y. Fukuda et al. Phys. Rev. Lett. 103,
165002 (2009)
[6] A. Sahai Phys. Plasmas 21, 056707 (2014)
[7] L.O. Silva et al. Phys. Rev. Lett. 92, 015002
(2004)
[8] D. Habergberger et al. Nature Physics 8,
95–99 (2012)
[9] O. Tresca et al. ArXiv :1503.06180 (2015)
[10] F. Sylla et al., Phys. Rev. Lett. 108,
115003 (2012)
Acceleration of ions in near-critical plasmas
by an intense laser pulse
J. G. Moreau, E. d’Humières, R. Nuter, V. T. Tikhonchuk
Centre Lasers Intenses et Applications, University Bordeaux, CNRS, CEA, Talence
33405, France
The generation of laser accelerated ion beams draws an increasing interest thanks to
their potential applications, such as radiography, oncology, or Inertial Confinement
Fusion. The highest measured proton energy is 160 MeV [1]. The most known
generating process is the TNSA mechanism [2], in which a thin foil is irradiated by an
ultra-intense laser beam. This acceleration mechanism consists in two steps: first,
the laser pulse interacts with the target surface and heats the electrons. Then the hot
electrons travel through the target and create an electrostatic field on the rear target
surface accelerating the ions. This TNSA mechanism, occurring in overcritical
plasmas, has been the subject of numerous experimental and theoretical studies. In
opposite, the acceleration of ions in under-dense or near- critical plasmas is at its
early stage [3]. It offers a much better absorption of the laser pulse energy by the
plasma, more efficient electron heating and ion acceleration and would enable a high
repetition rate operation. Experiments on an intense laser pulse interaction with low
density foams motivate our interest in this interaction regime.
We have then performed one dimensional numerical simulations with the Particle-InCell code OCEAN [4]. This code solves simultaneously the Maxwell equations for the
fields and the relativistic motion equations for the plasma.
We consider the interaction of a short laser pulse (500 fs FWHM, λ=1µm, I≈5,5 1018
W.cm-2, a0=2) with a 150 µm homogeneous plasma in which the proton and electron
densities are equal to ne,p=5,6. 1020 cm-3=nc/2 where nc is the critical density. The
plasma absorbs a large part of the laser pulse energy (around 69 %). A large number
of electrons get an energy much larger than a0mec2/2 where a0 is the normalized
laser amplitude. Two populations of energetic protons are generated: one of them is
accelerated via TNSA mechanism on each plasma side. The other one is accelerated
in cavities (holes in electron and ion density that are formed in the interaction) due to
the charge separation. A detailed analysis of the electron heating and ion
acceleration will be presented.
7ème Forum Lasers et Plasma -‐-‐-‐ 14-‐19 Juin 2015 -‐-‐-‐ Ile de Porquerolles [1] B. M. Hegelich et al. arXiv:1310.8650 (2013)
[2] S. C. Wilks et al. Physics of Plasmas 8, 542 (2001)
[3] A. Macchi Rev. Mod. Phys. 85, 751 (2013)
[4] R. Nuter and V. Tikhonchuk Phys. Rev. E 87, 043109 (2013)
7ème Forum Lasers et Plasma -‐-‐-‐ 14-‐19 Juin 2015 -‐-‐-‐ Ile de Porquerolles Streaming instability in astrophysical environments
Loïc NICOLAS, Roch SMETS, Andrea CIARDI
LPP, UPMC Univ. Paris 06, École polytechnique, CNRS, Observatoire de Paris, F75005, Paris, France LERMA, Observatoire de Paris, PSL Research University,
CNRS, Sorbonne Universités, UPMC Univ. Paris 06, F-75005, Paris, France
Energetic ions propagating in a magnetized background drive magnetosonic waves
unstable. The enhanced wave activity slows down the beam, transferring energy to
the background plasma ([Wang and Lin, 2003]). This instability is common in many
astrophysical environments such as the reflected ions in the Earth bow shock
([Winske and Leroy, 1984]) or cosmic rays streaming in the interstellar medium. In
addition, the ability of generating strong (up to 40T) steady-state magnetic fields in
a laser environment opens the possibility of studying this instability in a laboratory.
Using the hybrid code (ions macroparticles, electrons fluid) Heckle ([Smets et al.,
2012]), we study the instability for a range of plasma parameters and present an
overview of the analytical and numerical results relevant to both space plasmas and
laser experiments.
We can then study the characteristics of the modes generated that are given by the
theory ([Gary, 1991]), as the dispersion relation of the waves, or the energy transfer
from the beam to the background plasma.
Figure 1: Time evolution of the perturbation profile for a fast tenuous beam.
7ème Forum Lasers et Plasma -‐-‐-‐ 14-‐19 Juin 2015 -‐-‐-‐ Ile de Porquerolles References
[Gary, 1991] Gary, S. P. (1991). Electromagnetic ion/ion instabilities and their consequences in space
plasmas - A review. Space Science Reviews, 56:373–415.
[Smets et al., 2012] Smets, R., Belmont, G., and Aunai, N. (2012). Electric and magnetic contributions
to spatial diffusion in collisionless plasmas. Physics of Plasmas, 19(10):102309.
[Wang and Lin, 2003] Wang, X. Y. and Lin, Y. (2003). Generation of nonlinear Alfvén and
magnetosonic waves by beam-plasma interaction. Physics of Plasmas, 10:3528–3538.
[Winske and Leroy, 1984] Winske, D. and Leroy, M. M. (1984). Diffuse ions produced by
electromagnetic ion beam instabilities. Journal of Geophysics Research, 89:2673–2688.
7ème Forum Lasers et Plasma -‐-‐-‐ 14-‐19 Juin 2015 -‐-‐-‐ Ile de Porquerolles Modélisation de l’effet Stark dans le code d’opacité SCO-RCG
J.-C. Pain et F. Gilleron
D. Gilles
CEA, DSM, IRFU, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
Dans un plasma, un ion peut subir localement un champ électrique important dû aux
électrons libres et aux ions voisins. L'élargissement des raies résultant de l'effet
Stark peut être utilisé comme moyen de diagnostic de la densité et de la température
du plasma, notamment en fusion par confinement inertiel. Nous présentons ici un
développement récent du code d’opacité détaillé SCO-RCG [1] pour la spectroscopie
de couche K (ions hydrogénoïdes et héliumoïdes). Dans cette approche, adaptée du
travail de Gilles et Peyrusse [2], les ions sont traités à l’approximation quasi-statique
et les électrons à l'approximation des impacts. En négligeant les termes non
diagonaux des opérateurs dipolaire et de collision, le profil d'une raie se décompose
en une somme de Lorentziennes associées aux différentes composantes Stark. Les
raies Lyα,β,γ,… sont obtenues à partir de la description des ions hydrogénoïdes en
coordonnées paraboliques [3,4] en symétrie SO(4). La structure fine relativiste de la
raie Lyα est prise en compte en diagonalisant le hamiltonien associé aux états
quantiques de même valeur du nombre quantique principal. Pour les raies des ions
He-like, le mélange singulet-triplet est négligé, et chaque état est décrit par une
fonction d’onde approchée à deux électrons utilisant des fonctions hydrogéniques [3].
Cette approximation est correcte pour des ions fortement chargés lorsque
l’interaction électron-noyau est plus importante que la répulsion Coulombienne
électron-électron. Nous avons étudié l'influence de la distribution de micro-champs
sur le profil Stark, en mettant en œuvre différentes approches dans SCO-RCG.
Certaines de ces distributions sont paramétrées par la constante de couplage
ionique et la constante d’écran électronique, obtenues par exemple à partir de
simulations Monte Carlo [5] ou reposant sur l’association de la méthode APEX
(Adjustable Parameter EXponential) [6] et d’une approche HNC (HyperNetted Chain)
variationnelle [7]. Le code permet en outre d’étudier l’effet du découplage Te / Ti ou le
rôle des raies satellites (comme les raies Li-like 1snℓnℓ’ → 1s2nℓ). Nous
comparerons également les largeurs des profils Stark ainsi obtenu avec des
méthodes analytiques plus simples et largement répandues.
[1] J.-C. Pain, F. Gilleron and T. Blenski, Laser. Part. Beams, in press (2015).
[2] D. Gilles and O. Peyrusse, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 53, 647 (1995).
[3] H.A. Bethe and E.E. Salpeter, Quantum Mechanics of one- and two- electron atoms (SpringerVerlag, Berlin, 1957).
[4] G.F. Torres del Castillo and E. Navarro Morales, Rev. Mex. Fis. 54, 454 (2008).
[5] A.Y. Potekhin, G. Chabrier and D. Gilles, Phys. Rev. E 65, 036412 (2002).
[6] C.A. Iglesias, J.L. Lebowitz and D. MacGowan, Phys. Rev. A 28, 1667 (1983).
[7] S. Laulan, C. Blancard and G. Faussurier, High Energy Density Phys. 4, 131 (2008).
7ème Forum Lasers et Plasma -‐-‐-‐ 14-‐19 Juin 2015 -‐-‐-‐ Ile de Porquerolles Influence du contraste de la lame de phase sur le lissage par
dispersion spectrale
D. Penninckx1, A. Chatagnier1,2, A. Bourgeade1, E. D’Humières2, P. Loiseau3 1
CEA CESTA, 15 av. des Sablères, CS60001, 33116 Le Barp Cedex, France 2
CELIA, Université de Bordeaux, CNRS, CEA, UMR 5107,
351 cours de la Libération, F33405 Talence, Cedex, France
3 CEA DAM DIF, Bruyères-le-Châtel, F-91297 Arpajon Cedex, France
Nous mettons en exergue un degré de liberté du lissage par dispersion spectrale jusqu’ici
inexploré : le contraste sur cible à la longueur d’onde centrale dû à la lame de phase. En effet,
la lame de phase permet de mettre en forme la tache focale, c’est-à̀ -dire de figer la forme
globale de la tache focale. Cependant, à petite échelle, la tache focale est composée
de multiples grains plus ou moins chauds : c’est une figure de tavelure. A la longueur
d’onde centrale, le contraste spatial est en général proche de 1. Les grains sont
déplacés à grande vitesse grâce au lissage par dispersion spectrale en élargissant le
spectre par modulation de phase.
En théorie cependant, on peut choisir un contraste plus faible [1], pouvant même
tendre vers 0. Nous étudions l’influence de ce paramètre sur la « qualité » du lissage.
Nous exhibons un exemple particulièrement significatif de l’influence de ce paramètre
dans le cas du lissage par dispersion spectrale transverse, montrant que l’on pourrait
réduire très notablement la largeur spectrale pour une même « qualité » de lissage.
Cependant, en pratique, de nombreuses questions se posent allant de la réalisation
de différents contrastes à l’influence des propriétés statistiques sur la propagation
dans les plasmas en passant par l’étude précise des propriétés statistiques pour
différentes configurations.
Contraste instantané (trait plein) et contraste minimal (pointillés) après une période de modulation
dans le cas d’un lissage par dispersion spectrale transverse pour différents contrastes de lame de
phase C351. Avec C351=0,53 on obtient le même contraste minimal avec m=3 que pour m=15 dans le
cas d’une lame de phase classique (C351=1).
[1] : R. Epstein and S. Skupsky, JAP, Vol. 68, n°3, pp. 924-931, 08/1990 et S. Skupsky and T. J.
Kessler, JAP, Vol. 74, n°7, pp. 4310-4316, 08/1990.
7ème Forum Lasers et Plasma -‐-‐-‐ 14-‐19 Juin 2015 -‐-‐-‐ Ile de Porquerolles Simple Scalings for Different Regimes of Electron Acceleration in
Surface Plasma Waves
C. Riconda1, M. Raynaud2, A. Héron3, M.Grech1, T.Vialis1
1
LULI Sorbonne Université, UPMC, LULI, CNRS, CEA, 75252 Paris, France
2
LSI, CNRS, CEA-DSM-IRAMIS, EP, UPSay, 91128 Palaiseau, France
3
CPhT EP, CNRS, 91128 Palaiseau, France
Surface plasma wave excitation on solid grating target enhances drastically the laser
absorption in ultra-high intensity interaction regime (Iλ2>1018 Wcm-2 µm2) and
generates large currents of relativistic electrons [1-2].
Motivated by this results different electron acceleration regimes in the evanescent
field of a surface plasma wave are studied by considering the interaction of a test
electron with the high frequency field of a surface wave. The non relativistic and
relativistic limits are investigated. Simple scalings are found that show the possibility
of efficient conversion of surface wave field energy into electrons kinetic energy.
This mechanism of electron acceleration can provide a high frequency pulsed source
of relativistic electrons with well defined energy. The most energetic electrons in the
relativistic limit are obtained in the so called electromagnetic regime for surface
waves. In this regime the particles are mainly accelerated parallel to the plasmavacuum interface to velocities larger than the wave phase velocity
[1] M. Raynaud, J. Kupersztych, C. Riconda, J-C Adam and A. Héron, Phys. Plasma
14 (2007) 92702.
[2] A. Bigongiari, M. Raynaud, C. Riconda and A. Héron, Phys. Plasma 20 (2013)
052701.
7ème Forum Lasers et Plasma -‐-‐-‐ 14-‐19 Juin 2015 -‐-‐-‐ Ile de Porquerolles Analytical model of Weibel-mediated electron-ion collisionless
shock formation
C. Ruyer1,2, L. Gremillet1, G. Bonnaud3, C. Riconda4
1
2
LULI, Ecole Polytechnique-CNRS-CEA-UPMC, 91128 Palaiseau, France
3
CEA, Saclay, INSTN, F-91191 Gif-sur-Yvette, France
4
LULI, Sorbonne Universités-UPMC-Ecole Polytechnique-CNRS-CEA, 75005 Paris,
France
We address the formation and propagation of ion-electron non-relativistic
collisionless shocks in the non-relativistic regime. The shocks formed by the nonlinear evolution of the Weibel-type instabilities, possibly arise during plasma collisions
in numerous high-energy astrophysical scenario such as pulsar wind nebulae or
supernova remnants [1-3].
For the first time, a predictive fully analytical model of the ion-ion Weibelfilamentation saturation based on the coalescence dynamics of filaments is
presented and allows to describe the evolution of the plasma and its characteristics
until shock-formation [4,5]. It is compared successfully to Weibel-mediated shock
numerical results (large scale particle-in-cell simulations) until quasi-isotropisation of
the ions, and close to shock formation. Our model compares well with two different
recent experiments [6,7] and allows us to pinpoint the role of the electron screening
on the ion-Weibel dynamics.
Our theoretical results, supported by both experiments and simulations, prove
unequivocally and for the first time the effect of an artificially low ion to electron mass
ratio on the formation of collisionless shocks commonly used in many numerical
works.
References
1. T. N. Kato and H. Takabe, Astrophys. J. Lett. 681 (2008)
2. M. A. Malkov and L. O’C Drury, Rep. Prog. Phys. 64 (2001)
3. T. Piran, Rev. Mod. Phys. 76 (2004)
4. C. Ruyer, L. Gremillet et. al., Phys. Plasmas 22 (2015)
5. C. Ruyer, L. Gremillet et. al., in prep.
6. W. Fox, G. Fiksel et al., Phys. Rev. Lett. 111 (2013)
7. C. M. Huntington, F. Fiuza et al., Nature Physics 11 (2015)
7ème Forum Lasers et Plasma -‐-‐-‐ 14-‐19 Juin 2015 -‐-‐-‐ Ile de Porquerolles ERTIGO: Combined experimental and theoretical study of the ultrafast ultra-Intense laser-absorption mechanism on hydrogen and
boron enriched nanoparticles in solution for applications in nuclear
fusion reactions
Antonin Soleilhac,a Manoj Kumar Bhuyan,b Elodie Bourgeat-Lami,c Emmanuel
Lacôte,c Tatiana Itina,b Jean-Eric Ducret,d Razvan Stoian,b Rodolphe Antoinea
a
Institut Lumière Matière, UMR 5306 Université Claude Bernard Lyon1 - CNRS.
Laboratoire Hubert Curien, UMR 5516 Université jean Monnet Saint Etienne - CNRS
c
Chimie, Catalyse, polymères et procédés, UMR 5265 Université Claude Bernard
Lyon1 - Ecole Supérieure de Chimie Physique Electronique de Lyon - CNRS
d
Centre Lasers Intenses et Applications, UMR 5107 Université de Bordeaux - CEA CNRS
b
Durant les 20 dernières années, l’étude grandissante de l’interaction lasers à
impulsion ultra-courte avec des agrégats atomiques a permis de développer une
physique nouvelle. En particulier, l’observation de réactions de fusion nucléaire
induites par laser sur des objets nanométriques a pu être mise en évidence par
Ditmire et al. en 1999. Dans le travail présenté ici, un important effort de
collaboration entre chimistes spécialisés dans la synthèse de polymères
fonctionnalisés et physiciens (physique expérimentale, physique théorique et
physique des lasers intenses) a été réalisé pour pouvoir permettre l’étude de
l’interaction entre un faisceau laser ultra-intense avec des nano-objets enrichies en
hydrogène et en bore, dessinés pour favoriser la réaction de fusion nucléaire induite
par laser et dispersés en solution.
Afin de produire des nanoparticules en milieu contrôlé (phase gazeuse), deux
approches ont été proposées. A Saint-Etienne, nous avons proposé de développer
un système utilisant deux impulsions lasers synchronisées temporellement pour (i) à
l’aide du premier pulse, induire la formation d’une bulle micrométrique dans une
solution riche en nanoparticules afin de générer ces objets en « phase vapeur » ; (ii)
induire des explosions coulombiennes, à l’aide de la deuxième impulsion, de ces
nanoparticules, précurseurs de réactions par fusion nucléaire. Une compréhension
précise approfondie au Laboratoire Hubert Curien de Saint Etienne des mécanismes
d’absorption suivant la première impulsion laser permettra d’obtenir un aperçu des
paramètres clés nécessaires pour une réaction de fusion efficace, c’est pourquoi
l’étude de des aspects dynamiques et thermodynamiques de ce système complexe
« pré-pulse ultra-intense » est important. La localisation et la dynamique des
nanoparticules lors de la formation de la bulle micrométrique par cavitation sont alors
examinées par microscopie résolue en temps (contraste de phase et en
transmission).
L’approche menée en parallèle, développée en collaboration avec le CELIA de
Bordeaux est également poursuivie ; l’interaction laser-nanoparticule se fera alors
par l’intermédiaire d’une source aérosol de nanoparticules caractérisée par
méthodes optiques. Il sera alors possible d’obtenir les intensités lasers nécessaires
pour induire des réactions de fusion nucléaire.
7ème Forum Lasers et Plasma -‐-‐-‐ 14-‐19 Juin 2015 -‐-‐-‐ Ile de Porquerolles 0 ns
0.25 ns
0.5 ns
1.0 ns
1.5 ns
17.5 ns
180 µm
Figure 2: Images obtenues par microscopie en transmission optique de la formation d'une bulle
micrométrique dans l'eau générée par nano-cavitation induite par laser ultra-intense à différents
temps. Le faisceau laser utilisé est un faisceau de Bessel (E = 9 µJ/pulse, FWHM = 90 fs)
7ème Forum Lasers et Plasma -‐-‐-‐ 14-‐19 Juin 2015 -‐-‐-‐ Ile de Porquerolles Simulation expérimentale des chocs d’accrétion :
dimensionnement MégaJoule de l’expérience POLAR
L. Van Box Som1,2,3, E. Falize1,3, C. Busschaert1, S. Liberatore1, J. M. BonnetBidaud3, R. Yurchak4, M. Koenig3, N. Charpentier1, A. Casner1, C. Michaut5, M.
Mouchet5, A. Ciardi2
1
CEA-DAM-DIF, F-91297, Arpajon, France
LERMA, Observatoire de Paris, Université de Pierre et Marie Curie, Ecole Normale
Supérieure, UMR 8112 CNRS, 5 place Jules Janssen, 92195 Meudon, France
3
CEA, Irfu, Service d’Astrophysique, Centre de Saclay, 91991 Gif-sur-Yvette, France
4
LULI, Ecole Polytechnique, CNRS, CEA, UPMC, route de Saclay, 91128 Palaiseau,
France
5
LUTH, Observatoire de Paris, CNRS, Université Paris-Diderot, 92190 Meudon,
France
2
Les variables cataclysmiques sont des systèmes binaires en interaction où
l’objet accrétant est une naine blanche possédant un champ magnétique intense [1].
Le rayonnement de hautes énergies qui est émis par ces objets provient d’une zone
proche de la photosphère de la naine blanche qui possède une extension spatiale
relativement petite (de l’ordre de 100-1000 km) la rendant inaccessible à des
observations directes et compliquant sa caractérisation physique.
Dans le modèle standard actuel de colonne, le transfert radiatif et l’interaction
entre le plasma accrété et la photosphère de la naine blanche sont extrêmement
simplifiés [2]. Même si ce modèle permet d’interpréter de nombreuses propriétés
observationnelles des polars, il ne permet pas d’interpréter clairement les
phénomènes instationnaires observés dans les courbes de lumière [3] (le problème
dit des QPOs (Quasi-Periodic Oscillations)) ou encore de rendre compte du bilan
global d’énergie du rayonnement émis [4] (la problématique de la sur-émission Xmous).
Dans le but d’améliorer la modélisation du transfert radiatif dans la colonne
d’accrétion nous proposons d’exploiter des expériences lasers [5,6]. Seules les
installations de type Megajoules (LMJ, NIF) seront capables de délivrer suffisamment
d’énergie pour pouvoir produire un régime physique représentatif du régime
astrophysique.
Dans ce poster nous présentons le premier dimensionnement de l’expérience
POLAR adapté à une installation Mégajoule.
Références
[1] Wu K., Space Sci. Rev., 93, 611 (2000)
[2] Busschaert C. et al., Astron. Astrophys. (2015) accepté
[3] Bonnet-Bidaud J. M. et al., Astron. Astrophys. (2015) accepté
[4] Ramsay G. & Cropper M., Mon. Not. R. Astron. Soc., 347, 497 (2004)
[5] Falize E. et al., High Energy Dens. Phys., 8, 1 (2012)
[6] Busschaert C. et al., New Journal Phys., 15, 035020 (2013)

le programme avec abstracts

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