[論文レビュー] A cylindrical implosion platform for the study of highly magnetized plasmas at LMJ

G. Pérez-Callejo, C. Vlachos+28 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2022

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、レーザー駆動コイルターゲットを用いて軸方向の磁場種を生成することで、高磁化プラズマを研究するための、レーザー・メガジュール（LMJ）施設におけるレーザー駆動円筒コア収縮プラットフォームを提案する。シミュレーションでは、初期5 Tの磁場が25 kTに圧縮され、電子が磁化され、ホットスポット温度が1 keVから5 keVに上昇し、密度が40 g/cm³から7 g/cm³に低下する。空間分解能のある分光法診断として、二重ドーピング（アルゴンとキrypton）を提案する。

ABSTRACT

Investigating the potential benefits of the use of magnetic fields in Inertial Confinement Fusion (ICF) experiments has given rise to new experimental platforms like the Magnetized Liner Inertial Fusion (MagLIF) approach at the Z-machine (Sandia National Laboratories), or its laser-driven equivalent at OMEGA (Laboratory for Laser Energetics). Implementing these platforms at MJ-scale laser facilities, such as the Laser MegaJoule (LMJ) or the National Ignition Facility (NIF), is crucial to reaching self-sustained nuclear fusion and enlarges the level of magnetization that can be achieved through a higher compression. In this paper, we present a complete design of an experimental platform for magnetized implosions using cylindrical targets at LMJ. A seed magnetic field is generated along the axis of the cylinder using laser-driven coil targets, minimizing debris and increasing diagnostic access compared with pulsed power field generators. We present a comprehensive simulation study of the initial B-field generated with these coil targets, as well as 2-dimensional extended magneto-hydrodynamics (MHD) simulations showing that a 5T initial B-field is compressed up to 25kT during the implosion. Under these circumstances, the electrons become magnetized, which severely modifies the plasma conditions at stagnation. In particular, in the hot spot the electron temperature is increased (from 1keV to 5keV) while the density is reduced (from 40gcc to 7gcc). We discuss how these changes can be diagnosed using X-ray imaging and spectroscopy, and particle diagnostics. We propose the simultaneous use of two dopants in the fuel (Ar and Kr) to act as spectroscopic tracers. We show that this introduces an effective spatial resolution in the plasma which permits an unambiguous observation of the B-field effects. Additionally, we present a plan for future experiments of this kind at LMJ.

研究の動機と目的

• LMJスケールのレーザー施設で利用可能な、スケーラブルで診断に適した、磁化慣性核融合を研究するためのプラットフォームを開発すること。
• パルスパワー方式による磁場生成の限界（破片と遮断された視線）を克服するため、レーザー駆動コイル（LDC）ターゲットを用いること。
• プラズマの圧縮により、より高い磁化レベルを実現し、より高いエネルギースケールでの磁化ICF物理学の探求を可能にすること。
• 空間的分解能を持つ分光診断を可能にするために、二重ドーピング（アルゴンとキrypton）を用いた診断戦略を設計すること。

提案手法

• レーザー駆動コイル（LDC）ターゲットを用いて、破片を最小限に抑え、軸方向の診断アクセスを保持するように、初期の軸方向磁場を生成する。
• 2次元拡張磁気流体力学（MHD）シミュレーションを用いて、収縮ダイナミクスと磁場増幅をモデル化する。
• 初期の5 Tの磁場が収縮中に25 kTに圧縮され、電子の磁化が達成されることをシミュレーションで示す。
• 燃料にアルゴンとキロンを導入することで、空間的分解能を持つ分光的トレーサーとしての役割を果たす。
• X線画像法と分光法を主な診断手段として提案し、温度、密度、磁場効果を測定する。
• プロトンの偏向とゲート付きX線画像法を用いて、磁場強度と空間勾配の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レーザー駆動コイルターゲットは、LMJでの磁化収縮研究に十分な安定した軸方向磁場種を生成できるか？
• RQ2 磁場圧縮が初期磁場をどれほど増幅し、収縮中に電子を磁化するレベルまで引き上げるか？
• RQ3 磁化された電子は、停止状態におけるホットスポットの状態、特に温度と密度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 二重ドーピング（アルゴンとキロン）は、分光診断における空間的分解能を効果的に提供し、磁場効果を明確に分離可能か？
• RQ5 磁場誘発プラズマ変化を測定するにあたり、どの診断構成（X線画像、分光法、粒子ビーム）が最も効果的か？

主な発見

• レーザー駆動コイルターゲットを用いて生成された5 Tの軸方向磁場種が、円筒収縮中に25 kTに圧縮され、電子の磁化が達成された。
• 電子の磁化により、ホットスポット温度が1 keVから5 keVに上昇し、密度が40 g/cm³から7 g/cm³に低下した。
• 二重ドーピング（アルゴンとキロン）を用いることで、分光測定における空間的分解能が効果的に得られ、磁場効果の明確な検出が可能になった。
• X線画像法と分光法が、磁場誘発変化を観測するための実用的診断ツールであることが示された。
• プロトンの偏向診断が提案され、磁場強度と勾配の測定法として妥当性が検証された。
• プラットフォーム設計により破片が最小限に抑えられ、軸方向の視線が保持され、パルスパワー方式と比較して診断へのアクセスが向上した。