[논문 리뷰] Laser-driven platform for generation and characterization of strong quasi-static magnetic fields

J. J. Santos, M. Bailly-Grandvaux외 32명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 01.

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 강력한 500 J, 1 ns 레이저 펄스를 사용하여 콘덴서-코ils 타겟에서 800 T에 이르는 준정적 자기장이 생성되는 레이저 구동 플랫폼을 보여준다. B-dot 프로브, 패러데이 회전, 프로톤 굴절 측정 기법을 포함한 세 가지 독립적 진단 수단을 통해 재현 가능하고 잘 특성화된 자기장을 확보하였으며, 레이저 에너지에서 자기장 에너지로의 변환 효율이 최대 8.3%에 이르렀다. 이는 고에너지 밀도 자기장 연구를 위한 작고, 전적으로 광학 기반의 방법을 확립한다.

ABSTRACT

Quasi-static magnetic-fields up to $800\,$T are generated in the interaction of intense laser pulses ($500\,$J, $1\,$ns, $10^{17}\,$W/cm$^2$) with capacitor-coil targets of different materials. The reproducible magnetic-field peak and rise-time, consistent with the laser pulse duration, were accurately inferred from measurements with GHz-bandwidth inductor pickup coils (B-dot probes). Results from Faraday rotation of polarized optical laser light and deflectometry of energetic proton beams are consistent with the B-dot probe measurements at the early stages of the target charging, up to $t\approx 0.35\,$ns, and then are disturbed by radiation and plasma effects. The field has a dipole-like distribution over a characteristic volume of $1\,$mm$^3$, which is coherent with theoretical expectations. These results demonstrate a very efficient conversion of the laser energy into magnetic fields, thus establishing a robust laser-driven platform for reproducible, well characterized, generation of quasi-static magnetic fields at the kT-level, as well as for magnetization and accurate probing of high-energy-density samples driven by secondary powerful laser or particle beams.

연구 동기 및 목표

• 레이저 구동 콘덴서-코ils 타겟을 사용하여 kT 범위의 강력하고 준정적 자기장을 생성하기 위한 작고, 전적으로 광학 기반의 플랫폼을 개발한다.
• 다양한 독립적 진단 수단을 활용하여 이러한 자기장의 시간적 변화, 공간 분포 및 최대 강도를 정확히 특성화한다.
• 레이저 펄스에서 자기장으로의 에너지 변환 효율을 조사하고, 자료에 따라 자기장 생성에 차이가 나는지 평가한다.
• 제어 가능하고 접근 가능한 기하학적 구조에서 보조 레이저 또는 입자 비임을 사용하여 고에너지 밀도 샘플의 자화 및 탐측을 가능하게 한다.
• 이전 보고서의 모순을 해결하기 위해 다수의 상호보완적 기법으로 자기장 측정을 검증하고, 플라즈마 및 복사 효과를 보정한다.

제안 방법

• 500 J, 1 ns, 10^17 W/cm² 레이저 펄스를 콘덴서-코ils 타겟(Cu, Ni, Al)에 조사하여 강력한 표면 전류를 유도하고 준정적 자기장을 생성한다.
• GHz 대역폭의 B-dot 프로브를 사용하여 나노초 시간 해상도로 자기장 상승 시간과 최대 강도를 측정한다.
• 안전한 거리(수 mm)에 놓인 이방성 결정에서 투과하는 편광 레이저 빛의 패러데이 회전을 측정하여 자기장 강도를 측정하며, 결정 반응 및 복사 효과에 대한 보정을 수행한다.
• TNSA 프로톤 빔을 사용한 프로톤 굴절 측정 기법을 적용하여 굴절 각도를 통해 자기장 강도를 유추하고, 전기적 잠재력 효과에 대한 보정을 수행한다.
• 코일 기하학 및 전류 루프의 자석 정적 시뮬레이션을 통해 먼 거리에서의 측정값을 코일 중심의 자기장 값으로 외삽한다.
• 모든 세 진단 수단(B-dot, 패러데이, 프로톤) 간의 상호검증을 통해 일관성을 확보하고, 약 0.35 ns 이후 플라즈마 및 복사 효과로 인한 한계를 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레이저 구동 콘덴서-코ils 타겟을 통해 도달 가능한 최대 준정적 자기장 강도는 얼마이며, 자기장 생성은 얼마나 재현 가능한가?
• RQ2 다른 타겟 재료(Cu, Ni, Al)는 최대 자기장 강도와 에너지 변환 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 플라즈마 및 복사 효과가 시간이 지남에 따라 자기장 측정을 얼마나 오염시키는가, 특히 0.35 ns 이후로는 어떠한가?
• RQ4 B-dot, 패러데이 회전, 프로톤 굴절 측정 기법 등 다수의 독립적 진단 수단이 타겟 충전 초기 단계에서 일관된 자기장 측정을 제공할 수 있는가?
• RQ5 자기장의 공간적 및 시간적 변화는 어떠한가? 1 mm³ 부피에서 디폴 유사 자기장에 대한 이론적 기대와 비교해보면 어떠한가?

주요 결과

• 레이저 구동 콘덴서-코ils 타겟은 1 ns 레이저 펄스와 일치하는 상승 시간과 지속 시간을 갖는 최대 800 T의 준정적 자기장을 생성한다.
• B-dot 프로브는 GHz 대역폭을 갖추어 재현 가능한 상승 시간과 최대 강도를 확인하였으며, 이는 레이저 펄스 지속 시간과 일치한다.
• 패러데이 회전 및 프로톤 굴절 측정 결과는 약 t ≈ 0.35 ns까지 B-dot 프로브 측정과 일치하지만, 이후 플라즈마 및 복사 효과로 인해 읽기 값이 왜곡된다.
• 자기장은 약 1 mm³의 특성 부피에서 디폴 유사 분포를 보이며, 이는 이론적 자석 정적 모델과 일치한다.
• 구리에서는 에너지 변환 효율이 8.3%, 니켈에서는 4.5%, 알루미늄에서는 0.35%에 이르며, 이는 플라즈마 동역학 및 단락 시간에 의해 영향을 받는 강한 재료 의존성으로 보인다.
• 약 0.4 ns 이후 코일 주변에 음의 전기적 잠재력이 형성되었으며, 이는 전자 자화로 인한 것으로 보이며, 자기장 굴절을 상쇄시키고 시간이 지남에 따라 프로톤 굴절이 감소하게 했다.