Experimental studies of high-energy-density magnetized plasmas
Authors: Βλάχος Χρήστος 
Published: February 2025

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