Laboratoire pour l’utilisation des lasers intenses Unité Mixte de Recherche n° 7605 CNRS – CEA – Ecole Polytechnique – UPMC

LULI, Ecole Polytechnique, 91128 Palaiseau cedex, France

access.luli@polytechnique.fr – www.luli.polytechnique.fr

LULI Program Committee -

applications for experimental time on the LULI2000/nano2000 (salle 2) laser facility

* 2012/2013 *

 

12‐NS‐E1 lulinano2000001757 

  

APPLICATION to access the LULI laser facilities  

May 2012 – April 2013 

  

Title of the experiment:   Laboratory simulation of magnetic field generation and amplification at protogalactic shock fronts 

 

  Principal Investigator (PI):  Dr Gianluca GREGORI         Clarendon Laboratory, Oxford University, Oxford OX1 3PU, UK         [UNIversity]          g.gregori1@physics.ox.ac.uk          phone: +44 77 56 26 46 58 fax: ‐         status: EXP (experienced researcher)         citizenship: IT      birth date: 20/01/1970  

LULI co‐PI:       Alessandra RAVASIO  Summary: The generation of magnetic field at cosmological shocks associated with the  large scale structure  in the universe far from being understood. A number of mechanisms have been proposed in the literature to generate intergalactic magnetic seeds.  These  include  return  currents,  the  Biermann  battery  effect,  and Weibel  instability  among  others.  Such  seeds  are expected to be amplified (particularly  in the first two scenarios) and reorganized macroscopically to the observed strengths and  coherence  lengths  by  the  effect  of  turbulence.  In  this  experiment we will  continue  investigating  the  generation  of magnetic  field  at  shock  fronts,  a  process  initially  investigated  on  our  2010  LULI  access.  In  our  previous  access, we  have demonstrated the generation of B‐fields at shock front via vorticity. Here we want to focus on the amplification of these fields by means of turbulence, a mechanism evocated to explain the observed cosmic field strengths.  

Number of access weeks requested:  3  on:  LULI2000/salle 2 (nano2000)  Proposed access route:  LASERLAB / standard access  Do you have received any support for this proposal? Yes  from: ERC Starting Grant #256973 COSMOLAB  Keywords:  laboratory astrophysics, cosmic magnetic field  Co‐investigators (not including LULI researchers): 1.   Francesco MINIATI, EXP, ETH Zurich, fm@phys.ethz.ch, IT 2.   Antony BELL, EXP, Oxford University, t.bell1@physics.ox.ac.uk, UK 3.    Dmitri RYUTOV, EXP, Lawrence Livermore National Laboratory, ryutov1@llnl.gov, USA  4.   Bruce REMINGTON, EXP, Lawrence Livermore National Laboratory, remington2@llnl.gov, USA 5.   Hye‐Sook PARK, EXP, Lawrence Livermore National Laboratory, park1@llnl.gov, USA 

Laboratory simulation of magnetic field generation and amplification at protogalactic shock fronts 

  SCIENTIFIC CASE  The advent of high‐power  laser systems  in the past two decades has opened a new  field of research where astrophysical  environments  can  be  scaled  down  to  laboratory  dimensions,  yet  preserving  the  essential physics 1. This  is due to the  invariance of the equations of  ideal magneto‐hydrodynamics MHD) to a class of self‐similar transformations 2. Through such transformations, laboratory experiments can be utilised to study the origins of magnetic fields in the early universe. Although at the beginning of cosmic evolution matter was nearly homogenously distributed,  today, as a  result of gravitational  instability,  it  forms a web‐like structure made of filaments and clusters. Gas continues to accrete supersonically onto these collapsed structures, thus producing high Mach number shocks 3. Indeed, large scale magnetic fields (with strengths from a few nG to a few  μG)  have  been  found  in  galaxy  clusters  and  filaments  as  revealed  by  either  Mpc  wide  diffuse radio‐synchrotron emission there, or Faraday Rotation Measure (RM) experiments 4. Very recent studies have also suggested the existence of magnetic fields in voids 5 with intensity ~0.01‐1 fG.  The presence of magnetic fields  in cosmological plasmas requires a mechanism for their generation. Various scenarios  have  been  proposed  for  this  purpose,  including  Weibel’s  instability  at  shocks 6,  Biermann’s mechanism at cosmic  shocks 7,  return currents due  to galactic cosmic  rays 8, as well as photon drag during reionization 9.  In this experiment we will continue  investigating the generation of magnetic field at shock fronts, a process initially investigated on our 2010 LULI access 10. In our previous access, we have demonstrated the generation of B‐fields at shock front via vorticity. Here we want to focus on the amplification of these fields by means of turbulence, a mechanism evocated to explain the observed cosmic field strengths.  EXPERIMENTAL METHODS  Either one or two frequency‐doubled (527 nm), 1.5 ns‐long  laser beams were focused on the tip of a 500 μm diameter carbon rod (see figure 1), achieving a peak  intensity of 2 1014 W/cm2. The  interaction chamber was filled  with  helium  gas  at  pressure  p~1‐10 mbar.  As  energy  is  impulsively  deposited,  the  sample  initially undergoes  a ballistic expansion until  the  shocked mass  is  roughly equal  to  the ejected mass and  then  the shock transitions to a Sedov‐Taylor blast wave 11. The measurement of the magnetic field was performed with 3‐axis magnetic  induction  coils 12, giving both  the magnetic  field  components along  the  shock normal and perpendicular to  it.  In addition, several optical diagnostics where  fielded  to monitor  the shock properties  in time.  In the experiment, we have attributed the generation of magnetic field by the vorticity  induced by the non‐radial expansion (see figure 1). To corroborate our interpretation we carried out a numerical experiment in which we solve the resistive MHD equations in 2‐dimensions with a baroclinic source term for the magnetic field, and for the initial conditions we use the results from a 1D radiation‐hydrodynamics code to account for non‐uniform laser deposition. Indeed, the MHD simulation shows good agreement with the measured magnetic  fields. Moreover, by applying the scaling  relation between  the  laboratory  and  the  astrophysical  systems, we were  able  to  show  that  curved intergalactic shocks in protogalactic structures, with changing curvature at the level of a few tens of a percent on scales ~1 Mpc can generate magnetic field with values ~10‐21 G. This confirms for the first time in a direct experimental setting, the numerical estimates of Kulsrud et al. 13. While these seed fields are relatively  large, their value still remains significantly below what is observed in galaxy clusters. It is expected that such seeds will be amplified and  reorganized macroscopically  to  the observed  strengths and coherence  lengths by  the effect of turbulence 14. 

1 B.A. Remington et al., Rev. Mod. Phys. 78, 755 (2006) 2 D.D. Ryutov et al., Astrophys. J. 518, 821 (1999); D.D. Ryutov et al., Astrophys. J. 127, S465 (2000) 

3 F. Miniati et al., Astrophys. J. 542, 608 (2000) 4 C.L. Carilli and G.B. Taylor, Annu. Rev. Astron. Astrophys. 40, 319 (2002); E. Clarke et al., Astrophys. J. 547, L111 (2001) 

5 A. Neronov and I. Vovk, Science 328, 73 (2010) 

6 R. Schlickeiser and P.K. Shukla, Astrophys. J 599, L60 (2003); M.V. Medvedev et al., JKAS 37, 533 (2004) 

7 R.M. Kulsrud et al., Astrophys. J. 480, 481 (1997); N.Y. Gnedin et al., Astrophys. J. 539, 505 (2000) 8 F. Miniati and A. R. Bell, Astrophys. J 729, 73 (2011) 

9 M. Langer et al., Astron. Astrophys. 443, 367 (2005) 

10 G. Gregori et al., submitted to Nature 

11 e.g. J.F. Hansen et al., Astrophys. Space Sc. 298, 61 (2005); J.F. Hansen et al., Phys. Plasmas 13, 022105 (2006) 

12 E. Everson et al., Rev. Sci. Instrum. 80, 113505 (2009) 

13 R.M. Kulsrud et al., Astrophys. J, 480, 481 (1997) 

14 E.N. Parker, Astrophys. J. 122, 293 (1955); D. Ryu et al., Science 320, 909 (2008) 

 

Figure 1: (left) Schlieren image of the asymmetric shock wave; (center) measured magnetic field values; (right) results from the resistive MHD simulation and inferred magnetic field. 

 In the proposed experiment we aim at  investigating the amplification of baroclinic seeds via turbulence. We envision this will be possible by placing a non‐conductive grid array in front of the shock 15, which simulates an in‐homogenous intergalactic medium at a specific scale, and then measure the corresponding magnetic field. Comparisons with  a without  the  presence  of  the  grid,  as well  as  different  grid  sizes will  allow  us  to  fully characterize the effect of turbulence in amplifying the magnetic field. 

 

Figure 2: schematic of the proposed experimental set‐up; optical diagnostics are used to measure the shock properties while induction coils and electron radiography are employed for B‐field measurements; a grid array 

in front of the shock will create turbulence for field amplification.  Diagnostics Two sets of diagnostics will be  implemented  in order to both characterize the shock wave and measure the magnetic field strength and dynamics. A first set of optical diagnostics will include optical interferometry, shadowgraphy, Thomson scattering as well as  time  resolve  self‐emission.  In  this way, we  access  to  a  large  ensemble of parameters  (electron density, electron and ion temperature, morphology, propagation velocity, etc) which well characterizes our system, as attested in our previous experiment 10. Three‐axe compact magnetic induction coils will be used to obtain the magnetic field time evolution at a given position. Moreover, an electron gun was recently developed at LULI. A frequency tripled (or quadrupled) laser beam  is  focused over a photocathode; and  the generated photoelectrons are extracted  though a grid and accelerated to Ep =40‐60 kV. These  low energy electrons can be easily deflected by the generated magnetic 

15 G. Comte‐Bellot and S. Corrsin, J. Fluid Mech. 25, 657 (1966) 

fields, thus providing an excellent method to  image the spatial correlations of the field distribution – using a technique already applied  in the  laser community with MeV protons 16. Finally – Faraday rotation  in the THz regime will be used to get  insight on field structure. We have recently purchase a quantum cascade  laser at ~1 THz to perform Faraday rotation experiments in ~1‐10 mbar pressures where long wavelengths are required in order to have enough rotation of the polarization.  SHOT PLAN  Shock generation : nano2000, 2 beams at 1 kJ, 2 ns, double frequency, Ilas ~ 10

15 W/cm2 Electron gun drive: UV mJ/ns beam, third harmonic, with variable delay at t=0‐100 ns TS beam: probe (1ω or 2ω) J/ns beam, second harmonic, with variable delay at t=0‐100 ns Faraday Rotation: THz laser supplied by the Oxford University Bdot coils: provided by the Oxford University  EXPERTISE OF THE EXPERIMENTAL CONSORTIUM  Our team has an impressive and internationally leading track‐record in the exploitation of laser‐plasma‐based research  in  laboratory  astrophysics,  simulations  of  magnetic  fields  dynamics  as  well  as  cosmological simulations of the large scale structures in the Universe. The work the PI and co‐PI's has resulted in numerous high‐quality  publications.  The  research  proposed  has  a  large  scientific  impact  and  could  lead  to  the understanding of fundamental processes relevant for a  large range of  issues spanning from the evolution of structure  in the Universe to high‐energy astrophysics. These will have a broad  impact on the general public well beyond the laser‐plasma community.  Experimental team: G. Gregori, J. Meinecke, C. Murphy, A. Ravasio, A. Pelka, R. Yurchak A. Benuzzi‐Mounaix, J.R. Marques, M. Koenig, H‐S. Park Theoretical support: R. Bell, F. Miniati, D. Ryutov, B. Remington Numerical support: M. Fatenejad, D. Lamb  PREVIOUS ACCESS  10‐NS‐E1  (August/September 2010; PI: G. Gregori): Generation of  cosmological magnetic  fields  in  laboratory experiments 10 11‐NS‐E1 (November 2011; PI: G. Gregori): Magnetic field generation by return currents and their non‐resonant amplification in cosmological environments 

16 L. Romagnani et al., Phys. Rev. Lett. 101, 025004 (2008) 

12‐NS‐F1 

  

 

APPLICATION to access the LULI laser facilities  

May 2012 – April 2013 

  

Title of the experiment:   Detailed study of corona plasma flow in the context of collisionless experiments on NIF 

 

  Principal Investigator (PI):  Dr Tommaso VINCI         LULI         [public RESearch organisation]          tommaso.vinci@polytechnique.edu          phone: +33 1 69 33 54 27  fax: +33 1 69 33 54 82         status: EXP (experienced researcher)         citizenship: IT      birth date: 13/12/1977  

LULI co‐PI:       ‐  Summary: A set of experiments on Omega, Omega EP followed by a NIF one  is scheduled  in the next few years within the context of collisionless shock  in astrophysics. These experiments gather a  large set of  institutions (LLNL, LLE,  ILE, LULI, U. Oxford, U. Michigan, U. Zurich …) and scientists (more than 30)  in a group named ACSEL (Astrophysical Collisionless Shock Experiments with Lasers). The main objective of this proposal on the LULI2000  laser  is therefore to  investigate  in the most complete  way  the  plasma  flow  generated  by  a  high  energy  and  intensity  (up  to  2‐3  1015  W/cm2  laser  to  benchmark radiative‐hydrodynamic  codes  (including  Equation  of  state,  opacities  and  radiation  transport).  The  key  point  of  this experiment  is  to  cross  check  relevant  parameters  such  as  temperature,  electron  and  ion  densities  using many  different diagnostics. In summary the parameters we will measure are: (i) time‐resolved electron density, (ii) 2D shape, (iii) expansion velocity, (iv) ion and electron temperature both of the corona and the low density plume, (v) pressure achieved and (vi) laser energy deposited on target. These experiments at LULI will dramatically expand our understanding of the complex plasma physics involved in the corona expansion, and will have a significant impact on the design of the future experiments on Omega and NIF.  

Number of access weeks requested:  3  on:  LULI2000/salle 2 (nano2000)  Note:  This  experiment  shares most  of  the  diagnostics  with  the  experiment  “Time‐resolved  and  time‐integrated  L‐shell spectroscopy of well‐characterized mid‐Z plasmas”. If both experiments are allowed, the first week of setup could be shared.  Proposed access route:  standard access  Do you have received any support for this proposal? No  Keywords:  laser‐plasma interaction, collisionless shock  Co‐investigators (not including LULI researchers): 1. Gianluca GREGORI, EXP, Oxford University, g.gregori1@physics.ox.ac.uk,  IT 2.  J. MEINECKE, PhD, Oxford University, USA 3. C. MURPHY, PDOC, Oxford University, UK 4. B. REVILLE, PDOC, Oxford University, Ireland 5. Youichi SAKAWA, EXP, ILE, sakawa‐y@ile.osaka‐u.ac.jp, JP 6. Yasuhiro KURAMITSU, EXP, ILE, kuramitsu‐y@ile.osaka‐u.ac.jp, JP 7. T. MORITA, PDOC, ILE, morita‐t@ile.osaka‐u.ac.jp, JP 8. Paul DRAKE, EXP, University of Michigan, rpdrake@umich.edu, USA

Detailed study of corona plasma flow in the context of collisionless experiments on NIF   SCIENTIFIC CASE  A set of experiments on OMEGA, OMEGA EP followed by a NIF one is scheduled in the next few years within the context of collisionless shock in astrophysics. The OMEGA experiments are focusing on both collisionless shock  interactions  in  non‐magnetized mediums  (PI: H.‐S.  Park)  and  pre‐magnetized  ambient  plasmas  (PI: A. Spitkovski). The NIF experiments (PI: Gregori/Sakawa) concern with the self‐generation of magnetic fields driven by the Weibel  instability 1. These experiments gather a  large set of  institutions (LLNL, LLE,  ILE, LULI, U. Oxford, U. Michigan, U. Zurich …) and scientists  (more  than 30)  in a group named ACSEL  (Astrophysical Collisionless  Shock  Experiments with  Lasers).  These  experiments  propose  to  study  the  dynamics  of  high velocity plasma  flows  relevant  to astrophysical collisionless shocks. There are many natural observations of collisionless shocks or the effects they cause, such as acceleration of cosmic rays, supernova remnant shocks, shocks produced by the solar winds, and bow shocks produced by protostellar jets. A collisionless shock occurs when the shock transition occurs on a length scale much smaller than a (Coulomb) collisional mean free path length 2. Because of the low density of astrophysical plasmas, the mean free path due to Coulomb collisions is typically very  large. Therefore, most shock waves  in astrophysics are “collisionless” and form, due to plasma instabilities,  and  self‐generated magnetic  fields. Laser driven  experiments  at OMEGA  and EP  are  ideal  for creating  such  an  extreme  environment  of  ~1000  km/s  plasmas with  ion  density  of  ~1018  ‐  1019  cm‐3  in  a controlled fashion. Through scaling relations 3, these parameters can be related to astrophysical environments. There  have  been  initial  attempts  on  smaller‐scale  laser  facilities  to  look  for  collisionless  shocks 4.  These collisionless  shock  conditions  are  supposed  to  be  generated  by  the  collision  of  two  counterpropagating high‐velocity plasma flows resulting from laser ablation of solid targets. Some data were already obtained on Omega  facility but have shown discrepancies between 2D simulations of the plasma  flow and experimental results (figure 1). 

 Figure 1: comparison of the evolution of the electron density (left) and temperature (right) given 

by DUED for different intensities and OMEGA data (dots).  The main objective of this proposal on the LULI2000 laser is therefore to investigate in the most complete way the  plasma  flow  generated  by  a  high  energy  and  intensity  (up  to  2‐3  1015 W/cm2)  laser  to  benchmark radiative‐hydrodynamic  codes  (including  equation  of  state,  opacities  and  radiation  transport).  This will  be done  on  the  present  material  used  on  OMEGA  experiments  (CH)  but  also  following  future  tests  on  C (diamond) that will be performed next FY on OMEGA. Indeed due to observed discrepancies, there is a crucial need to solve the issues of in order to get the final design of the NIF experiment. We would  like  to stress  that  the key point of  this experiment  is  to cross check  relevant parameters such as temperature, electron and ion densities using many different diagnostics. This will be done within the ACSEL group. These  experiments  at  LULI  will  dramatically  expand  our  understanding  of  the  complex  plasma  physics involved in the corona expansion, and will have a significant impact on the design of the future experiments on OMEGA and NIF.  

1   T.N. Kato and H. Takabe, Astophys. J. Lett., 681, L93 (2008) 2  R.Z.  Sagdeev  and  C.F.  Kennel,  Sci. Am.  262,  106  (1991);  C.F. McKee  and  B.T. Draine,  Science,  252,  397  (1991);  S.S. Moiseev  and R.Z. Sagdeev, Plasma Phys., 5, 43 (1963) 

3  D.D. Ryutov et al., Astrophys. J., 518, 821 (1999);  D.D. Ryutov et al., Astrophys. J., 127, S465 (2000); E.  Falize et al., Astrophys. J. 730, 96 (2011) 

4  H. Takabe et al., Plasma Phys. Control. Fusion, 50, 124057 (2008); W.D. Zheng et al., Chinese J. Comput. Phys. 25, 36 (2008); A.R. Bell et al., Phys. Rev. A 38, 1363  (1988); T. Morita et al., Phys. Plasmas, 17, 122702  (2010); Y. Kuramitsu et al., Phys. Rev. Lett., 106, 175002 (2011) 

EXPERIMENTAL SETUP  The experiment will focus the two ns beams of the luli2000 onto a plastic foil thus creating a classic expansion plume as shown on the picture below.  During  the  laser  interaction with  the  target, a first  important  measure  of  the  Laser Parametrical  Instabilities  (LPI)  will  be performed  in  order  to  carefully  measure  the deposed energy. A  transverse  interferometer  coupled  to  three GOI (Gated Optical  Imager) will give us the 2D map of the electron density up to a 1/10 of the critical  density  (~1020  cm‐3).  The  same interferometer coupled to a streak camera will also give us the axial velocities of the plasma. At  the  same  time  the  Thomson  scattering spectrometer  will  diagnose  the  plasma measuring  the  electron  and  ion  temperatures near the critical density.  Meanwhile, a time resolved x‐ray spectrometer will give us the temperature of the plasma in the over critical part of the plume (in this case a Al‐doped plastic will be used as tracer). On  the  rear side of  the  foil a classical EOS combined  (2 VISARs + SOP) cameras will measure  the achieved pressure inside the material. In  summary  the  parameters  we  will  measure  are:  (i)  time  resolved  electron  density,  (ii)  2D  shape,  (iii) expansion velocity, (iv) ion and electron temperature, (v) pressure achieved and (vi) laser energy deposited on target. The figure below shows a 2D simulation of the plasma expansion into vacuum. We present both electron (left) and  ion (right) temperatures as well as the  isocontour  line (green) at 1019 cm‐3 that  is the region that will be particularly studied by the different diagnostics. The four snapshots correspond to times of (1, 2, 3 and 4 ns). 

 

  

 EXPERTISE OF THE EXPERIMENTAL CONSORTIUM  The group  is  formed by  several experimental  (and experimented!)  scientists and  is backed up by advanced users of radiative hydrodynamical codes: ‐   S. Baton: laser parametric instabilities ‐   J.‐R. Marqués: Thomson scattering diagnostics ‐   A. Ravasio: EOS diagnostics (VISAR + SOP) ‐   T. Vinci: transverse interferometry and code benchmark ‐   S. Bastiani : x‐ray diagnostics ‐   ILE  group  (Y.  Sakawa,  Y.Kuramitsu,  T.  Morita):  transverse  interferometry,  self‐emission  and  code 

benchmark ‐   CRASH group (U. Michigan: R.P.Drake):  modeling and participation of some students to the experiments ‐   LLNL group (H.‐S. Park): connection of the results to the OMEGA and NIF experiments. ‐   U.  Oxford  (G.  Gregori,  B.  Reville):  Thomson  scattering  and magnetic  field  probing  +  complementary 

large‐scale  high‐resolution  3D  MHD  simulations  using  massively  parallelized  codes  CHARM  (hybrid PIC/AMR with Chombo framework) and FLASH (which  includes multigroup radiation transport, non‐ideal EOS and laser ray tracing) + experimental support for gated imaging Thomson scattering (J. Meinecke) and Faraday rotation measurement (C. Murphy) 

 SHOT PLAN  Since the target and  laser requirements are standard  for the  laser team, the shot plan will be driven by the experimental setup. This means that most of the shots of the first week will be dedicated to tune and set‐up all the diagnostics (this means that the schedule will be driven by the experimental problems). The success of this experiment is strongly dependent by the simultaneous measurement of all the relevant parameters. The following two weeks will be used to shot with both beams (full energy) 6 shots per day for a total of 60 shots on  target. These  shots will be used  to probe  the plume at different distances  from  the  target and at different times.  CONCLUSIONS  In conclusion we have proposed here an experiment to investigate the laser plume expansion into vacuum. This experiment  combines  several diagnostics and  several groups of  scientists at LULI  to perform  the best possible measurements both on the laser interaction and on the plasma evolution. The experiments will be supplemented by dedicated plasma simulation work with  radiation‐hydrodynamics codes. The validation of the commonly used numerical codes (EOS + opacities) of laser‐matter interaction, will be  a necessary  test‐bed  for  the dimensioning of  the  future experiments on  collisionless  shock  that will be carried out on OMEGA and NIF lasers. 

 

12‐NS‐F2  

  

APPLICATION to access the LULI laser facilities  

May 2012 – April 2013 

  

Title of the experiment:   Time‐resolved and time‐integrated L‐shell spectroscopy of well‐characterized mid‐Z plasmas 

 

  Principal Investigator (PI):  Dr Serena BASTIANI‐CECCOTTI         LULI         [public RESearch organisation]          serena.bastiani@polytechnique.edu          phone: +33 1 69 33 54 04  fax: +33 1 69 33 54 82         status: EXP         citizenship: IT      birth date: 27/07/1967  

LULI co‐PI:       ‐  Summary: We propose an experimental investigation, coupled with calculations and simulations, of the time‐resolved L‐shell emission from mid‐Z plasmas in NLTE conditions. There is a double interest for this kind of measurement. On one side, NLTE emission benchmark experiments are notoriously rare. However, they are the only way to test the atomic physics codes under development. On  the other side, previous experiments have pointed out  the sensibility of  the spectral structures obtained from plasmas produced by different laser pump duration. The results of the proposed experiment will be compared with those issued from a similar experiment performed on the femtosecond ECLIPSE laser facility in Bordeaux, allowing to get a deeper insight on the processes giving rise to the spectral line shapes in this two very different regimes. As the aim of the experiment is to furnish benchmark data, great care will be devoted to the measurement of the hydrodynamic parameters of the plasma by  independent diagnostics, namely  time‐resolved Thomson  scattering, SOP, and VISAR. The plasma will be obtained by irradiating a solid target with both the ns‐beams of the LULI2000 laser. Bromine microdot targets smaller than the laser focal spot will  insure a moderate  lateral expansion of the Br plasma, permitting to obtain a relatively homogeneous plasma. The Thomson scattering, SOP, and VISAR experimental data will be compared with hydrodynamic 1‐D or 1.5‐D simulations, to fix the  interaction  parameters.  Finally,  the  time‐resolved  spectra measured will  be  compared with NLTE  atomic  codes,  like STAPEC,  AVERROES/TRANSPEC  and  the  commercial  code  PrismSPECT  used  as  post‐processors  of  the  hydrocodes constrained by the hydro measurements.  

Number of access weeks requested:  3  on:  LULI2000/salle 2 (nano2000)  Note: This  experiment  shares most of  the diagnostics with  the  experiment  “Detailed  study of  corona plasma  flow  in  the context of collisionless experiments on NIF”. If both experiments are allowed, the first week of setup could be shared.  Proposed access route:  pluri‐annual access (2nd year)  Do you have received any support for this proposal? No    Keywords:  NLTE plasma, L‐shell spectroscopy  Co‐investigators (not including LULI researchers): 1. Fabien DORCHIES, EXP, CELIA, dorchies@celia.u‐bordeaux1.fr, FR 2. Pierre‐Marie LEGUAY, PHD, CELIA, leguay@celia.u‐bordeaux1.fr 3. Frank GILLERON, EXP, CEA/DIF, frank.gilleron@cea.fr, FR 4. Robin MARJORIBANKS, EXP, Departement of Physics, University of Toronto, marj@physics.utoronto.ca, Canada 5. Christopher Bowen, EXP, CEA/DIF, christopher.bowen@cea.fr,FR 6. Virginie Silvert, EXP, CEA/DIF, virginie.silvert@cea.fr, FR 7. Olivier Peyrusse, EXP, CELIA, peyrusse@celia.u‐bordeaux1.fr, FR 8. Patrick Renaudin, EXP, CEA/DIF, patrick.renaudin@cea.fr, FR 9. Hyun Chung, EXP, IAEA, h.chung@iaea.org, Korea 

Time‐resolved and time‐integrated L‐shell spectroscopy of well‐characterized mid‐Z plasmas 

  SCIENTIFIC CASE  Preamble This proposal is intended to be the 2nd step of the “pluriannual access” granted last year to our team. The first experiment has been performed in June 2011. It has permitted to collect a good number of Tungsten and  Niobium  x‐ray  emission  data,  as  well  as  very  good  Thomson  scattering  results  thanks  to  the  new geometry used. We have been able to simultaneously collect data from all the diagnostics (2 spectrometers, Thomson scattering and SOP) on several shots. This will allow us to study both the hydrodynamics and the M‐shell emission from coronal equilibrium plasmas. Accordingly  to  our  program,  we  propose  this  year  to  move  towards  denser  plasmas  created  on  mid‐Z elements, and to study the L‐shell emission. The suitable hydrodynamic conditions will be some 100’s eV (Te) and 1021 cm‐3 (ne). We plan to set‐up basically the same kind of experiment than the one performed  in 2011, adding one more hydro diagnostic, namely a VISAR, thus  improving the measurement of the hydrodynamic parameters of the plasma.  Scientific objectives The evolution of a non‐local  thermodynamic equilibrium  (NLTE) plasma  is very complex, as many different and competing factors can cause departures from LTE. Even in a plasma with high densities, where collisional rates are much larger than radiative rates, radiation fields that are not at the local temperature can drive the plasma out of LTE. Thus,  for  laboratory plasmas, NLTE physics can be very hard  to avoid and very hard  to simulate. Unlike the modeling of LTE plasmas, where the Saha‐Boltzmann equation relies on the  ionization and the temperature to the density, the challenge of modeling NLTE plasmas lays in the determination of the electronic density and temperature, as no unique correspondence between these two quantities exists. The goal of  this proposal  is  to measure NLTE plasma emission under well‐characterized plasma conditions. Benchmarking plasma  simulations  is difficult, but necessary. The ongoing  international NLTE Kinetic Code Comparison workshops 1 have shown over the years systematic disagreements between the predictions of the codes even for relatively simple K‐shell test cases. As the Z of the element and the complexity of the atomic model  increase, the difficulties also  increase. For example, a spectroscopically accurate description of the Ti L‐shell  ion  requires  more  than  104  levels.  However,  the  representation  of  this  ionic  species  within  a radiation‐hydrodynamic  code  requires  a  reduction  of  the  number  of  levels  to  around  100  (through,  for example, effective rates or level grouping). Such approximations must be experimentally validated. In this context, we stress that the international community is more and more interested by our benchmarking experimental work: the experimental results on Kr emission that we have obtained on the LULI2000 facility in 2005 will be used as a case test in the next international NLTE Kinetic Code Comparison workshop, to be held December 5‐9 2011, in Vienna, Austria. But this experiment has also an additional aim. Since several years,  it has been noticed the effect of the hot electrons created during the interaction of sub‐picosecond, high‐intensity lasers with solid targets on the x‐ray radiative properties of the produced plasmas 2. These studies have demonstrated that hot electrons increase the  ionization  balance  and  the  intensity  of  inner‐shell  satellite  lines  (formed  through  direct  collisional excitation), leaving characteristic signatures on the emission spectra. Nevertheless, to our knowledge, any of the previous experiment has measured the 2p‐3d transitions  in near Ne‐like  ions. We will perform  in January 2012  an  experiment  on  the  ECLIPSE  short‐duration,  high‐intensity  laser  facility,  in  the  CELIA  laboratory (Bordeaux). In that experiment we will measure the time‐resolved L‐shell emission from Bromine and Arsenic plasmas. The irradiation conditions (45 fs – 1ps laser pulse duration, 1018 W/cm2) will lead to the generation of highly  transient,  non‐Maxwellian  plasmas,  and  to  the  production  of  a  hot‐electrons  population.  The comparison between  these  spectra and  those  recorded  in  this proposed experiment will allow us a deeper insight of the hot‐electron effects on the spectral line shapes.  Experimental methods and diagnostics In this experiment, a plastic foil having a KBr microdot of 200 μm in diameter will be irradiated by the two ns beams of the Nd:glass LULI laser with a pulse duration of 1.5 ns, wavelength of 0.53 μm, and a flux in the range of  few  1014 W/cm2.  Expected  density  and  temperature  calculated  using  the  hydrocode  CHIVAS  with  the experimental parameters  are  shown  in  figure  1. The  focal  spot  is  at  least 400  μm  in diameter  so  that  the 

1   C. Bowen, R.W. Lee, and Yu. Ralchenko, J. Quant. Spectr. Rad. Transfer 99, 102 (2006); J.G. Rubiano et al., High Energy Density Physics 3, 225 (2007); C.J. Fontes et al., High Energy Density Physics 5, 15 (2009) 

2  K.B. Fournier et al., Phys. Rev. E 67, 016402 (2003); S.B. Hansen and A.S. Shlyaptseva, Phys. Rev. E 70, 036402 (2004); S. Bastiani‐Ceccotti et al., High Energy Density Physics 6, 99 (2010) 

microdot is overfilled, producing a surrounding plastic plasma which partially limits its lateral expansion, thus reducing the lateral gradients. A HPP (Hybrid Phase Plate) will be used to produce a more homogeneous laser irradiation and obtain a flattop intensity profile in the focal spot. 

 Figure 1: electronic temperature and density of a Bromine plasma calculated by the 1.5‐D hydrodynamic code 

CHIVAS; the irradiation parameters were: laser intensity 1014 W/cm2, laser duration 1.5 ns, laser wavelength 0.537 μm. 

 Two conical crystal spectrometers, one coupled to a x‐ray streak camera and the other coupled to an Imaging Plate, will allow  the measurement of  the time‐resolved and  the  time‐integrated x‐ray emission  in the 7‐8 Å range, covering the 2p‐3d transitions of Br Ne‐like  ions. The secondary “Blue” beam, at 1.06 μm, will permit the  setup  of  the  time‐resolved  electronic  and  ionic  Thomson  scattering  diagnostics.  The  TS  beam will  be delayed by about 0.5  ‐  1 ns  from  the main heating beams. This will allow  the plasma  to  reach a  relatively homogeneous  temperature  regime. From  the CHIVAS simulations,  the expected hydrodynamic parameters are of the order of 300 eV and 1021 cm‐3, at 1 ns after the laser peak and 500 μm in front of the target. In the experiment,  the  plasma  size  seen  by  the  spectrometers  is  of  the  order  of  200  μm,  thus  limiting  the contributions coming from other plasma regions. A Br spectrum calculated by the commercial, atomic physic code  PrismSPECT  in  NLTE  plasma  conditions  and  for  the  plasma  parameters  deduced  by  the  CHIVAS simulation is illustrated in figure 2. A key point of this kind of experiments, which aim to be a benchmark experiment for atomic physic codes, is to have an  independent measurement of the hydrodynamic parameters of the plasma,  in order to constrain the hydro calculations and to minimize the free parameters in the atomic physic calculations. Thus, as in the previous experiment, we will  implement time‐resolved electronic and  ionic Thomson scattering diagnostics, that will  allow  us  to  have  an  independent measurement  of  the  hydrodynamic  parameters  of  the  plasma (electron density and temperature). Since several years our team has brought attention to this thematic, and several  development  have  been  introduced  to  optimize  these  complementary  diagnostic.  In  particular,  a top‐view Thomson scattering diagnostic has been very recently successfully used. Besides  the  spectroscopic  and  Thomson  scattering  diagnostics,  the  plasma  will  also  be  characterized  by measuring the shock propagation by time‐resolved Self Optical Pyrometry (SOP) and, for the first time, the shock  speed by a VISAR  interferometer, which will allow  to constrain  the  subsequent  simulations of  target hydrodynamics.  Figure  3  indicates  the  geometry  of  the  irradiation  and  of  the  different  diagnostics.  This geometry has already been successfully used in the “Salle 2” experimental room of the LULI2000 facility in our previous experiment. 

 Figure 2: PrismSPECT calculation of NLTE Br spectrum at 300 eV and 1021 cm‐3. 

 Figure 3: schematic diagram of the experimental arrangement. 

 For comparison with theoretical ionization data, the time‐resolved and time‐integrated emission spectra, and the  evolution  of  the  average  charge  Z*  of  the  plasma will  be  compared  to  STAPEC 3,  PrismSPECT 4,  and AVERROES/TRANSPEC 5 calculations,  used  as  a  post‐processor  of  the  hydrodynamic  code  FCI2  (CEA/DIF), constrained by the hydro measurements.  SHOT PLAN  The  experiment  requires  three  weeks:  one  week  to  setup  the  Thomson  diagnostic,  the  VISAR,  and  to synchronize  the  Thomson  scattering  streak  cameras. Half  a week will  be  necessary  to  calibrate  the  x‐ray spectrometer,  and  to  synchronize  its  streak  camera. One week  and  a half will be  necessary  to  record  the experimental data (about 30 shots). This experiment shares most of the diagnostics with the experiment “Detailed study of corona plasma flow in the context of collisionless experiments on NIF”. If both experiments are allowed, the first week of setup could be shared.  Laser beams 2 LP beams at 2ω, pulse duration of 1.5 ns and maximum energy to create the adequate plasma and 2 Hybrid Phase Plates (HPP) to obtain a flattop intensity profile in the focal spot  Blue beam, to perform the Thomson scattering measurements Quantaray laser for the VISAR diagnostic  EXPERTISE  The LULI team (S. Bastiani‐Ceccotti, J.‐R. Marquès, P. Audebert), the CELIA team and R. Marjoribanks have a wide experience on experimental plasma spectroscopy and on the Thomson scattering technique. T. Vinci has a  large  experience  on  EOS  diagnostics.  H.  Chung,  O.  Peyrusse,  F.  Gilleron  and  C.  Bowen  have  a  wide experience  in  NLTE  atomic  physics  calculations.  C.  Bowen  has  also  an  expertise  on  large‐scale hydro‐simulation and is one of organizer of the NLTE kinetic workshops series. V. Silvert is a specialist of the FCI2 hydrocode.  References on our expertise on NLTE modeling C.J.  Fontes  et  al.,  Review  of  the  NLTE‐5  kinetics  workshop,  High  Energy  Density  Physics  5,  15  (2009); J.G. Rubiano et al., Review of  the 4th NLTE Code Comparison Workshop, High Energy Density Physics 3, 225 (2007); C. Bowen et al., Comparing plasma population kinetics codes: Review of the NLTE‐3 Kinetics Workshop, J. Quant. Spectr. Rad. Transfer 99, 102 (2006); O. Peyrusse et al., Calculation of the charge state distribution of a highly ionized coronal Au plasma, J. Phys. B 38, L137 (2005); H.‐K. Chung et al., FLYCHK: Generalized population kinetics and spectral model  for  rapid spectroscopic analysis  for all elements, High Energy Density Physics 1, 3 (2005; C. Bowen et al., Gold emissivities for hydrocode applications, Phys. Plasmas 11, 4641 (2004); C. Bowen and  P.  Kaiser,  Dielectronic  recombination  in  Au  ionisation  temperature  calculations,  J.  Quant.  Spectr.  Rad. 

3  H.‐K. Chung et al., HEDP 1, 3 (2005) 4   J.J. MacFarlane et al., IFSA2003; http://www.prism‐cs.com/Software/PrismSpect/PrismSPECT.htm 

5  O. Peyrusse, J. Phys. B 33, 4303 (2000) ; O. Peyrusse, J. Quant. Spectr. Rad. Transfer 71, 571 (2001) ; O. Peyrusse, C. Bauche‐Arnoult and J. Bauche, J. Phys. B 38, L137 (2005) 

Transfer 81, 85  (2003); O. Peyrusse, On  the  superconfiguration approach  to model NLTE plasma emission,  J. Quant.  Spectr.  Rad.  Transfer  71,  571  (2001);  O.  Peyrusse,  A  superconfiguration  model  for  broadband spectroscopy of non‐LTE plasmas, J. Phys. B 33, 4303 (2000)  References on our experimental expertise S. Bastiani‐Ceccotti et al., Temporal and spectral behavior of sub‐picosecond  laser‐created x‐ray sources  from low‐ to moderate‐Z elements, High Energy Density Physics 6, 99  (2010); A. Levy et al., Double conical crystal x‐ray spectrometer for high resolution ultrafast x‐ray absorption near‐edge spectroscopy of Al K edge, Rev. Sci. Instrum. 81, 063107  (2010); G. Loisel et al., Absorption spectroscopy of mid and neighboring Z plasmas  :  iron, nickel, copper and germanium, High Energy Density Physics 5, 173  (2009); M. Harmand et al., Broad M‐band x‐ray emission from created by short laser pulses, Phys. Plasmas 16, 063301 (2009); S. Bastiani‐Ceccotti et al., Analysis of the x‐ray and time‐resolved XUV emission of laser produced Xe and Kr plasmas, High Energy Density Physics 3, 20  (2007); C. Bonté et al., High dynamic range streak camera for subpicosecond time‐resolved x‐ray spectroscopy, Rev. Sci. Instrum. 78, 043503 (2007) ; C. Chenais‐Popovics et al., X‐ray emission of a xenon gas jet plasma diagnosed with Thomson scattering, Phys. Rev. E 65, 046418 (2002)  PREVIOUS ACCESS  In June 2011 we have performed the first experiment of this pluriannual project. We have collected about 20 experimental shots with all  the diagnostic  simultaneously working: x‐ray  spectroscopy, electronic and  ionic Thomson scattering and SOP. We have used dot targets of Tungsten and Niobium, on a three‐layer substrate of CH/Al/CH. We have obtained good quality W and Nb M‐spectra, both time‐resolved and time‐integrated. The Thomson  scattering  spectra  have  a  very  good  signal‐to‐noise  ratio,  thanks  to  the  top‐view  geometry chosen. The SOP data are also of good quality. We are currently completing the analysis of all these data. The next  step will be  to perform hydro  simulations with  the FCI2  code,  constrained by  the SOP and Thomson measurements, and use the AVERROES/TRANSPEC package as a post‐processor to reproduce the measured spectra.  

12‐NS‐F3   

  

APPLICATION to access the LULI laser facilities  

May 2012 – April 2013 

  

Title of the experiment:     Crystallization of liquid tin under isentropic compression  

  Principal Investigator (PI):  Dr Thierry JALINAUD         CEA/DIF         [public RESearch organisation]          thierry.jalinaud@cea.fr          phone: +33 1 69 26 74 15  fax: +33 1 69 26 70 57         status: EXP (experienced researcher)         citizenship: FR      birth date: 15/08/1964  

LULI co‐PI:       Erik BRAMBRINK  Summary: The purpose of this experiment is to validate the kinetic model of the phase transition (liquid‐solid) introduced in the hydrodynamic code ESTHER. According  to  this,  the  time variation of  the solid mass  fraction  in  the material  is directly proportional  to  the Gibbs  energies  difference  between  the  both  phases  (solid  and  liquid)  and  inversely  proportional  to  a characteristic time of evolution. In the case of tin, theses characteristic times for the melting and crystallization transitions are taken to 50ps and 1.5ns.  In the case of a mixture phases (solid and  liquid), we have to  involve an equation of state for each phase of the mixture in order to determine temperature and pressure of the mixture from the internal energy and the specific volume. These equations of state and specific algorithms have been  introduced  into  the hydrodynamic code ESTHER. This work was  publishing  in  an  internal  report.  The  objective  of  this  experiment  is  to  observe  the  dynamic  of  the  liquid  tin crystallization under isentropic compression.  In this experiment, tin crystallizes under the isentropic compression and become liquid again when the relaxation wave fallows. In the result from the thermal equilibrium model, the mass fraction is beginning to change from the beginning of the isentropic compression on the front of the tin (t = 5 ns). In the case of kinetic calculation, this development does not start before 13 ns, when the difference between the Gibbs energies of the two phases becomes important. The both side (laser side and VISAR side) of the liquid tin has become solid, but it is significantly different inside tin target:  full  crystallization  for  the  thermal  equilibrium  calculation  and  a mixture  in  the  kinetic model. An  x‐ray  diffraction analysis should be able to discriminate the two results and to assess, by comparison with numerical simulations, the value of the characteristic time of crystallization.  

Number of access weeks requested:  1  on:  LULI2000/salle 2 (nano2000)  Proposed access route:  standard access  Do you have received any support for this proposal? No    Keywords:  Warm Dense Matter, VISAR, isentropic compression, x‐ray diffraction  Co‐investigators (not including LULI researchers): 1. Florent OCCELLI, EXP, CEA/DIF, florent.occelli@cea.fr, FR 2. Laurent BERTHE, EXP, LPIMM, laurent.berthe@ensam.eu, FR 3. Charles REVERDIN, EXP, CEA/DIF, charles.reverdin@cea.fr, FR  

Crystallization of liquid tin under isentropic compression   SCIENTIFIC CASE  Context and objectives The purpose of this experiment is to validate the kinetic model of the phase transition (liquid‐solid), from the D. B. Hayes model 1,  introduced  in the hydrodynamic code ESTHER. According to this, the time variation of the solid mass  fraction  in the material  is directly proportional to the Gibbs energies difference between the both phases (solid and liquid) and inversely proportional to a characteristic time of evolution. In the case of tin, theses characteristic times for the melting and crystallization transitions are taken to 50ps and 1.5ns. In the case of a mixture phases (solid and liquid), we have to involve an equation of state for each phase of the mixture  in order  to determine  temperature  and pressure of  the mixture  from  the  internal  energy  and  the specific  volume.  These  equations  of  state  and  specific  algorithms  have  been  introduced  into  the hydrodynamic code ESTHER. This work was publishing in an internal report 2. The objective of this experiment is to observe the dynamic of the liquid tin crystallization under isentropic compression.  Hydrodynamic models The hydrodynamic results show a crystallization delay between a local thermal and pressure equilibrium result and a kinetic calculation. The  two next  results are obtained with PS1 and 2µm carbon  (North Beam side) + 50µm of diamond + 20 µm of liquid tin + 100 µm of diamond (VISAR side). 

 Fraction mass evolution in liquid tin (left: thermal equilibrium calculation; right: kinetic model) 

 In  this  experiment,  tin  crystallize  under  the  isentropic  compression 3 and  become  liquid  again  when  the relaxation wave fallows.  In the result from the thermal equilibrium model, the mass fraction  is beginning to change from the beginning of the isentropic compression on the front of the tin (t = 5 ns). In the case of kinetic calculation, this development does not start before 13 ns, when the difference between the Gibbs energies of the  two phases becomes  important. The both side  (laser side and VISAR side) of  the  liquid  tin has become solid (dark red), but it is significantly different inside tin target: full crystallization for the thermal equilibrium calculation and a mixture  in the kinetic model. An x‐ray diffraction analysis 4,5 should be able to discriminate the two results and to assess, by comparison with numerical simulations, the value of the characteristic time of crystallization.    

1   D. B. Hayes, J. Appl. Phys. 46, 3438‐3443 (1975) 2  P. Combis and L. Videau, La cinétique des changements de phases dans le code ESTHER, internal report (2011) 

3   J. P. Davis et al., Shock Compression of Condensed Matter CP620, 221, (2001) 4   J. Dean Barnett et al., J. Appl. Phys. 37, 875 (1966); S. Desgreniers et al., Phys. Rev. B 39, 10359 (1989); S. Bernard and J. B. Maillet, Phys. Rev. B 66, 012103 (2002) 

5   J.D. Kress et al., Shock Compression of Condensed Matter CP955, 1433 (2007) 

Targeted measurements We propose to measure (i) the sound velocity 6 in the tin (crystallized or not) with the VISAR (to do this, we will need the North beam to produce an isentropic compression and the South beam to produce a shock wave in the tin), (ii) the temporal change of the tin reflectivity 5,7 with an Active Shock Break Out (ASBO) diagnostic without  shock  breaking  and  (iii)  the  x‐ray  diffraction  analysis  to  discriminate  between  partial  or  total crystallization in the liquid tin.  Experimental set‐up 

 North beam: isentropic compression 

Pulse duration  see below: laser pulse shape 

Temporal shape 

Focal length  1600 mm 

Focal spot size  ~1 mm  (with appropriate RPP) 

Wavelength  2ω  

Energy on target  PS1 : from 50 to 150 Joules PS2 : from 40 to 60 Joules 

 South beam: shock wave in solid tin or x‐ray diffraction source [delay: from 5 to 10 ns] 

Pulse duration  1 ns to 5 ns 

Temporal shape  square 

Focal length  1600 mm 

Focal spot size  ~1 mm  (with appropriate RPP) for the shock wave propagation ~150 µm (with appropriate RPP) for the x‐ray diffraction source 

Wavelength  2ω 

Energy on target  from 40 to 60 Joules for the shock wave in solid tin 300 Joules  for the x‐ray diffraction source 

 Blue beam: no request  Liquid tin We will use a specific heating cell to have liquid tin up to ~600°K (figures below). 

   Laser side (front side).                                                                                 Target aperture. 

6 J. Hu et al., J. Appl. Phys. 104, 083520 (2008); J. Hu et al., Appl. Phys. Lett. 92, 111905 (2008); A.I. Funtikov, High Temperature 49, 439 (2011) 

7 S.L. Pistinner, Shock Compression of Condensed Matter CP955, 181 (2007) and 185 (2007) 

Ø ~1mm 

~10 cm

~6 cm

~4 cm

 VISAR side (back side). 

 The target will be composed of a stack of diamond and liquid tin, with some carbon on the laser side (figures below). 

                 North beam target side.         VISAR target side.                     

 North beam laser pulse shape 

                Preferred laser pulse shape (PS1).                                Palliative laser pulse shape (PS2).  

 Thermodynamic work in the liquid tin target for PS1 and PS2 compare to the melting curve. 

 

 

2µm C

50 µm diamond

10 or 20 µm liquid Sn

100 µm diamond

10 µm steps in

diamond

5

0 88)(

ns

t

ns

tItI

4

0 55)(

ns

t

ns

tItI

Measurements 

Diagnostics  Range of measurement 

Sound speed  3.5 – 5.5 km/s 

Reflectivity  10 – 70 % 

X‐ray diffraction analysis 

3.0 – 3.5 keV 7.0 – 9.0 keV 

  SHOT PLAN  

Days  Objectives  Shot number 

1  Laser  pulse  shape  validation  with  solid  tin,  aluminium  or  iron targets ‐ VISAR & reflectivity measurements Objective:  determine  a  sufficient  pulse  shaping with  the  sound speed measurement in the solid target. 

 5‐10 shots 

(not full energy) 

2  Solid  and  liquid  tin  under  isentropic  compression  ‐  VISAR  and reflectivity measurements Objective : measure of the sound speed in the crystallized tin 

10‐15 shots (not full energy) 3 

4 

5  X‐ray  diffraction  analysis  ‐ VISAR  and  reflectivity measurement and x‐ray diffraction analysis in collaboration with the PIMM laboratory. 

5 shots (full energy on South Beam) 

 Palliative  shot plan:  in case of  troubles with  the  liquid  tin experiment, we will make measurements  (sound speed, reflectivity measurement and x‐ray diffraction analysis) with solid tin targets (same characteristics than the liquid target) under isentropic compression and shock wave (Hugoniot measurements); the request will be the same for the North and South laser beams.  

Days  Objectives  Shot number 

2  Solid tin under isentropic compression or shock wave ‐ VISAR and reflectivity measurements Objective : measure of the sound speed in the solid tin 

15‐20 shots (not full energy) 3 

4 

5  X‐ray  diffraction  analysis  on  solid  tin  ‐  VISAR  and  reflectivity measurement and x‐ray diffraction analysis in collaboration with the PIMM laboratory. 

5 shots (full energy on South Beam) 

  EXPERTISE OF THE EXPERIMENTAL CONSORTIUM  The  proposal  is  based  on  the  joint  expertise  of  the  LULI,  PIMM  and  CEA  teams  in  studying  the  dynamic material behaviour by  laser driven  shocks  (laser‐matter  interaction, wave propagation...)  [VISAR diagnostic practice: CEA, PIMM, LULI; 1D hydrodynamic radiative code: CEA; molecular‐dynamics simulations: CEA] and on specific expertises  related  to over parts of  the experiment  : development of a x‐ray source produced by laser (CEA, LULI) and heating cell (CEA).       

12‐NS‐F4   

  

APPLICATION to access the LULI laser facilities  

May 2012 – April 2013 

  

Title of the experiment:     Microjetting under laser driven shocks  

  Principal Investigator (PI):  Dr Thibaut De RESSEGUIER         Institut Pprime, ENSMA, 1 av. Clément Ader, 86961 Futuroscope Cedex, France         [public RESearch organisation]          resseguier@ensma.fr          phone: +33 5 49 49 81 73  fax: +33 5 49 49 81 76         status: EXP (experienced researcher)         citizenship: FR      birth date: 14/06/1967  

LULI co‐PI:       ‐  Summary: When a shock wave propagating in a solid sample breaks out at a free surface, geometrical effects predominantly governed by the roughness and defects of that surface may lead to the ejection of tiny jets that may break apart into µm‐size (or smaller) fragments. This process usually called microjetting  is a major safety  issue for engineering applications  involving pyrotechnics or armour design. We propose the first investigation of microjetting in the specific loading conditions associated to laser shocks (short duration of pressure application, very high strain rates, small spatial scales, low damage to the setup and nearby equipment), to provide quantitative data that would complement those obtained under explosive  loading. The goal will be to characterize the jets ejected from various types of surfaces of controlled roughness or with calibrated grooves, using mainly two complementary diagnostics: (i) transverse shadowgraphy to visualize the ejecta at successive times after the laser shot, and (ii) time‐resolved velocity measurements with a heterodyne interferometer. Additionally, an attempt will be made to evaluate  the momentum  involved  in  the  jetting process by measuring  the acceleration of a distant  foil  impacted by  the ejecta.  The main  parameters  (nature  of  the metal,  groove  angle,  roughness,  shock  pressure…)  governing  jet  formation, ejection velocity and jet fragmentation, will be identified and their influences will be quantified. The experimental data will be used to test the predictive capability of both analytical and numerical models  in 2D and/or 3D simulations,  in collaboration with the CEA.  

Number of access weeks requested:  1  on:  LULI2000/salle 2 (nano2000)  Proposed access route:  standard access  Do you have received any support for this proposal? No    Keywords:  laser shock, microjetting, dynamic fragmentation  Co‐investigators (not including LULI researchers): 1. Michel BOUSTIE, EXP, Institut P’, boustie@ensma.fr, FR 2. Emilien LESCOUTE, PDOC, CEA/DIF, emilien.lescoute@cea.fr, FR 3. Arnaud SOLLIER, EXP, CEA/DIF, arnaud.sollier@cea.fr, FR 4. Laurent BERTHE, EXP, LPIMM, ENSAM Paris, lberthe@gmail.com, FR

Microjetting under laser driven shocks   SCIENTIFIC CASE  Motivation When  a  shock  wave  propagating  in  a  solid  sample  breaks  out  at  a  free  surface,  geometrical  effects predominantly governed by the roughness and defects of that surface may lead to the ejection of tiny jets that may break apart into µm‐size (or smaller) fragments. This process, which is referred to microjetting herein, is a major  safety  issue  for engineering applications  involving pyrotechnics or armor design. Hence,  it has been widely studied  for several decades,  in particular by the CEA  in France  (figure 1  left) and by the LANL  in the USA 1,2,3. In our ongoing effort to characterize laser shock‐induced fragmentation 4,5,6,7 it has appeared as one of the mechanisms  leading to high velocity ejecta (figure 1 right). Discussions of our preliminary results with several CEA colleagues (Bruyères‐le‐Châtel and Valduc) and with W.T. Buttler at LANL have prompted us to consider  new  experiments  specifically  oriented  toward  a  detailed  characterization  and  some  predictive modeling of microjetting under laser driven shocks. 

   Figure 1: (left) transverse radiograph of a tin target subjected to a detonation wave breaking up at the (top) free 

surface [Chapron, 1991]; the left half of this surface was carefully polished, while 100 µm‐deep triangular grooves were machined in the right half, leading to the ejection of microjets; (right) transverse shadowgraph of a 

200 µm‐thick aluminum foil subjected to a laser shock 7 applied from left to right; shock breakout produces the ejection of microjets from the free surface. 

 International context As mentioned above, microjetting has been widely studied in the past and it is still the main subject of interest for groups like that of W.T. Buttler at Los Alamos National Laboratory 3. However, all existing data have been obtained using explosive  loading or plate  impacts. Because  laser shocks offer several advantages over those conventional techniques, they appear as a promising way to get new data on this process. In particular, they allow  easy  access  to  the high pressures  required  to produce microjets,  as well  as  relatively  simple  sample preparation due to the small dimensions  involved. Finally, their extremely short duration  leads to a range of unusually  high  strain  rates,  typically  107  s‐1.  To  date,  we  are  the  first  team  to  propose  a  systematic investigation of microjetting under laser shock loading.  Background Since 2005, we have been conducting on the “nano2000” facility of the LULI and on the “Alisé” facility of the CESTA (now closed) an extensive investigation of the different processes governing dynamic fragmentation of metals  at  extremely  high  strain  rates:  spallation,  micro‐spalling  after  shock‐induced  melting,  dynamic punching, and microjetting (figure 1 right). Our campaigns have allowed the development and use of several complementary experimental diagnostics, including 

transverse shadowgraphy at successive times to characterize the motion of the ejecta,  soft recovery of the fragments in a low density gel,  time‐resolved velocity measurements using a new Heterodyne  interferometer,  in collaboration with 

the CEA Bruyères‐le‐Châtel. 

1   J.R. Asay et al., Ejection of material from shock surfaces, Appl. Phys. Lett. 29, 284 (1976); J.R. Asay, Thick‐plate technique for measuring ejecta from shock surfaces, J. Appl. Phys. 49, 6173 (1978) 

2  C.L. Mader, LASL Phermex Data, University of California Press (1980); P. Andriot, P. Chapron and R. Olive, AIP Conf. Proc. 78, 505 (1981); D.S. Sorenson et al., J. Appl. Phys. 92, 5830 (2002) 

3  W.S. Vogan et al., J. Appl. Phys. 98, 113508 (2005); M.B. Zellner et al., J. Appl. Phys. 102, 013522 (2007) 4  T. de Rességuier et al., On the dynamic fragmentation of laser shock‐melted tin, Appl. Phys. Lett. 92, 131910 (2008) 

5   E. Lescoute et al., Appl. Phys. Lett. 95, 211905  (2009); T. de Rességuier et al.,  Int. J. Fracture, 163, 109  (2010); L. Signor et al.,  Int. J. Impact Engineering 37, 887 (2010); G. Morard et al., Phys. Rev. B 82, 174102 (2010) 

6  E. Lescoute et al., Comput. Mat. Continua 22, 219 (2011) 

7   E. Lescoute et al., J. Appl. Phys. 108, 093510 (2010) 

The possibility to apply those techniques for a specific study of microjetting has been tested in one particular shot on a 200 µm‐thick aluminum sample where approximately triangular, ~70 µm‐deep parallel grooves had been dug  in  the  free surface. The emergence of a 58 GPa  laser shock at  this  free surface clearly shows  the ejection of distinct jets from the tip of the grooves (figure 2). Their velocity, which is mainly conditioned by the groove angle, has been determined. Because of the asymmetry of the groove, this angle varies during shock breakout, which leads to unexpected changes in the jet direction. 

 

Figure 2: transverse shadowgraphs of the breakout of a laser shock at the free surface of a 200 µm‐thick aluminum foil with two parallel grooves 7; distinct jets are ejected from the tips of the grooves at velocities of about 2.8 km/s; the apparent change in their direction is attributed to a change in the groove angle during the 

reflection of the shock wave.  Proposal The  present  project  is  a  continuation  of  that  preliminary,  successful  test.  To  obtain  quantitative  data  on microjetting in the unexplored range of loading conditions associated to laser shocks, we will prepare samples of different metals with surfaces of various geometries,  from controlled  roughness  (like  in  figure 1  right)  to distinct defects (like in figure 2) carefully prepared by laser micromachining. Transverse optical shadowgraphy and  time‐resolved  measurements  (heterodyne  interferometry)  will  provide  ejection  velocities.  The  ratio between jet velocity and smooth free surface velocity will be determined. The effects of the asymmetry of the defects (like in figure 2) will be investigated. An effort to evaluate the mass of the ejecta will be undertaken, since  this  is  a major practical question  for  the  applications  involved. The  results will be  compared  to data reported under explosive loading, and they will be used to test the predictive capability of both analytical and numerical models in 2D and/or 3D simulations.  Experimental methods and diagnostics Samples will be foils of aluminum, tin and tantalum. Sample surface will be machined to achieve controlled defects or roughness. Two complementary diagnostics will be used. Transverse  shadowgraphy will provide quasi‐instantaneous  images of  the ejecta at  successive  times, using several cameras with different delay times (see schematic setup below). This has been successfully tested  in the LULI 4, then our technique has been improved (illumination by a flash lamp to remove the speckle due to coherent laser light, use of three cameras) 6,7. Time‐resolved velocity measurements will be performed with a heterodyne interferometer developed by the CEA/DIF. The unique capability of this technique to measure several velocities throughout an expanding cloud of particles is particularly well suited for studying microjetting. To  try  to evaluate  the momentum  involved  in  the  jetting process,  some  shots will be designed  in order  to measure the acceleration of a distant foil upon impact of the ejecta coming from the free surface of the laser shock‐loaded  sample  (using  the  so‐called  “Asay  window”  principle  1).  The  experimental  results  will  be compared to the predictions of analytical and modeling tools.  Experimental set‐up 

The nano2000 laser will be shot at  (1.06 µm), ~1000 J and 5 ns, alternatively with the south and north beams, focused onto a ~3 mm‐diameter spot,  in secondary vacuum. Our program should  require approximately 20 experiments, as mentioned in the shot plan. A schematic of the setup is shown below.  SHOT PLAN  The influences of the most relevant parameters will be explored: shapes and dimensions of the grooves in the sample  free  surface,  nature  of  the metal,  shock  pressure  (i.e.  laser  intensity).  This  program  will  require approximately 20 experiments, after some preliminary shots to set up and test the diagnostics. 

  EXPERTISE OF THE EXPERIMENTAL CONSORTIUM  Our group has many years of expertise at  the  international  level  in  the  field of  shock waves  in  condensed matter, and more particularly  laser‐driven shocks. Original experiments have been designed and performed (mainly  in  the  LULI,  for  about  20  years)  on  a wide  variety  of materials  (metals,  polymers,  glasses,  rocks, water…), with specific diagnostics, both  time‐resolved  (velocimetry, piezoelectric gauges, shadowgraphy…) and  post‐shot  (analysis  of  recovered materials).  The  results  have  been  used  to model  various  processes governing  the  response  of  materials  to  shock  loading  (densification,  brittle  and  ductile  damage, fragmentation, debonding of multilayered targets, structural changes in minerals, phase transitions…). These studies are of key interest to both basic science (dynamic behaviour of matter at extremely high strain rates, geophysics…) and engineering applications (damage under dynamic loading, structural strength, synthesis of ultra‐hard materials, debonding tests …). The  experiments  will  be  performed  by  Emilien  Lescoute  (post‐doctoral  student  at  CEA,  designer  of  the transverse shadowgraphy setup in our latest campaigns), Thibaut de Rességuier, Michel Boustie and Laurent Berthe  (permanent  researchers,  CNRS).  Some  shots will  be  connected  to  the work  of Didier  Loison  (PhD student, ENSMA) so that he will participate to the campaign if he is still available then. At the beginning of (or slightly before)  the campaign,  the heterodyne  interferometer will be set up by colleagues  from CEA  (Jacky Bénier,  Patrick Mercier  and  Arnaud  Sollier),  best  French  experts  on  this  technique,  and  they will  help  us running  it afterwards. The analysis of  the experimental data will be coupled with 2D and 3D simulations  in collaboration with the CEA (Arnaud Sollier and Emilien Lescoute).  PREVIOUS ACCESS  Our group has been offered a regular and continuous access to the LULI laser facilities for more than 15 years, 2 to 3 weeks per year in average. In the past two years, two one‐week campaigns have been dedicated to the study of a process  called  “micro‐spalling”, governing dynamic  failure after  shock‐induced melting, another two  have  been made  on  the  simulation  of  a  coating  process  based  on  the  use  of  laser  shocks,  and  two campaigns have been conducted on the ELFIE facility on the effects of ultra‐short shock loading. Some selected publications of our results obtained on these facilities since 2008 are listed below. 

J. Gattacceca et al., On the efficiency of shock magnetization processes, Phys. Earth Planet. Interiors 166, 1 (2008); T. de Rességuier and M. Hallouin, Effects of the a‐e phase transition on wave propagation and 

spallation  in  laser  shock‐loaded  iron,  Phys.  Rev.  B  77  ,  174107  (2008);  L.  Signor  et  al.,  Dynamic fragmentation of melted metals upon intense shock wave loading. Some modelling issues applied to a tin target,  Archives  Mechanics  60,  323  (2008);  J.P.  Cuq‐Lelandais  et  al.,  Spallation  generated  by femtosecond laser driven shocks  in thin metallic targets, J. Phys. D: Applied Physics 42, 065402 (2009); T. de Rességuier et al., Transformations of graphite‐like B‐C phases under dynamic laser‐driven pressure loading, Phys. Rev. B 79, 144105 (2009) T. de Rességuier et al., Wave propagation and dynamic fracture in laser shock‐loaded solid materials 22, 419, in Wave Propagation in Materials for Modern Applications, A. Petrin ed., INTECH Croatia (2010) L. Signor, Contribution à  la caractérisation et à  la modélisation du micro‐écaillage de  l’étain  fondu sous choc, thèse de doctorat ENSMA (2008) ; J.P. Cuq‐Lelandais, Etude de l’endommagement dynamique de matériaux sous choc  laser subpicoseconde,  thèse de doctorat ENSMA  (2010); E. Lescoute, Etude de  la fragmentation dynamique de métaux sous choc laser, thèse de doctorat ENSMA (2010) and references 4‐7 hereby