THESE Novel Diagnostics for Warm Dense Matter : Application to Shock Compressed Target
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THESE pr´esent´ee `a l’Ecole Polytechnique pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’ECOLE POLYTECHNIQUE Sp´ecialit´e:Physique par Alessandra RAVASIO Novel diagnostics for Warm Dense Matter : Application to shock compressed target Soutenue publiquement le 1 Mars 2007 devant le Jury compos´ede: Mme Alessandra BENUZZI-MOUNAIX M. Marco BORGHESI M. Jean Claude GAUTHIER, Rapporteur M. Fran¸cois GUYOT M. Thomas HALL, Rapporteur M. Michel KŒNIG, Directeur de th`ese M. Daniel VANDERHÆGEN 2 Remerciements Je remercie d’abord Monsieur Fran¸cois Amiranoff pour m’avoir accueillie dans son laboratoire o`u j’ai pu travailler dans d’excellentes conditions. Je remercie ´egalement les membres du jury : Messieurs les rapporteurs Jean Claude Gauthier et Thomas Hall, ainsi que M. Marco Borghesi, M. Fran¸cois Guyot et M. Daniel Vanderhægen pour l’attention qu’ils ont port´eauma- nuscript. Je tiens `a remercier Michel Koenig, mon directeur de th`ese, dont j’ai par- ticuli`erement appreci´e la rigeur et l’honnˆetet´e intellectuelle. Grace `a lui j’ai ´et´e introduite dans la communaut´e scientifique et j’ai pu travailler dans les meilleurs laboratoires du monde parmi lequels le LLNL (Lawrence Livermore National Laboratory) aux Etats-Unis, ILE (Institute of Laser Engineering) `a Osaka et le RAL(Rutherford Appleton Laboratory) dans les landes perdues de l’Oxfordshire. Je le remercie aussi pour m’avoir fait confiance dans la conduite de ce projet, pour lequel il m’a laiss´e la complete autonomie. Un grand merci vaa ` Alessandra Benuzzi Mounaix, pour sa disponibilit´e et ses conseils, toujours tr`es pr´ecieux. Tengo particolarmente a ringraziare Gianluca Gregori, per avermi guidato nei meandri dell’ X-Ray Thomson Scattering e per la pazienza con la quale ha sempre risposto alle mie domande. La sua disponibilit`aeilsuoaiutosono stati indispensabili per la riuscita di questa (difficile) parte della mia tesi. L’aide d’Erik Brambrink et Lorenzo Romagnani a ´egalement ´et´e indispen- sable pour “sympatiser” avec les protons et leur bizarreries. Je remercie Erik pour les longues et fructueuses discussions, aussi bien que pour les cocktails du samedi soir. La comprensione e la fiducia dimostratami da Lorenzo mi ha aiutato in alcuni dei momenti pi`u bui dell’analisi dei dati. Merci `a Laurent Gremillet pour les simulations concernant les ´electrons et leur propagation dans notre ´etrange configuration. Merci aussi a tous les post-docs et thesards avec qui j’ai pass´e au moins une partie de mes trois ann´ees de th`ese : Norimasa, Tommaso, Seb, Emeric, Gael, Berenice (eh bien oui ! !), Perceval, Ludovic et Benjamin. Ce travail n’aurait pu etre termin´e sans l’aide essentielle (plus unique que rare) de Marc Rabec-le-Gloahec, toujours present avec ses immenses com- petences, sa gentillesse et son calme. Je garde un tr´es plaisant souvenir des journees que nous avons pass´ees `a travailler ensemble, efficacement au point de pouvoir prendre le temps de rigoler ou d’aller a la piscine ! Merci de mˆeme `a Christophe Godinho eta ` ses synchros, `a l’equipe laser du LULI2000 eta ` l’equipe technique : Alain Michard, Jean-Michel Boudenne et Pascal Gue- hennec (pas seulement pour ses pieces toujours parfaites, mais aussi pour les crumbles au pommes...d´elicieuses !). Je remercie ´egalement les nombreuses personnes que ont particip´eaux differentes experiences : Carlo Cecchetti, Angelo Schiavi, Prav Patel, Hye Sook Park, Damien Hicks, Dimitri Batani, Tom Boehly, Riccardo Dezulian, Rob Clark, Margareth Notley e Sujit Banyopadyay au RAL, Dave Ryley et Alice Delserieys `a la manip XRTS au LULI et Sigfried Glenzer pour m’avoir invit´eaLLNL. Merci aussi `a Patrick Audebert pour les inmombrables conseils, `aJean- Raph, Jean-Philippe et Mathieu, pour avoir su me distraire de Paris. Il pi`u sentito dei miei ringraziamenti va ai miei genitori e a Fede, senza il loro affetto e il loro costante sostegno non avrei mai terminato questa tesi, lontano da casa (e dalle montagne !). Enfin, merci ´a celui qui, avec sa nature un peu “zen”, a su maˆıtriser et calmer les orages de mon esprit pendant les journ´ees et les longues (noires) soir´ees de redaction. Contents 1 Introduction 1 Bibliography 10 2 Warm Dense Matter and its generation 13 2.1 WDM, Fermi degenerate and strongly coupled plasmas .......... 13 2.1.1 Strongly coupled and Fermi degenerate plasmas .......... 15 2.1.1.1 ThePlasmaparameterΓ ................. 15 2.1.1.2 QuantumdegeneracyparameterΛ ............ 16 2.2HowwehavecreatedWDplasmas:theshockwave............ 18 2.2.1 Laserplasmainteractioninthensregime.............. 19 2.2.1.1 Absorptionmechanisms.................. 20 Collisional absorption ..................... 20 2.2.1.2 Ablation process ...................... 21 2.2.2 Theshockwave............................ 22 2.2.3 Hugoniot-RankineRelations..................... 26 2.3 Shock compression and Equation of State .................. 27 2.3.1 Shockpropagationatinterfaces................... 30 Bibliography 33 3 How to probe Warm Dense Matter 35 3.1Howdenseplasmasareusuallyprobed................... 35 3.1.1 AbsoluteEOSmeasurement..................... 36 3.1.2 RelativeEOSmeasurement..................... 38 3.1.3 Measurementprecision........................ 40 3.2NewprobesforWarmDenseMatter:protonsandhardx-rays...... 41 3.2.1 Laserplasmainteractionathighintensity............. 42 3.2.1.1 Thesupra-thermalelectronsgeneration.......... 44 Resonantabsorption..................... 44 Vacuumheating........................ 45 i Contents J×Bheating.......................... 46 Normal and anomalous skin effects ............. 47 3.2.2 Protonbeams............................. 47 Hole-boring effect ....................... 48 Plasmaexpansionintoavacuum............... 48 3.2.3 K-α generation............................ 50 3.3NewdiagnosticsforWarmDenseMatter.................. 52 3.3.1 X-rayradiography.......................... 52 3.3.1.1 Principle of the measurement ............... 53 3.3.1.2 Xraysinteractionwithmatter.............. 57 3.3.2 Protonradiography.......................... 59 3.3.2.1 Principle of the measurement ............... 60 3.3.2.2 Proton stopping Power ................... 62 Lindhard’s approach ..................... 63 Bethe-Blochtheory...................... 63 3.3.2.3 Coulombscattering..................... 64 3.3.2.4 Imaging via multiple scattering .............. 65 3.3.3 X-rayscattering............................ 67 3.3.3.1 Scatteringfromsingleelectrons.............. 67 3.3.3.2 Scatteringfromparticleensembles............ 68 3.3.3.3 Scatteringfromclassicalplasmas............. 70 3.3.3.4 Scatteringfromdenseplasmas............... 72 3.3.3.5 X-rayThomsonscattering................. 72 TheIonFeature........................ 74 Thefreeelectronfeature................... 76 Thebound-freeelectronfeature............... 79 Bibliography 83 4 X-ray shock radiography 89 4.1ExperimentalSetUp............................. 89 The3nsbeams........................ 89 TheCPAbeam........................ 91 Thealignmentprocedure................... 92 4.2Thedetectors................................. 93 4.2.1 Theimagingplates.......................... 93 4.2.2 Single photon counting CCD camera ................ 95 4.3TheEOStargets............................... 95 4.4Thebacklightertarget:anewgeometryforhighspatialresolution.... 97 4.5ShockVelocitymeasurementandsimulations................ 99 ii Contents 4.6ExperimentalDataandResults.......................102 4.6.1 Filter transmission ..........................104 4.6.2 Theimageplatesresponse......................104 4.6.3 Theincidentradiationspectrum...................105 4.6.4 Compressionresults..........................107 4.7Theerrorbars.................................111 4.7.1 Simulationvsexperimentalresults.................113 4.8Conclusions..................................114 Bibliography 117 5 Proton radiography 119 5.1Theexperimentalset-upandbacklightertarget..............119 5.2Thetargetdesign...............................121 5.3Thedetector:RCF..............................122 5.4ExperimentalresultsonCRFfoams.....................126 5.4.1 Resolutionmeasurements.......................129 5.4.2 Shockradiographsfordifferentprotonenergies...........130 5.4.3 Shockradiographsatdifferenttimes................131 5.5ResultsonCHtargets............................133 5.6TheMonteCarlocode............................134 5.7Dataanalysis.................................139 5.7.1 Data handling .............................139 Modulations intensity on experimental images .......140 Modulations intensity on simulations ............141 5.7.2 Thedensityprofile..........................142 5.7.3 Sourcesizecharacterization.....................143 5.7.4 Experimentandcoderesultsat7ns.................144 5.7.5 Experimentandcoderesultsat11ns................147 5.8Sensitivityasdensitydiagnostic.......................149 5.9Conclusions..................................151 Bibliography 153 6 X-ray Thomson Scattering 155 6.1ExperimentatLULI.............................155 6.1.1 Experimentalsetup.........................156 6.1.1.1 X-raydiagnostics......................158 6.1.1.2 Plasmadiagnostics.....................161 Selfemissiondiagnostic....................162 iii Contents TheVISARinterferometer..................162 6.1.2 Plasmastate.............................164 6.1.2.1 Selfemissionmeasurement.................164 6.1.2.2 Visarmeasurement ....................165 6.1.2.3 Hydrodynamicsimulations.................167 6.1.3 Spectrum calibration shots ......................169 6.1.4 Scatteringresults...........................172 Generalconsiderations....................172