Magnetic field generation by the Rayleigh-Taylor instability in laser-driven planar plastic targets

Resumen Técnico: Generación de Campos Magnéticos por la Inestabilidad de Rayleigh-Taylor en Blancos de Plástico Planares Impulsados por Láser

Problema y Contexto
Comprender la inestabilidad de Rayleigh-Taylor (RT) es crítico para la fusión por confinamiento inercial (ICF), ya que puede amplificar las perturbaciones de la cápsula y destruir la uniformidad de la implosión tanto durante las fases de aceleración como de deceleración. Trabajos teóricos previos sugirieron que los plasmas sujetos a la inestabilidad RT deberían generar campos magnéticos espontáneos, los cuales podrían modificar el transporte térmico de electrones y potencialmente degradar el rendimiento de la implosión si no se tienen en cuenta. Si bien un estudio previo reportó campos magnéticos inducidos por RT de hasta 0.1 MG durante la fase de crecimiento lineal utilizando protones monoenergéticos de fusión D-3He, existía la necesidad de investigar la generación de campos magnéticos durante la fase de crecimiento no lineal, específicamente en blancos impulsados por láser donde la estructura de la lámina se ve comprometida.

Metodología
El estudio utilizó el Sistema Láser OMEGA EP en el Laboratorio de Energía Láser para irradiar finas láminas de plástico (CH) (de 15 y 25 µm de espesor) con pulsos láser de ~4 kJ y 2.5 ns enfocados a una intensidad de ~10¹⁴ W/cm². Las modulaciones del blanco fueron sembradas por las no uniformidades del láser y amplificadas durante la fase de aceleración.

Para sondear la evolución hidrodinámica y electromagnética, el equipo empleó radiografía de protones ultrafast. Un haz secundario de pulso corto (~1 kJ, 10 ps) irradió una lámina de cobre para generar un haz de protones de varios MeV mediante la Aceleración de Vaina Normal al Blanco (TNSA). Este haz de protones, actuando como una fuente de proyección puntual, pasó ortogonalmente a través del blanco de CH impulsado. Una pila de películas radiocrómicas filtradas, intercaladas con filtros de aluminio, capturó el haz de protones en diferentes tiempos basados en el tiempo de vuelo dependiente de la energía, proporcionando una capacidad de imagen de múltiples fotogramas con una resolución temporal de ~10 ps y una resolución espacial de ~5–10 µm.

Los datos experimentales se compararon con simulaciones magnetohidrodinámicas (MHD) resistivas en 2-D utilizando el código DRACO. Las simulaciones incluyeron coeficientes de transporte de Braginskii completos, el término de Nernst y flujos térmicos de gradiente cruzado, con el crecimiento de la RT sembrado por perturbaciones superficiales preimpuestas o ruido numérico.

Resultos Clave

1. Evolución Hidrodinámica: Las radiografías de protones de láminas de 25 µm mostraron una aceleración estable, mientras que las láminas de 15 µm exhibieron estructuras tipo burbuja y se fragmentaron durante la fase de aceleración debido a la inestabilidad RT. Una vaina de plasma se formó por delante de la región inestable de RT en las láminas fragmentadas, una característica ausente en los casos estables de 25 µm.
2. Generación de Campo Magnético: La observación principal fue la generación de campos magnéticos a nivel de megagauss (MG) dentro de la lámina fragmentada. El análisis de las deflexiones de los protones indicó que los campos electromagnéticos, en lugar de la dispersión colisional, fueron los responsables de las estructuras tipo burbuja observadas en las radiografías.
3. Magnitud y Topología del Campo: Al medir la deflexión angular de los protones (θ) y calcular el campo integrado en la trayectoria, los autores estimaron intensidades de campo de aproximadamente 1.4 MG. Esto concuerda bien con las simulaciones de DRACO que predicen campos de hasta 2 MG. Las simulaciones revelaron que los campos magnéticos se generan en la interfaz inestable de RT mediante efectos termoeléctricos impulsados por gradientes de densidad y temperatura no paralelos. Estos campos son transportados por el plasma ablacionado y los electrones calientes (efecto Nernst), extendiéndose más allá de la corona de plasma y hacia el interior de la lámina impulsada.
4. Papel de los Campos frente a la Hidrodinámica: Las simulaciones indicaron que el efecto dinámico de estos campos magnéticos espontáneos sobre el crecimiento de la inestabilidad RT es insignificante durante las etapas lineales y moderadamente no lineales. Solo ocurre una mejora significativa del crecimiento de la RT en etapas altamente no lineales, cuando el tamaño de los picos excede las longitudes de onda de la perturbación. Las simulaciones reprodujeron con éxito la velocidad de la lámina medida, confirmando que la hidrodinámica general fue predicha con precisión sin necesidad de contabilizar la retroalimentación magnética en las etapas tempranas.
5. Dominancia Eléctrica vs. Magnética: El trazado de rayos de protones utilizando las distribuciones de campo simuladas demostró que los campos magnéticos autogenerados son la causa dominante de las deflexiones del haz de protones. Las simulaciones mostraron que desactivar los campos eléctricos tuvo poco efecto en la distribución de protones, mientras que desactivar los campos magnéticos resultó en una deflexión mínima.

Significancia y Reivindicaciones
Este trabajo reporta la primera observación de campos magnéticos de nivel MG dentro de una lámina impulsada por láser que ha sido fragmentada por la inestabilidad de RT. El estudio confirma que el crecimiento no lineal de la inestabilidad RT en plasmas impulsados por ablación genera campos magnéticos espontáneos significativos. Los datos experimentales muestran una buena concordancia con las predicciones MHD en 2-D con respecto tanto a la evolución hidrodinámica como a la magnitud de los campos generados. Los autores concluyen que, si bien estos campos son sustanciales, su impacto dinámico sobre la propia inestabilidad de la RT no es significativo hasta el régimen altamente no lineal, y son el mecanismo principal que desvía los protones en los diagnósticos de radiografía.