Hot Spot Evolution Measured by High-Resolution X-Ray Spectroscopy at the National Ignition Facility

Résumé technique : Évolution du point chaud mesurée par la spectroscopie de rayons X à haute résolution au National Ignition Facility

Énoncé du problème
Dans la fusion par confinement inertiel (ICF), l'état de stagnation du plasma du point chaud évolue rapidement, ce qui rend critiques les mesures résolues en temps des paramètres du plasma (densité électronique $n_e$, température électronique $T_e$, taille et densité de surface) pour évaluer la performance de l'implosion et atteindre l'ignition. Les méthodes de diagnostic traditionnelles présentent des limitations significatives : la température électronique est généralement déduite des pentes de rayonnement de freinage (Bremsstrahlung), la température ionique ($T_i$) de la mesure du temps de vol des neutrons (nTOF), et la densité est déduite de $T_i$ en supposant l'uniformité. Ces mesures basées sur les neutrons sont spatialement et temporellement intégrées et sont sensibles aux ambiguïtés causées par les flux de plasma et les asymétries d'implosion. Bien que la spectroscopie de rayons X à haute résolution utilisant des dopants de bas ou moyen Z ait fourni des informations sur les paramètres du point chaud, le diagnostic des implosions à l'échelle du NIF nécessite des dopants de haut Z capables d'émettre des photons qui pénètrent la coque compressée dense sans atténuation significative.

Méthodologie
Cette étude a utilisé le National Ignition Facility (NIF) pour effectuer des mesures résolues en temps sur des implosions de capsules dopées au Krypton (Kr) pendant leur phase de stagnation. Les expériences ont employé la plateforme « BigFoot » pour assurer des implosions symétriques avec une grande prévisibilité. Deux configurations de cible ont été testées :

1. HDC non dopé : Une coque d'ablateur en carbone à haute densité (HDC) renfermant du gaz DD dopé avec 0,01 at.% de Krypton (Kr).
2. HDC dopé au W : Un ablateur HDC contenant une couche de 18 $\mu$m dopée à 0,21 at.% de Tungstène (W), renfermant le même gaz DD dopé au Kr.

Le principal diagnostic était le dHIRES (spectromètre à haute résolution basé sur DIM), un système de caméra à balayage (streak camera) équipé de cristaux coniques et cylindriques pour capturer les spectres He$\beta$ du Kr avec un pouvoir de résolution de $E/\Delta E \sim 1000\text{--}2000$. Pour garantir un étalonnage absolu, les données de la caméra à balayage résolues en temps ont été étalonnées de manière croisée avec des mesures simultanées intégrées dans le temps par une plaque image.

L'analyse s'est concentrée sur le complexe He$\beta$ du Kr (optiquement mince), spécifiquement :

• Densité électronique ($n_e$) : Déduite de l'élargissement Stark de la raie de résonance He$\beta$, en utilisant des calculs de forme de raie détaillés traitant pleinement les effets de la dynamique ionique.
• Température électronique ($T_e$) : Déduite du rapport d'intensité relative du complexe He$\beta$ par rapport aux raies satellites dielectroniques de type Li-like, en utilisant un code de collision-rayonnement (SCRAM).
• Taille et densité de surface du point chaud : Déterminées en faisant correspondre l'émission du point chaud calculée (en utilisant les profils $n_e$ et $T_e$ dérivés) à l'intensité du signal expérimental. Cela a permis d'inférer le rayon du point chaud ($R_{hs}$) et, par la suite, la densité de surface ($\rho R_{hs}$), en supposant des densités ioniques et électroniques égales.

Résultats clés
L'étude a réussi à générer des profils résolus en temps de $n_e$, $T_e$, $R_{hs}$ et $\rho R_{hs}$ pour les implosions dopées et non dopées.

• Évolution temporelle : Les deux expériences ont présenté des tendances cohérentes où $T_e$ atteint un pic environ 50 à 60 ps avant le temps de l'explosion de rayons X (bang time), tandis que $n_e$ continue de croître après l'explosion.
• Impact du dopant de Tungstène : La capsule HDC dopée au W a démontré une performance supérieure par rapport à la capsule HDC non dopée :
  • Paramètres plus élevés : Le $n_e$ de crête est passé de $\sim 2,6 \times 10^{24}$ cm$^{-3}$ (non dopé) à $\sim 5,2 \times 10^{24}$ cm$^{-3}$ (dopé au W). Le $T_e$ de crête est passé de $\sim 2,93$ keV à $\sim 3,21$ keV.
  • Taille plus petite : Le point chaud dopé au W était systématiquement plus petit (rayon moyen de $R_{hs} \approx 40,6 \pm 20,1$ $\mu$m) par rapport au tir non dopé ($51,5 \pm 4,0$ $\mu$m).
  • Pression et rendement accrus : Ces changements ont entraîné un pic de pression de stagnation d'environ 48 Gbar pour le tir dopé au W (contre $\sim 24$ Gbar pour le non dopé). Le rendement neutron doublé (de $1,0 \times 10^{13}$ à $2,0 \times 10^{13}$), et la densité de surface du combustible ($\rho R_{hs}$) déduite du nTOF est passée de $44,4 \pm 1,92$ mg/cm$^2$ à $65,2 \pm 2,56$ mg/cm$^2$.
• Comparaison des diagnostics : La densité de surface et la taille moyennes calculées par la spectroscopie dHIRES se sont révélées être significativement inférieures à celles mesurées par les méthodes traditionnelles d'imagerie de rayons X à pénombre et de nTOF, suggérant des surestimations potentielles dans ces techniques traditionnelles.

Signification et revendications
L'article prétend rapporter les premières mesures simultanées et résolues en temps de la densité, de la température, de la taille et de la densité de surface du plasma du point chaud pour des implosions de capsules dopées au Kr au NIF en utilisant la spectroscopie de rayons X à haute résolution. La principale signification réside dans la démonstration que la spectroscopie à haute résolution, lorsqu'elle est étalonnée de manière absolue, peut fournir une vue complète et dépendante du temps de l'évolution du point chaud, essentielle pour l'étalonnage des simulations numériques visant l'ignition.

Plus précisément, ce travail fournit la preuve expérimentale directe que l'incorporation d'un dopant de haut Z (Tungstène) dans l'ablateur améliore la performance de l'implosion en augmentant la pression de stagnation et la production thermonucléaire. Cette amélioration est attribuée à la réduction du préchauffage de la capsule par le rayonnement M-band de l'Or, conduisant à une compression et une stabilité plus élevées. Les auteurs soulignent que ces mesures de précision des paramètres du plasma central sont cruciales pour valider les modèles physiques utilisés dans les simulations de cibles d'ignition.