Ultrafast proton radiography of the magnetic fields generated by a laser-driven coil current

Resumo Técnico: Radiografia de Prótons Ultrarrápida de Campos Magnéticos Gerados por uma Bobina Impulsionada a Laser

Problema e Motivação
Embora campos magnéticos possam ser gerados espontaneamente em sistemas de alta densidade de energia (HED) impulsionados a laser, a capacidade de criar uma fonte de campo magnético externo forte e controlado oferece novas oportunidades para a ciência básica e aplicada de HED. Aplicações potenciais incluem a criação de geometrias de reconexão magnética de laboratório, a magnetização de plasmas HED para o aumento do rendimento da fusão, o direcionamento de elétrons quentes na ignição rápida e a colimação de pósitrons e elétrons. Uma técnica primária para gerar tais campos envolve a irradiação de um alvo de bobina metálica com um laser de alta energia. No entanto, medições anteriores desses campos dependeram de sondas de captação magnética ou polarimetria óptica. Esses diagnósticos são limitados pela contaminação de captação eletrostática e pelas restrições de densidade crítica dos feixes ópticos, frequentemente restringindo as medições a distâncias de aproximadamente milímetros do centro da bobina. Consequentemente, as intensidades de campo mais próximas da bobina foram inferidas usando modelos de vácuo, o que pode levar a uma superestimativa da energia magnética total armazenada. Este artigo aborda a necessidade de medições diretas e espacialmente resolvidas de campos magnéticos próximos à fonte da bobina.

Metodologia
Os experimentos foram conduzidos no Sistema de Laser OMEGA EP no Laboratório de Energia de Laser (Laboratory for Laser Energetics). O alvo consistiu em duas folhas de cobre (Cu) paralelas (50 µm de espessura, 1,5 mm × 1,5 mm) separadas por 600 µm e conectadas por uma bobina em forma de U com uma seção transversal de fio de 50 µm × 50 µm. Um espaçador plástico manteve a planaridade das folhas.

Dois feixes de laser de pulso longo (cada um com ~1,25 kJ, duração de 1 ns, comprimento de onda de 351 nm) foram focados na folha traseira através de orifícios de entrada na folha frontal, atingindo uma intensidade de ~3 × 10¹⁶ W/cm². Essa interação gerou elétrons quentes que escaparam da folha traseira, criando uma diferença de potencial que impulsionou uma grande corrente através da bobina em forma de U conectora.

Para diagnosticar os campos magnéticos resultantes, a equipe empregou radiografia de prótons ultrarrápida. Um feixe de retroiluminação de pulso curto (0,3 kJ, 1 ps) irradiou uma folha de Cu separada para gerar um feixe de prótons (até 55 MeV) via mecanismo de aceleração de bainha de alvo normal (TNSA). O feixe de prótons probeu o alvo principal em uma geometria de face (face-on). Os prótons foram detectados usando um empilhamento filtrado de filme radiocrômico, fornecendo imagens bidimensionais com resolução espacial de 5–10 µm e resolução temporal de alguns picossegundos.

Para interpretar os dados, os autores desenvolveram um modelo de traçado de raios de partículas 3-D para simular trajetórias de prótons através de campos eletromagnéticos prescritos gerados pela corrente da bobina. Eles também derivaram uma estimativa analítica baseada em mapeamento paraxial para caracterizar a formação de vazios de prótons e fronteiras de cáustica.

Principais Contribuições e Resultados
O estudo demonstrou com sucesso a medição direta de campos magnéticos gerados por uma corrente impulsionada a laser usando radiografia de prótons. As principais descobertas incluem:

• Estrutura do Campo Magnético: As radiografias de prótons revelaram um "vazio de prótons" distinto ao redor do ápice da bobina em forma de U, caracterizado por uma fronteira de cáustica nítida. Esse vazio resulta da deflexão integrada pelo caminho dos prótons pelos campos magnéticos poloidais gerados pela corrente no fio semicircular.
• Amplitudes de Corrente e Campo: Ao combinar o tamanho dos vazios de prótons observados ($R$) com os resultados de simulação, os autores inferiram a corrente da bobina. Em aproximadamente 3–4 ns após a irradiação do laser, a amplitude da corrente foi medida em ~18–22 kA. Esta corrente gerou campos magnéticos de ~200–250 T na superfície do fio, que decaíram espacialmente para ~40–50 T no centro da bobina.
• Evolução Temporal: Os dados indicaram que a corrente foi relativamente estática durante um intervalo de 21 ps, mas decaiu de ~22 kA em $t \approx t_0 + 3,1$ ns para ~18 kA em $t \approx t_0 + 4,1$ ns.
• Conversão de Energia: A energia magnética armazenada na bobina em forma de U foi estimada em ~0,26–0,4 J, correspondendo a uma eficiência de conversão de energia laser-para-magnética de ~0,01–0,02%.
• Efeitos de Plasma: As imagens também mostraram estruturas filamentosas escuras, atribuídas à expansão do plasma coronal e campos eletromagnéticos autogerados associados a instabilidades de plasma. Esses filamentos complicaram a identificação da fronteira inferior do vazio do lado da folha, mas eram distintos do vazio induzido pelo campo magnético.
• Caracterização da Fonte de Tensão: Experimentos com duas bobinas em forma de U em uma configuração do tipo Helmholtz demonstraram que o alvo atua como uma fonte de tensão, em vez de uma fonte de corrente. Nesta configuração, a eficiência de conversão aumentou para ~0,02%, sugerindo que a energia magnética armazenada poderia ser aumentada adicionando bobinas extras.

Significância
O artigo afirma que estes experimentos fornecem insights significativos para futuros designs de alvos visando o desenvolvimento de fontes de campos magnéticos externos poderosos para a ciência de alta densidade de energia. Ao utilizar a radiografia de prótons ultrarrápida, os autores superaram as limitações de diagnósticos anteriores, permitindo a medição direta da geração de campo mais próxima da bobina do que anteriormente possível. Os resultados validam o uso de bobinas impulsionadas a laser como um método para gerar campos magnéticos de múltiplos teslas e estabelecem uma estrutura para compreender a física subjacente da dinâmica de campos nesses sistemas. Os autores observam que trabalhos futuros se concentrarão no desenvolvimento de modelos de circuito concentrado para melhor controlar a dinâmica de campo e no design de alvos com seções de bobina retas mais longas ou blindagem para mitigar a interferência do plasma.