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

Resumo Técnico: Geração de Campo Magnético pela Instabilidade de Rayleigh-Taylor em Alvos Planares de Plástico Impulsionados por Laser

Problema e Contexto
Compreender a instabilidade de Rayleigh-Taylor (RT) é crítico para a fusão por confinamento inercial (ICF), pois ela pode amplificar perturbações na cápsula e destruir a uniformidade da implosão durante as fases de aceleração e desaceleração. Trabalhos teóricos anteriores sugeriram que plasmas sujeitos à instabilidade RT deveriam gerar campos magnéticos espontâneos, que poderiam modificar o transporte térmico de elétrons e potencialmente degradar o desempenho da implosão se não forem contabilizados. Embora um estudo anterior tenha relatado campos magnéticos induzidos por RT de até 0,1 MG durante a fase de crescimento linear usando prótons monoenergéticos da fusão D-3He, havia a necessidade de investigar a geração de campos magnéticos durante a fase de crescimento não linear, especificamente em alvos impulsionados por laser onde a estrutura da folha é comprometida.

Metodologia
O estudo utilizou o Sistema de Laser OMEGA EP no Laboratório de Energetia de Laser para irradiar finas folhas de plástico (CH) (15 e 25 µm de espessura) com pulsos de laser de ~4 kJ e 2,5 ns focados a uma intensidade de ~10¹⁴ W/cm². As modulações do alvo foram semeadas por não uniformidades do laser e amplificadas durante a fase de aceleração.

Para sondar a evolução hidrodinâmica e eletromagnética, a equipe empregou radiografia de prótons ultrarrápida. Um feixe secundário de pulso curto (~1 kJ, 10 ps) irradiou uma folha de cobre para gerar um feixe de prótons de multi-MeV via Aceleração de Bainha Normal ao Alvo (TNSA). Este feixe de prótons, atuando como uma fonte de projeção de ponto, passou ortogonalmente através do alvo de CH impulsionado. Uma pilha filtrada de filmes radiocrômicos, intercalada com filtros de alumínio, capturou o feixe de prótons em diferentes tempos com base no tempo de voo dependente da energia, fornecendo uma capacidade de imagem de múltiplos quadros com resolução temporal de ~10 ps e resolução espacial de ~5–10 µm.

Os dados experimentais foram comparados com simulações magnetohidrodinâmicas (MHD) 2-D resistivas usando o código DRACO. As simulações incluíram coeficientes de transporte de Braginskii completos, o termo de Nernst e fluxos térmicos de gradiente cruzado, com o crescimento de RT semeado por perturbações de superfície pré-impostas ou ruído numérico.

Principais Resultados

1. Evolução Hidrodinâmica: Radiografias de prótons de folhas de 25 µm mostraram aceleração estável, enquanto as folhas de 15 µm exibiram estruturas do tipo bolha e se fragmentaram durante a fase de aceleração devido à instabilidade RT. Uma bainha de plasma formou-se à frente da região instável de RT nas folhas fragmentadas, uma característica ausente nos casos estáveis de 25 µm.
2. Geração de Campo Magnético: A principal observação foi a geração de campos magnéticos de nível megagauss (MG) dentro da folha fragmentada. A análise das deflexões de prótons indicou que campos eletromagnéticos, em vez de espalhamento colisional, foram os responsáveis pelas estruturas do tipo bolha observadas nos radiografias.
3. Magnitude e Topologia do Campo: Ao medir o ângulo de deflexão dos prótons (θ) e calcular o campo integrado pelo caminho, os autores estimaram forças de campo de aproximadamente 1,4 MG. Isso está em bom acordo com as simulações DRACO que preveem campos de até 2 MG. As simulações revelaram que os campos magnéticos são gerados na interface instável de RT por efeitos termoelétricos impulsionados por gradientes não paralelos de densidade e temperatura. Esses campos são transportados pelo plasma ablacionado e elétrons quentes (efeito Nernst), estendendo-se além do plasma da corona e para dentro da folha impulsionada.
4. Papel dos Campos vs. Hidrodinâmica: As simulações indicaram que o efeito dinâmico desses campos magnéticos espontâneos sobre o crescimento da instabilidade RT é negligenciável durante os estágios lineares e moderadamente não lineares. Um aumento significativo no crescimento de RT ocorre apenas em estágios altamente não lineares, quando o tamanho dos picos excede os comprimentos de onda de perturbação. As simulações reproduziram com sucesso a velocidade da folha medida, confirmando que a hidrodinâmica bruta foi prevista com precisão sem a necessidade de considerar o feedback magnético nos estágios iniciais.
5. Dominância Elétrica vs. Magnética: O rastreamento de raios de prótons usando as distribuições de campo simuladas demonstrou que os campos magnéticos autogerados são a causa dominante das deflexões do feixe de prótons. As simulações mostraram que desligar os campos elétricos teve pouco efeito na distribuição de prótons, enquanto desligar os campos magnéticos resultou em deflexão mínima.

Significância e Alegações
Este trabalho relata a primeira observação de campos magnéticos de nível MG dentro de uma folha impulsionada por laser que foi fragmentada pela instabilidade de RT. O estudo confirma que o crescimento não linear da instabilidade de RT em plasmas impulsionados por ablação gera campos magnéticos espontâneos significativos. Os dados experimentais mostram boa concordância com as previsões MHD 2-D em relação tanto à evolução hidrodinâmica quanto à magnitude dos campos gerados. Os autores concluem que, embora esses campos sejam substanciais, seu impacto dinâmico sobre a própria instabilidade de RT não é significativo até o regime altamente não linear, e eles são o mecanismo primário que deflete os prótons nas diagnósticos de radiografia.