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Archivio digitale delle tesi discusse presso l'Università di Pisa

Tesi etd-05042010-171346


Tipo di tesi
Tesi di laurea specialistica
Autore
CIRICOSTA, ORLANDO
URN
etd-05042010-171346
Titolo
Sviluppo laser e sperimentazione nel quadro degli studi sulla fisica della fusione termonucleare per confinamento inerziale
Dipartimento
SCIENZE MATEMATICHE, FISICHE E NATURALI
Corso di studi
SCIENZE FISICHE
Relatori
relatore Giulietti, Antonio
relatore Giulietti, Danilo
Parole chiave
  • plasma
  • broadband
  • shock ignition
  • parametric instabilities
  • X-ray diagnostics
  • laser
  • icf
Data inizio appello
21/05/2010
Consultabilità
Completa
Riassunto
Il lavoro presentato in questa tesi di laurea si inserisce nell’ambito delle ricerche svolte presso il gruppo ILIL del CNR di Pisa nel campo della fusione laser, cui ho avuto modo di partecipare attivamente durante il mio periodo di tirocinio. Tale lavoro si è diviso su due fronti principali: da una parte lo sviluppo di un sistema laser adatto a studi fusionistici su piccola scala, mirato soprattutto alla soppressione delle instabilità parametriche; dall’altra la partecipazione al primo esperimento specificamente dedicato alla shock ignition nell’ambito del progetto europeo HiPER. Tra l’altro in questo esperimento è stata impiegata una diagnostica X sviluppata all’interno del gruppo ILIL. L’elaborato è suddiviso in tre parti, una introduttiva, e due relative al lavoro svolto.
La prima parte costituisce un’introduzione alla fusione laser, con particolare attenzione alle instabilità parametriche che caratterizzano l’interazione laser-plasma e allo schema di ignizione detto shock ignition.
Uno dei maggiori problemi nel trasferimento di potenza dal fascio laser al bersaglio fusionistico è costituito dalla crescita delle cosiddette instabilità parametriche: nel caso di un tipico plasma da fusione tali instabilità prendono la forma di un decadimento dell’onda e.m. del laser di pompa in due modi di oscillazione del plasma (elettronico, ionico-acustico o un’altra onda e.m.). Ciò accade per intensità del laser maggiori di una certa soglia. Il risultato netto è che non tutta la luce laser contribuisce effettivamente alla compressione del bersaglio, in quanto una parte di essa viene diffusa fuori della regione di interesse. Inoltre alcune instabilità possono provocare la comparsa di elettroni veloci che preriscaldando il bersaglio ne pregiudicano la compressione. Nel testo vengono descritti i tre tipi di instabilità che risultano maggiormente dannosi per la fusione (scattering stimolati Raman e Brillouin e two-plasmon decay) ed i processi ad essi correlati.
Oltre alle instabilità di cui sopra, un problema da risolvere per il successo della fusione laser risulta il raggiungimento delle condizioni di accensione della reazione (ignizione) senza ricorrere ad energie laser attualmente proibitive e che comunque renderebbero il processo poco redditizio dal punto di vista energietico. Per ovviare a questo problema lo schema che finora ha suscitato più interesse è quello della fast ignition, che sembra però presentare dei problemi, legati anche
al tipo di bersaglio che esso richiederebbe; uno schema di ignizione alternativo è rappresentato dalla shock ignition che sembra essere un metodo molto promettente per via degli alti guadagni raggiungibili con moderate energie laser. L’idea è quella di realizzare l’ignizione del combustibile compresso mediante un onda di shock causata da un secondo impulso laser di durata di qualche centinaio di ps inviato in configurazione simile a quella del fascio di compressione. Nel testo vengono mostrate le caratteristiche di base di questo schema di ignizione. Visto che l’impulso di ignizione risulta essere ad alta intensità (10^16 W/cm^2 ) esso risulta ampiamente sopra soglia per la crescita di tutte le instabilità parametriche suddette, la cui soppressione risulta dunque un obiettivo doppiamente importante anche in questo schema.
Nella seconda parte della tesi è descritta la parte di sviluppo laser del mio lavoro: essa si inserisce nell’ambito di un progetto pluriennale italiano, il progetto BLISS (Broadband Laser for Icf Strategic Studies), che punta alla costruzione di un sistema laser con impulsi al nanosecondo a largabanda. Lo scopo primario del progetto è quello di costruire uno strumento che permetta lo studio degli effetti della larghezza di banda nell’accoppiamento tra laser e plasma. L’utilizzo di laser a larga banda sembra essere in particolare la chiave per la soppressione delle instabilità parametriche, ma finora lo studio del problema si è limitato solo ai modelli teorici. Un introduzione a questo argomento è presente nell’elaborato. Il laser BLISS dovrebbe contribuire con una serie di esperimenti mirati su piccola scala proprio a questo tipo di studi. Il mio contributo specifico a questo progetto riguarda soprattutto lo stadio di front-end del sistema: l’impulso di un oscillatore ai fs, intrinsecamente largabanda, viene allungato (stretchato) temporalmente tramite un paio di reticoli di diffrazione e successivamente amplificato tramite un preamplificatore ottico parametrico; la tecnica è quella degli usuali laser CPA, ma il fascio di BLISS non viene ricompresso dopo l’amplificazione. Nell’elaborato viene presentata la teoria del pulse stretching con reticoli di diffrazione accompagnata dalle simulazioni effettuate per il nostro sistema; sono inoltre mostrati i risultati dello studio di caratterizzazione dell’impulso stretchato e le simulazioni effettuate per l’impulso del sistema lungo l’intera catena di amplificazione.
L’ultima parte della tesi riguarda la campagna sperimentale appena conclusa alla facility Prague Asterix Laser Sistem sulla fisica dell’accoppiamento laser-plasma ad intensità rilevanti per lo schema di shock ignition. Essa prevede lo studio sia della generazione e propagazione di onde d’urto in un plasma preformato, sia delle instabilità parametriche generate nell’interazione. Il mio lavoro ha riguardato soprattutto l’analisi dati di un’innovativa diagnostica di imaging X con risoluzione spettrale sviluppata dal gruppo ILIL, la EEPHC (Energy Encoded Pin-Hole Camera), e lo studio del backscattering ottico provocato dalle instabilità parametriche. I risultati relativi a questi aspetti sono presentati in dettaglio nel lavoro di tesi.
Per quel che riguada la diagnostica EEPHC, una immagine X del plasma è stata fatta su una CCD attraverso un array di pin-holes, lavorando in regime di singolo fotone. Dai dati forniti dalla CCD sono state ottenute informazioni sullo spettro di emissione X del plasma, mentre l’acquisizione simultanea di più immagini data dal pin-hole array ha permesso la ricostruzione dell’immagine della sorgente X.
Per quanto riguarda lo studio del backscattering ottico dovuto all’instaurarsi delle instabilità parametriche, esso è stato invece eseguito tramite diagnostiche di imaging, spettroscopia ottica e calorimetria.
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