Experimental measurements of laser plasma instabilities with broadband laser pulses

The study of Inertial Confinement Fusion (ICF) has recently undergone a growing revival of interest, mostly due to the exceptional result obtained by NIF (National Ignition Facility, United States of America) on the 5th of December 2022, when for the first time in history the breakeven condition was achieved and 3.15 MJ of energy from a 2.05 MJ input of laser energy were delivered, producing an energy gain of 1.5 MJ. This exceptional result demonstrates that ICF concept for producing electricity is viable. However, in order to build a nuclear reactor based on ICF, there are still many technological problems that need to find a solution. One of the main concerns for the success of ICF experiments is represented by Laser Plasma Instabilities (LPIs). These instabilities are of great concern for ICF experiments, both for direct drive ICF and indirect drive ICF, since they scatter large amounts of light in undesirable directions, causing its absorption to occur in unexpected regions and producing the so-called hot electrons which can preheat the fuel, degrading the capsule implosion. Both the scattered light and the hot electrons can account for tens of percent of the incident laser energy, affecting the evolution and the energy balance of plasma hydrodynamics and producing a larger energy requirement for the laser driver. During the last decades, many LPIs mitigation techniques have been investigated, which were able to partially reduce their growth but cannot be considered satisfactory. An experimental campaign at the PHELIX laser at GSI Helmholtz center for Heavy Ion research in Darmstadt (Germany) has recently been carried out. Thanks to a recent development, the laser system has the option to switch from a narrow bandwidth configuration to a high bandwidth option. The experiment investigated the effect of laser bandwidth on the growth of LPIs. The aim of the experiment was to compare laser plasma instabilities by using a broad bandwidth and a narrow bandwidth. This thesis work describes the experimental setup and presents the main results from the preliminary raw data analysis of the Backscatter Diagnostics.

Lo studio della Fusione a Confinamento Inerziale (ICF) ha recentemente conosciuto una crescente ripresa di interesse, dovuta principalmente all'eccezionale risultato ottenuto dal NIF (National Ignition Facility, Stati Uniti d'America) il 5 dicembre 2022, quando per la prima volta nella storia è stata raggiunta la condizione di "breakeven" e sono stati prodotti 3,15 MJ di energia a fronte di un input di 2,05 MJ di energia laser, generando un guadagno energetico di 1,5 MJ. Questo risultato eccezionale dimostra che il concetto di ICF per la produzione di elettricità è fattibile. Tuttavia, per poter costruire un reattore nucleare basato sull'ICF, ci sono ancora molti problemi tecnologici che necessitano di una soluzione. Una delle principali preoccupazioni per il successo degli esperimenti di ICF è rappresentata dalle Instabilità Laser-Plasma (LPIs). Queste instabilità destano grande preoccupazione per gli esperimenti di ICF, sia per lo schema “direct drive” che per lo schema “indirect drive”, poiché diffondono grandi quantità di luce in direzioni indesiderate, causando un assorbimento in regioni impreviste e producendo i cosiddetti hot electrons, che possono preriscaldare il combustibile, degradando l'implosione della capsula. Sia la luce diffusa che gli elettroni possono rappresentare decine di punti percentuali dell'energia laser incidente, influenzando l'evoluzione e il bilancio energetico dell'idrodinamica del plasma e richiedendo una maggiore energia per il laser. Negli ultimi decenni sono state studiate molte tecniche di mitigazione delle LPIs, che sono riuscite a ridurne parzialmente la crescita ma non possono essere considerate soddisfacenti. Recentemente è stata condotta una campagna sperimentale presso il laser PHELIX al centro GSI Helmholtz per la ricerca sugli Ioni Pesanti a Darmstadt (Germania). Grazie a un recente sviluppo, il sistema laser ha la possibilità di passare da una configurazione a banda stretta a un'opzione a banda larga. L'esperimento ha studiato l’effetto della banda del laser sulla crescita delle LPIs. Lo scopo dell'esperimento era confrontare le instabilità laser-plasma utilizzando una banda larga e una banda stretta. Questa tesi descrive l’apparato sperimentale e presenta i principali risultati preliminari dell’analisi dati delle diagnostiche di Backscatter.