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Study of a laser generated diamagnetic cavity and Alfvén waves in a large magnetized plasma

Lee, Bo Ram :
Study of a laser generated diamagnetic cavity and Alfvén waves in a large magnetized plasma.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Study of a laser generated diamagnetic cavity and Alfvén waves in a large magnetized plasma
Language: English
Abstract:

Dense plasma expansion into a tenuous magnetized background plasma is prevalent in space and astrophysical environments. In the interaction between plasmas with different densities under the influence of the magnetic field, various hydromagnetic waves are generated including the magnetized collisionless shocks which are believed to be the source of high energy particles, such as galactic cosmic rays from supernova remnants. Despite its importance in astrophysics and the study for longer than five decades, however, details of the shock physics, such as the formation process or the energy dissipation mechanisms are still not fully understood.

This work describes experiments carried out at the Large Plasma Device at University of California, Los Angeles, coupled to a kilojoule-laser. When a laser produced dense plasma interacts with a preformed, magnetized background plasma, a diamagnetic cavity is formed which can be pictured as a piston driving a collisionless shock. Understanding the micro-physics of generated diamagnetic cavities is crucial since it is observed in many magnetized plasmas with applied magnetic field and there are still a number of questions to be answered. In a series of experiments performed at different plasma parameters, magnetic flux probes and electron emissive probes are used to diagnose the structure of the diamagnetic cavity perpendicular to the magnetic field, especially at its edge where the collisionless coupling between the debris and ambient plasma takes place. In contrast to lower laser energy, a strong coupling to ambient ions could be observed depending on the background magnetic field although the energy conversion efficiency from the laser to the cavity stayed on the same order of magnitude. A rise of the radial electric field at the cavity edge was detected, which might be a direct evidence for the laminar coupling mechanism between debris and ambient plasmas without any collisional effects. Large fluctuations in the magnetic and electric field measurements in front of the cavity edge, which were also seen in the experimental observations, are assumed to be instabilities causing energy dissipation and the short cavity lifetime which is almost three orders of magnitude shorter than the theoretically derived classical diffusion time. Along the plasma column, soliton-like Alfv\'en waves were detected which might result from the nonlinear interaction between energetic electrons generated at the cavity edge and the surrounding magnetized plasma. Here, a better energy conversion efficiency from the laser to the Alfv\'en waves has been calculated. Finally, the experimental results are compared to two-dimensional hybrid simulations. The observed ion dynamics as well as large fluctuations in the electric field measurements at the cavity edge could be reproduced. An additional study was done on the effect of the polytropic coefficient in the electron temperature equation in the code and it showed that a nonadiabatic electron temperature increase affects the dynamics of the electric field as well as that of the diamagnetic cavity.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Expansion eines dichten Plasmas in ein magnetisiertes Plasma geringerer Dichte ist im Weltall und so auch im erdnahen Raum weit verbreitet. Bei der Wechselwirkung zwischen Plasmen unterschiedlicher Dichte im Magnetfeld werden verschiedene hydromagnetische Wellen erzeugt, z.B. die stoßfreien Stoßwellen, von denen man annimmt, dass sie die Quelle hochenergetischer Elektronen sind. Ein Beispiel hierfür ist die galaktische kosmische Strahlung von Supernovaüberresten. Trotz der Bedeutung für die Astrophysik und der bereits mehr als 50 Jahre andauernden Forschungstätigkeit ist die Physik von Stoßwellen heute aber immer noch nicht vollständig verstanden. So fehlen noch Erklärungen des eigentlichen Entstehungsprozesses der Stoßwellen und der Dissipation ihrer Energie. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird ein Experiment mit dem "Großen Plasmagerät" (Large Plasma Device - LAPD) an der University of California, Los Angeles, beschrieben, das an einen kJ-Laser gekoppelt ist. Wenn ein laserproduziertes dichtes Plasma mit einem vorgeformten, magnetisierten Plasma wechselwirkt, bildet sich ein diamagnetisches Loch, welches mit einem Kolben verglichen werden kann, der eine stoßfreie Stoßwelle generiert. Das Verständnis der Mikrophysik des entstandenen diamagnetischen Lochs ist sehr wesentlich, da derartige Löcher in vielen Plasmen beobachtet werden, die sich in einem Magnetfeld befinden, aber weiterhin bleiben viele Fragen unbeantwortet. In einer Serie von Experimenten werden bei unterschiedlichen Plasmaparametern Proben des Magnetfeldflusses und Elektronen emittierende Proben genommen, um die Struktur des diamagnetischen Lochs senkrecht zum Magnetfeld zu untersuchen, vor allem in der Randschicht, wo die stoßfreie Kopplung zwischen vom Target abgelösten Teilchen des Plasmas höherer Dichte und dem umgebenden Plasma niedriger Dichte stattfindet. Im Vergleich zu niedrigeren Laserenergiebereichen konnte ein besserer Energietransfer an das Hintergrundplasma beobachtet werden, welcher von der Stärke des angelegten Magnetfeldes abhängt. Dabei bleibt der Energieumwandlungswirkungsgrad vom Laser zum diamagnetischen Loch trotz der erhöhten Laserenergie in der gleichen Größenordnung. Der Anstieg des elektrischen Feldes an dem vorderen Rand von Stoßwellen wurde experimentell festgestellt, welcher ein direkter Beweis für den stoßfreien laminaren Kopplungsmechanismus zwischen dem laserproduzierten Plasma und den Umgebungsionen sein kann. Die vermessenen großen Fluktuationen der Magnetfelder und elektrischen Felder vor dem Rand, die auch durch schnelle Fotoaufnahmen beobachtet wurden, geben Hinweise auf die Anregung von Plasmainstabilitäten, welche als Ursache sowohl für Energiedissipation als auch für die kurze Lebensdauer des diamagnetischen Lochs betrachtet wird. Dieser ist etwa drei Größenordnung kürzer als die theoretisch hergeleitete klassische Diffusionszeit. Entlang den Magnetfeldlinien wurden solitonen-ähnliche Alfvén-Wellen detektiert, welche aus der nichtlinearen Wechselwirkung zwischen energetischen Elektronen und dem umgebenden magnetisierten Plasma erzeugt werden können. Diese haben einen besseren Energieumwandlungswirkungsgrad im Vergleich zu den Alfvén-Wellen, die bei niedrigeren Laserenergien entstehen. Die experimentellen Ergebnisse der Arbeit werden mit zwei-dimensionalen Hybridsimulationen verglichen. Die im Experiment beobachtete Ionendynamik sowie große Fluktuationen in den Messungen von elektrischen Feldern konnten reproduziert werden. Weiterhin wurde auch der Einfluss des Polytropenkoeffizienten auf die Lösung der mathematischen Gleichung für die Elektronentemperatur im Hybridcode erforscht. Dabei hatte ein nichtadiabatischer Anstieg der Elektronentemperatur zur Folge, dass die elektrische Feldenergie zunahm und die Umgebungsionen in radialer Richtung schneller beschleunigt wurden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
Date Deposited: 22 Dec 2015 10:51
Last Modified: 22 Dec 2015 10:51
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-52112
Referees: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H. H. and Niemann, Prof. Dr. Christoph
Refereed: 16 December 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/5211
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