Direct-drive–ignition designs with plastic CH ablators create plasmas of long density scale lengths (Ln ≥ 500 μm) at the quarter-critical density (Nqc) region of the driving laser. The two-plasmon–decay (TPD) instability can exceed its threshold in such long-scale-length plasmas (LSPs). To investigate the scaling of TPD-induced hot electrons to laser intensity and plasma conditions, a series of planar experiments have been conducted at the Omega Laser Facility with 2-ns square pulses at the maximum laser energies available on OMEGA and OMEGA EP. Radiation–hydrodynamic simulations have been performed for these LSP experiments using the two-dimensional hydrocode draco. The simulated hydrodynamic evolution of such long-scale-length plasmas has been validated with the time-resolved full-aperture backscattering and Thomson-scattering measurements. draco simulations for CH ablator indicate that (1) ignition-relevant long-scale-length plasmas of Ln approaching ∼400 μm have been created; (2) the density scale length at Nqc scales as Ln(μm)(RDPP×I1/4/2); and (3) the electron temperature Te at Nqc scales as Te(keV)0.95×I, with the incident intensity (I) measured in 1014 W/cm2 for plasmas created on both OMEGA and OMEGA EP configurations with different-sized (RDPP) distributed phase plates. These intensity scalings are in good agreement with the self-similar model predictions. The measured conversion fraction of laser energy into hot electrons fhot is found to have a similar behavior for both configurations: a rapid growth [fhotfc×(Gc/4)6 for Gc < 4] followed by a saturation of the form, fhotfc×(Gc/4)1.2 for Gc ≥ 4, with the common wave gain is defined as Gc=3×102×IqcLnλ0/Te, where the laser intensity contributing to common-wave gain Iqc, Ln, Te at Nqc, and the laser wavelength λ0 are, respectively, measured in [1014 W/cm2], [μm], [keV], and [μm]. The saturation level fc is observed to be fc ≃ 102 at around Gc ≃ 4. The hot-electron temperature scales roughly linear with Gc. Furthermore, to mitigate TPD instability in long-scale-length plasmas, different ablator materials such as saran and aluminum have been investigated on OMEGA EP. Hot-electron generation has been reduced by a factor of 3–10 for saran and aluminum plasmas, compared to the CH case at the same incident laser intensity. draco simulations suggest that saran might be a better ablator for direct-drive–ignition designs as it balances TPD mitigation with an acceptable hydro-efficiency.

1.
S. E.
Bodner
,
D. G.
Colombant
,
J. H.
Gardner
,
R. H.
Lehmberg
,
S. P.
Obenschain
,
L.
Phillips
,
A. J.
Schmitt
,
J. D.
Sethian
,
R. L.
McCrory
,
W.
Seka
,
C. P.
Verdon
,
J. P.
Knauer
,
B. B.
Afeyan
, and
H. T.
Powell
,
Phys. Plasmas
5
,
1901
(
1998
).
2.
C.
Cherfils-Clérouin
,
C.
Boniface
,
M.
Bonnefille
,
P.
Fremerye
,
D.
Galmiche
,
P.
Gauthier
,
J.
Giorla
,
F.
Lambert
,
S.
Laffite
,
S.
Liberatore
,
P.
Loiseau
,
G.
Malinie
,
L.
Masse
,
P. E.
Masson-Laborde
,
M. C.
Monteil
,
F.
Poggi
,
P.
Seytor
,
F.
Wagon
, and
J. L.
Willien
,
J. Phys.: Conf. Ser.
244
,
022009
(
2010
).
3.
D. D.
Meyerhofer
,
R. L.
McCrory
,
R.
Betti
,
T. R.
Boehly
,
D. T.
Casey
,
T. J. B.
Collins
,
R. S.
Craxton
,
J. A.
Delettrez
,
D. H.
Edgell
,
R.
Epstein
,
K. A.
Fletcher
,
J. A.
Frenje
,
Y. Yu.
Glebov
,
V. N.
Goncharov
,
D. R.
Harding
,
S. X.
Hu
,
I. V.
Igumenshchev
,
J. P.
Knauer
,
C. K.
Li
,
J. A.
Marozas
,
F. J.
Marshall
,
P. W.
McKenty
,
P. M.
Nilson
,
S. P.
Padalino
,
R. D.
Petrasso
,
P. B.
Radha
,
S. P.
Regan
,
T. C.
Sangster
,
F. H.
Séguin
,
W.
Seka
,
R. W.
Short
,
D.
Shvarts
,
S.
Skupsky
,
J. M.
Soures
,
C.
Stoeckl
,
W.
Theobald
, and
B.
Yaakobi
,
Nucl. Fusion
51
,
053010
(
2011
).
4.
N. S.
Krasheninnikova
,
S. M.
Finnegan
, and
M. J.
Schmitt
,
Phys. Plasmas
19
,
012702
(
2012
).
5.
J. D.
Lindl
,
Phys. Plasmas
2
,
3933
(
1995
).
6.
J. D.
Lindl
,
P.
Amendt
,
R. L.
Berger
,
S. G.
Glendinning
,
S. H.
Glenzer
,
S. W.
Haan
,
R. L.
Kauffman
,
O. L.
Landen
, and
L. J.
Suter
,
Phys. Plasmas
11
,
339
(
2004
).
7.
C. E.
Max
,
C. F.
McKee
, and
M. C.
Mead
,
Phys. Fluids
23
,
1620
(
1980
).
8.
J. H.
Gardner
,
M. J.
Herbst
,
F. C.
Young
,
J. A.
Stamper
,
S. P.
Obenschain
,
C. K.
Manka
,
K. J.
Kearney
,
J.
Grun
,
D.
Duston
, and
P. G.
Burkhalter
,
Phys. Fluids
29
,
1305
(
1986
).
9.
W. L.
Kruer
,
The Physics of Laser–Plasma Interactions
, Frontiers in Physics, Vol. 73, edited by
D.
Pines
(
Addison-Wesley
,
Redwood City, CA
,
1988
), Chap. 8, p.
87
.
10.
S.
Atzeni
,
A.
Schiavi
, and
C.
Bellei
,
Phys. Plasmas
14
,
052702
(
2007
).
11.
S.
Depierreux
,
P.
Loiseau
,
D. T.
Michel
,
V.
Tassin
,
C.
Stenz
,
P.-E.
Masson-Laborde
,
C.
Goyon
,
V.
Yahia
, and
C.
Labaune
,
Phys. Plasmas
19
,
012705
(
2012
).
12.
D. H.
Froula
,
D. T.
Michel
,
I. V.
Igumenshchev
,
S. X.
Hu
,
B.
Yaakobi
,
J. F.
Myatt
,
D. H.
Edgell
,
R.
Follett
,
V.
Yu Glebov
,
V. N.
Goncharov
,
T. J.
Kessler
,
A. V.
Maximov
,
P. B.
Radha
,
T. C.
Sangster
,
W.
Seka
,
R. W.
Short
,
A. A.
Solodov
,
C.
Sorce
, and
C.
Stoeckl
,
Plasma Phys. Controlled Fusion
54
,
124016
(
2012
).
13.
V. N.
Goncharov
,
T. C.
Sangster
,
T. R.
Boehly
,
S. X.
Hu
,
I. V.
Igumenshchev
,
F. J.
Marshall
,
R. L.
McCrory
,
D. D.
Meyerhofer
,
P. B.
Radha
,
W.
Seka
,
S.
Skupsky
,
C.
Stoeckl
,
D. T.
Casey
,
J. A.
Frenje
, and
R. D.
Petrasso
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
165001
(
2010
).
14.
M. N.
Rosenbluth
,
Phys. Rev. Lett.
29
,
565
(
1972
);
C. S.
Liu
,
M. N.
Rosenbluth
, and
R. B.
White
,
Phys. Rev. Lett.
31
,
697
(
1973
).
15.
A. A.
Offenberger
,
A.
Ng
,
L.
Pitt
, and
M. R.
Cervenan
,
Phys. Rev. A
18
,
746
(
1978
);
H. A.
Baldis
and
C. J.
Walsh
,
Phys. Fluids
26
,
1364
(
1983
).
16.
A.
Simon
,
R. W.
Short
,
E. A.
Williams
, and
T.
Dewandre
,
Phys. Fluids
26
,
3107
(
1983
);
G.
Picard
and
T. W.
Johnston
,
Phys. Rev. Lett.
51
,
574
(
1983
).
17.
H.
Figueroa
,
C.
Joshi
,
H.
Azechi
,
N. A.
Ebrahim
, and
Kent
Estabrook
,
Phys. Fluids
27
,
1887
(
1984
).
18.
L. V.
Powers
and
R. L.
Berger
,
Phys. Fluids
28
,
2419
(
1985
).
19.
B. B.
Afeyan
and
E. A.
Williams
,
Phys. Plasmas
4
,
3827
(
1997
).
20.
C.
Stoeckl
,
R. E.
Bahr
,
B.
Yaakobi
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
90
,
235002
(
2003
).
21.
J. L.
Weaver
,
J.
Oh
,
B.
Afeyan
,
L.
Phillips
,
J.
Seely
,
U.
Feldman
,
C.
Brown
,
M.
Karasik
,
V.
Serlin
,
Y.
Aglitskiy
,
A. N.
Mostovych
,
G.
Holland
,
S.
Obenschain
,
L.-Y.
Chan
,
D.
Kehne
,
R. H.
Lehmberg
,
A. J.
Schmitt
,
D.
Colombant
, and
A.
Velikovich
,
Phys. Plasmas
14
,
056316
(
2007
).
22.
W.
Seka
,
D. H.
Edgell
,
J. F.
Myatt
,
A. V.
Maximov
,
R. W.
Short
,
V. N.
Goncharov
, and
H. A.
Baldis
,
Phys. Plasmas
16
,
052701
(
2009
).
23.
H. X.
Vu
,
D. F.
DuBois
,
D. A.
Russell
, and
J. F.
Myatt
,
Phys. Plasmas
17
,
072701
(
2010
).
24.
P.
Sati
and
V. K.
Tripathi
,
Phys. Plasmas
19
,
042106
(
2012
);
B.
Yaakobi
,
P.-Y.
Chang
,
A. A.
Solodov
,
C.
Stoeckl
,
D. H.
Edgell
,
R. S.
Craxton
,
S. X.
Hu
,
J. F.
Myatt
,
F. J.
Marshall
,
W.
Seka
, and
D. H.
Froula
,
Phys. Plasmas
19
,
012704
(
2012
).
25.
D. H.
Froula
,
B.
Yaakobi
,
S. X.
Hu
,
P.-Y.
Chang
,
R. S.
Craxton
,
D. H.
Edgell
,
R.
Follett
,
D. T.
Michel
,
J. F.
Myatt
,
W.
Seka
,
R. W.
Short
,
A.
Solodov
, and
C.
Stoeckl
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
165003
(
2012
).
26.
Y.
Lin
,
T. J.
Kessler
, and
G. N.
Lawrence
,
Opt. Lett.
20
,
764
(
1995
).
27.
B.
Yaakobi
,
C.
Stoeckl
,
T.
Boehly
,
D. D.
Meyerhofer
, and
W.
Seka
,
Phys. Plasmas
7
,
3714
(
2000
).
28.
C.
Stoeckl
,
V. Yu.
Glebov
,
D. D.
Meyerhofer
,
W.
Seka
,
B.
Yaakobi
,
R. P. J.
Town
, and
J. D.
Zuegel
,
Rev. Sci. Instrum.
72
,
1197
(
2001
).
29.
D.
Keller
,
T. J. B.
Collins
,
J. A.
Delettrez
,
P. W.
McKenty
,
P. B.
Radha
,
B.
Whitney
, and
G. A.
Moses
,
Bull. Am. Phys. Soc.
44
,
37
(
1999
);
P. B.
Radha
,
T. J. B.
Collins
,
J. A.
Delettrez
,
Y.
Elbaz
,
R.
Epstein
,
V. Yu.
Glebov
,
V. N.
Goncharov
,
R. L.
Keck
,
J. P.
Knauer
,
J. A.
Marozas
,
F. J.
Marshall
,
R. L.
McCrory
,
P. W.
McKenty
,
D. D.
Meyerhofer
,
S. P.
Regan
,
T. C.
Sangster
,
W.
Seka
,
D.
Shvarts
,
S.
Skupsky
,
Y.
Srebro
, and
C.
Stoeckl
,
Phys. Plasmas
12
,
056307
(
2005
).
30.
J. A.
Marozas
,
F. J.
Marshall
,
R. S.
Craxton
,
I. V.
Igumenshchev
,
S.
Skupsky
,
M. J.
Bonino
,
T. J. B.
Collins
,
R.
Epstein
,
V. Yu.
Glebov
,
D.
Jacobs-Perkins
,
J. P.
Knauer
,
R. L.
McCrory
,
P. W.
McKenty
,
D. D.
Meyerhofer
,
S. G.
Noyes
,
P. B.
Radha
,
T. C.
Sangster
,
W.
Seka
, and
V. A.
Smalyuk
,
Phys. Plasmas
13
,
056311
(
2006
).
31.
B. I.
Bennett
,
J. D.
Johnson
,
G. I.
Kerley
, and
G. T.
Rood
, Report No. LA-7130, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM,
1978
.
32.
W. F.
Huebner
,
A. L.
Merts
,
N. H.
Magee
, Jr.
, and
M. F.
Argo
, Report No. LA-6760-M, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM,
1977
.
33.
J. J.
MacFarlane
and
P.
Wang
,
Laser Part. Beams
10
,
349
(
1992
).
34.
R. C.
Malone
,
R. L.
McCrory
, and
R. L.
Morse
,
Phys. Rev. Lett.
34
,
721
(
1975
).
35.
S. X.
Hu
,
V.
Smalyuk
,
V. N.
Goncharov
,
S.
Skupsky
,
T. C.
Sangster
,
D. D.
Meyerhofer
, and
D.
Shvarts
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
055002
(
2008
).
36.
I. V.
Igumenshchev
,
F. J.
Marshall
,
J. A.
Marozas
,
V. A.
Smalyuk
,
R.
Epstein
,
V. N.
Goncharov
,
T. J. B.
Collins
,
T. C.
Sangster
, and
S.
Skupsky
,
Phys. Plasmas
16
,
082701
(
2009
).
37.
S. X.
Hu
,
V. A.
Smalyuk
,
V. N.
Goncharov
,
J. P.
Knauer
,
P. B.
Radha
,
I. V.
Igumenshchev
,
J. A.
Marozas
,
C.
Stoeckl
,
B.
Yaakobi
,
D.
Shvarts
,
T. C.
Sangster
,
P. W.
McKenty
,
D. D.
Meyerhofer
,
S.
Skupsky
, and
R. L.
McCrory
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
185003
(
2008
).
38.
T. J. B.
Collins
,
J. A.
Marozas
,
K. S.
Anderson
,
R.
Betti
,
R. S.
Craxton
,
J. A.
Delettrez
,
V. N.
Goncharov
,
D. R.
Harding
,
F. J.
Marshall
,
R. L.
McCrory
,
D. D.
Meyerhofer
,
P. W.
McKenty
,
P. B.
Radha
,
A.
Shvydky
,
S.
Skupsky
, and
J. D.
Zuegel
,
Phys. Plasmas
19
,
056308
(
2012
).
39.
P. B.
Radha
,
C.
Stoeckl
,
V. N.
Goncharov
,
J. A.
Delettrez
,
D. H.
Edgell
,
J. A.
Frenje
,
I. V.
Igumenshchev
,
J. P.
Knauer
,
J. A.
Marozas
,
R. L.
McCrory
,
D. D.
Meyerhofer
,
R. D.
Petrasso
,
S. P.
Regan
,
T. C.
Sangster
,
W.
Seka
, and
S.
Skupsky
,
Phys. Plasmas
18
,
012705
(
2011
).
40.
Y. T.
Lee
and
R. M.
More
,
Phys. Fluids
27
,
1273
(
1984
);
B.
Xu
and
S. X.
Hu
,
Phys. Rev. E
84
,
016408
(
2011
).
41.
V. A.
Smalyuk
,
S. X.
Hu
,
V. N.
Goncharov
,
D. D.
Meyerhofer
,
T. C.
Sangster
,
D.
Shvarts
,
C.
Stoeckl
,
B.
Yaakobi
,
J. A.
Frenje
, and
R. D.
Petrasso
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
025002
(
2008
);
[PubMed]
V. A.
Smalyuk
,
S. X.
Hu
,
V. N.
Goncharov
,
D. D.
Meyerhofer
,
T. C.
Sangster
,
C.
Stoeckl
, and
B.
Yaakobi
,
Phys. Plasmas
15
,
082703
(
2008
);
J. D.
Hager
,
V. A.
Smalyuk
,
S. X.
Hu
,
J. P.
Knauer
,
D. D.
Meyerhofer
, and
T. C.
Sangster
,
Phys. Plasmas
19
,
072707
(
2012
).
42.
T. R.
Boehly
,
V. N.
Goncharov
,
W.
Seka
,
M. A.
Barrios
,
P. M.
Celliers
,
D. G.
Hicks
,
G. W.
Collins
,
S. X.
Hu
,
J. A.
Marozas
, and
D. D.
Meyerhofer
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
195005
(
2011
);
[PubMed]
T. R.
Boehly
,
V. N.
Goncharov
,
W.
Seka
,
S. X.
Hu
,
J. A.
Marozas
,
D. D.
Meyerhofer
,
P. M.
Celliers
,
D. G.
Hicks
,
M. A.
Barrios
,
D.
Fratanduono
, and
G. W.
Collins
,
Phys. Plasmas
18
,
092706
(
2011
).
43.
V. A.
Smalyuk
,
S. X.
Hu
,
J. D.
Hager
,
J. A.
Delettrez
,
D. D.
Meyerhofer
,
T. C.
Sangster
, and
D.
Shvarts
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
105001
(
2009
);
[PubMed]
V. A.
Smalyuk
,
S. X.
Hu
,
J. D.
Hager
,
J. A.
Delettrez
,
D. D.
Meyerhofer
,
T. C.
Sangster
, and
D.
Shvarts
,
Phys. Plasmas
16
,
112701
(
2009
).
44.
M. J.-E.
Manuel
,
C. K.
Li
,
F. H.
Séguin
,
J.
Frenje
,
D. T.
Casey
,
R. D.
Petrasso
,
S. X.
Hu
,
R.
Betti
,
J. D.
Hager
,
D. D.
Meyerhofer
, and
V. A.
Smalyuk
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
255006
(
2012
).
45.
S.
Atzeni
and
J.
Meyer-ter-Vehn
,
The Physics of Inertial Fusion: Beam Plasma Interaction, Hydrodynamics, Hot Dense Matter
, International Series of Monographs on Physics (
Clarendon
,
Oxford
,
2004
).
46.
D. T.
Michel
,
A. V.
Maximov
,
R. W.
Short
,
S. X.
Hu
,
J. F.
Myatt
,
W.
Seka
,
A. A.
Solodov
,
B.
Yaakobi
, and
D. H.
Froula
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
155007
(
2012
).
47.
D. T.
Michel
,
J. F.
Myatt
,
A. V.
Maximov
,
R. W.
Short
,
J. A.
Delettrez
,
S. X.
Hu
,
I. V.
Igumenshchev
,
W.
Seka
,
A. A.
Solodov
,
C.
Stoeckl
,
B.
Yaakobi
,
J.
Zhang
, and
D. H.
Froula
, “
Measured multiple-beam hot-electron intensity threshold quantified by a TPD resonant common-wave gain in various experimental configurations
,”
Phys. Plasmas
(submitted).
48.
J. F.
Myatt
,
J.
Zhang
,
V. N.
Goncharov
,
A. V.
Maximov
,
R. W.
Short
,
D. F.
DuBois
,
D. A.
Russell
, and
H. X.
Vu
,
Bull. Am. Phys. Soc.
57
,
299
(
2012
).
49.
D. F.
DuBois
,
D. A.
Russell
, and
H. A.
Rose
,
Phys. Rev. Lett.
74
,
3983
(
1995
);
[PubMed]
D. A.
Russell
and
D. F.
DuBois
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
428
(
2001
).
[PubMed]
50.
G.
Fiksel
,
S. X.
Hu
,
V. N.
Goncharov
,
D. D.
Meyerhofer
,
T. C.
Sangster
,
V. A.
Smalyuk
,
B.
Yaakobi
,
M. J.
Bonino
, and
R.
Jungquist
,
Phys. Plasmas
19
,
062704
(
2012
);
S. X.
Hu
,
G.
Fiksel
,
V. N.
Goncharov
,
S.
Skupsky
,
D. D.
Meyerhofer
, and
V. A.
Smalyuk
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
195003
(
2012
).
[PubMed]
51.
S.
Mazevet
,
L. A.
Collins
,
N. H.
Magee
,
J. D.
Kress
, and
J. J.
Keady
,
Astron. Astrophys.
405
,
L5
(
2003
);
S. X.
Hu
,
B.
Militzer
,
V. N.
Goncharov
, and
S.
Skupsky
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
235003
(
2010
);
[PubMed]
S. X.
Hu
,
B.
Militzer
,
V. N.
Goncharov
, and
S.
Skupsky
,
Phys. Rev. B
84
,
224109
(
2011
).
You do not currently have access to this content.