X rays from laser-plasma accelerators

Uno dei maggiori obiettivi della ricerca nel campo degli acceleratori basati su interazione laser-plasma è la realizzazione di una sorgente compatta di raggi x impulsati al femtosecondo. L’interazione tra brevi impulsi laser e un plasma, a energie relativistiche, ha recentemente portato a una nuova generazione di sorgenti di raggi x con le proprietà desiderate. Queste sorgenti, basate sulla radiazione emessa da elettroni accelerati nel plasma, hanno in comune di essere compatte, produrre radiazione collimata, incoerente e impulsata al femtosecondo. In questa tesi vengono presentati alcuni metodi per ottenere raggi x da elettroni accelerati per interazione tra laser e plasma: la radiazione di betatrone da elettroni intrappolati e accelerati nel cosiddetto “bubble regime”, la radiazione di sincrotrone da elettroni posti in un ondulatore convenzionale con lunghezza dell’ordine dei metri e la radiazione ottenuta dal backscattering di Thomson. Vengono presentate: la fisica alla base di tali metodi, simulazioni numeriche e risultati sperimentali per ogni sorgente di raggi x. Infine, viene discussa una delle più promettenti applicazioni fornite dagli acceleratori basati su interazione tra laser e plasma: il Free-electron laser nello spettro dei raggi x, capace di fornire intensità 108-1010 volte più elevate rispetto alle altre sorgenti.

Study of nanostructured targets for plasma production via laser ablation

Metal nanowires (NWs) - nanostructures 20-100 nm in diameter and up to tens of micrometers long - behave as waveguides when irradiated with light with wavelength much greater than their diameter. This is due to collective excitations of free electrons (plasmons) in the metal which couple to light and travel on the surface of the nanowire. This effect can be used to efficiently absorb laser pulses to produce dense and hot plasma on special nanostructured targets with metal nanowires vertically aligned on the surface. In this thesis work, nanostructured targets with different parameters (length, diameter, metal and fabrication process) have been irradiated with infrared laser light. X-ray flux emitted by the cooling plasma is measured during irradiation, and the depth of craters formed on the target is measured later. This data is used to choose which target parameters are best for plasma production. Different targets are compared with each other and against a control, non-nanostructured (bulk) target. As will be shown, highly significant (> 5 sigma) differences are found between targets with different nanostructures, and between nanostructured and bulk target. This differences are very difficult to explain whithout accounting for the nanostructures in the targets. Therefore, data collected and analized in this thesis work supports the hypotesys that nanostructured targets perform better than bulk targets for laser plasma production purposes, and provides useful indications for optimization of NWS' parameters.

Studio teorico e modellizzazione numerica degli effetti di preplasma in regime di accelerazione di ioni tramite laser

Argomento di questo lavoro di tesi è l’accelerazione di ioni tramite interazione laser-plasma. Nel particolare, uno studio teorico sui principali meccanismi di accelerazione e una campagna di simulazioni numeriche volte ad analizzare gli effetti sullo spettro energetico dei protoni accelerati dovuti al preplasma sono stati svolti. Quando laser ad impulsi brevi, ad alta intensità e a contrasto finito, interagiscono con un campione solido è presente un preimpulso che causa la formazione di una regione di preplasma antistante il bersaglio che può rendere più efficace l’accelerazione dei protoni. Vengono dunque introdotti nel primo capitolo i concetti e le tecniche base per studiare a livello teorico e numericamente le interazioni laser-plasma. Nel secondo capitolo sono trattati analiticamente alcuni meccanismi di accelerazione di ioni. Nel terzo ed ultimo capitolo vengono descritti gli effetti di preplasma ed esposti risultati di simulazioni PIC volte a trovare i parametri ottimali per ottenere ioni più energetici.

Moto di particelle cariche in campi elettromagnetici intensi

E stata risolta l'equazione d'onda per la radiazione elettromagnetica ed è stata trovata l'espressione (in forma di integrale) per un impulso monocromatico di frequenza angolare fissata e per un impulso di durata finita, imponendo che nello spazione dei vettori d'onda (k_x,k_y) l'impulso sia rappresentato da una funzione Gaussiana nella forma exp[-w_0^2(k_x^2+k_y^2)/4], dove w_0 rappresenta il waist trasverso. Per avere un'espressione analitica dell'impulso monocromatico e dell'impulso di durata finita si sono rese necessarie rispettivamente l'approssimazione parassiale e un'approssimazione di "fattorizzazione". Sono state analizzate, sia analiticamente sia numericamente, i limiti entro i quali queste approssimazioni possono essere considerate accurate. Le soluzioni esatte e le soluzioni approssimate sono state confrontate graficamente. Nel capitolo finale è stato analizzato il moto di una particella carica che interagisce con un pacchetto d'onda unidimensionale, mettendo in luce la fondamentale differenza tra il moto di questa particella nel vuoto e il moto della stessa in un plasma carico. Infatti, in accordo con il teorema di Lawson-Woodward, nel vuoto la particella non può essere accelerata per interazione diretta con il pacchetto d'onda, mentre nel plasma, a seguito del passaggio del pacchetto, la particella può aver acquistato energia.