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.

X-Ray Free-Electron Lasers

Recenti sviluppi nella progettazione di impianti di luce di sincrotrone di quarta generazione riguardano la produzione di fasci di luce nella banda dei raggi X con elevate caratteristiche in termini di brillanza, coerenza e impulsi estremamente brevi ( femtosecondo ) . I principali schemi per la produzione della radiazione XFEL riguardano l’impiego di ondulatori con differenti modalità di seeding. L’utilizzo dei fasci di radiazione XFEL nelle linee di luce per applicazioni di imaging, spettroscopia e diffrazione, ha determinato un costante sforzo sia nello sviluppo di dispositivi ottici in grado di selezionare e focalizzare il fascio su dimensioni nanometriche, che nella sperimentazione di tecniche “lensless” in grado di superare i limiti imposti dall’utilizzo di tali dispositivi . I risultati ottenuti nella produzione dei fasci hanno consentito nuove possibilità di indagine nella struttura dei materiali su distanze atomiche nella definizione, senza precedenti di dettagli su scale temporali del femtosecondo, permettendo lo studio, non solo di strutture atomiche in condizioni di equilibrio stabile quanto di stati della materia velocemente dinamici e di non equilibrio. CXDI e Spettroscopia Strutturale Ultraveloce risolte in tempo sono alcune delle tecniche in cui l’utilizzo della radiazione XFEL apre nuove possibilità di indagine agli stati transienti della materia permettendo la ricostruzione della dinamica di processi chimico –fisici su intervalli temporali finora inaccessibili .

Ricostruzione 3D di oggetti ad alto potere diffusivo mediante triangolazione laser

L'obiettivo principale che questa tesi intende perseguire e la progettazione di un sistema di acquisizione 3D a basso costo basato sul metodo di triangolazione a lama laser. A tale scopo si adotterà una telecamera general-purpose, e si provvederà sia alla realizzazione di un prototipo di sistema di attuazione per automatizzare la scansione dell'oggetto, sia all'implementazione di algoritmi per la calibrazione della geometria laser-telecamera, il rilevamento del profilo laser nell'immagine e la sua successiva ricostruzione 3D, tenendo anche conto delle complicazioni che l'uso di oggetti ad alto potere diffusivo apporta a tale problema, a causa dei marcati effetti di subsurface scattering della luce laser. Il sistema di triangolazione sarà validato caratterizzando, mediante il confronto con pezzi di dimensioni note, la precisione e l'accuratezza delle misurazioni, e valutando i tempi di esecuzione degli algoritmi. Inoltre, le prestazioni ed i risultati delle acquisizioni saranno messi a confronto con quelli ottenuti adottando una telecamera high-end dedicata. Lo studio preliminare svolto in questa sede e propedeutico per la futura realizzazione di un sistema per la ricostruzione in camera bianca di protesi d'osso su misura.

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.

Study on the practical realization of a device able to generate an in-space 3D luminous image

Gli ologrammi sono parte integrante della cultura pop a partire dagli anni 50, tanto che ad oggi sentirne parlare non desta più scalpore. Dal lato pratico, invece, solo negli ultimi anni sono state fatte ricerche approfondite con lo scopo di realizzarli. Fra i dispositivi attualmente in commercio, in pochi sono degni di nota e presentano numerose limitazioni, questo perché è molto difficile riuscire a progettare un sistema che permetta di illuminare dei punti specifici in uno spazio tridimensionale per lunghi periodi. In questa tesi si illustrano i principi di funzionamento ed il progetto per un nuovo dispositivo, diverso da quelli fino ad ora realizzati, che sfrutti il decadimento spontaneo di atomi di rubidio eccitati tramite due fasci laser opportunamente incrociati. Nel punto di incrocio si produce luce visibile a 420 nm. Con un opportuno sistema di specchi che muovono velocemente il punto di intersezione tra i due fasci è possibile realizzare un vero ologramma tridimensionale visibile da quasi ogni angolazione.

Studio e realizzazione di un supporto distanziale per ottimizzazione di operazioni di tempra laser

Studio e progettazione di una soluzione tecnologica da fissare a una testa di focalizzazione laser movimentata da un braccio robotico. Il fine dello strumento creato è migliorare l'efficienza e l'ergonomia della fase di setting dell'impianto e abbassare il tempo impiegato per misurare la distanza del laser dal pezzo. Nel corpo della tesi sono state analizzate varie opzioni realizzative con i relativi pro e contro e infine vengono mostrate le diverse fasi di prototipazione del prodotto scelto.

Study of the rotational state of Titan using radio tracking data of the Dragonfly mission

Our solar system contains an impressive amount of celestial bodies. For example Saturn posses a huge variety of natural satellites, the diversity in size and physical proprieties of which might amaze imagination. The observational data gathered in 30 years range of deep space missions revealed, that some of these bodies can hide subsurface oceans under their crust. The water, as we know, serves as a fundamental base for a possible appearance of life. This statement is quite exited for the scientific society and serves as a reason for studying so called ”ocean worlds”. In order to detect the celestial bodies with the hidden subsurface ocean, one of the key aspects is the study of their rotational state, which is strongly coupled with the body internal structure. It can be done through the various techniques mentioned in Chapter 1. The main goal of the thesis is the study of rotational state of Titan, whose interior structure expectedly contains liquid ocean layer under its icy crust. Titan is the largest moon of Saturn and it is the second largest moon in the solar system in general. This natural satellite is of particular scientific interest, because it is one of a kind which has substantial atmosphere. The present work was done using radio tracking data of the Dragonfly mission which is one of the next NASA’s missions destined for Titan selected as a part of the New Frontiers Program in 2019. The detailed characteristic of the Dragonfly regarding the landing site and mission lifetime was reported in Chapter 2. The radio-tracking communication link from Titan side was performed using Dragonfly X band transponder according to the schedule tracking opportunity. From Earth side according to the mission, Deep Space Station 25 which is a part of NASA’s Deep Space Network was considered. Only Doppler data was used for studying Titan rotational state, even though there are other reliable techniques described in Chapter 3, that in general could be implemented.

Cultural differences in nonverbal communication and their implications in public service interpreting

This paper intends to underline the importance of nonverbal cues in intercultural communication and especially in the profession of the interpreter in the public services. The first chapter focuses on giving an overview on the different components of nonverbal communication by providing a definition and examples. The chapter then analyses the different functions carried out by nonverbal language. The second chapter addresses cultural differences related to nonverbal language and provides examples for every component of nonverbal language. It also explains the distinction between high context cultures and low context cultures. Lastly, the third chapter first gives an overview on Public Service Interpreting (PSI), explaining the main features and characteristics. It then provides real examples of cultural misunderstandings related to nonverbal language which occurred in public services and gives the techniques used by interpreters to solve them. This chapter includes examples of various nonverbal cues including eye contact, touch, silence, and hand gestures.

Quantum information and quantum communication theory in relation to black hole idealized mechanical models

Oggigiorno il concetto di informazione è diventato cruciale in fisica, pertanto, siccome la migliore teoria che abbiamo per compiere predizioni riguardo l'universo è la meccanica quantistica, assume una particolare importanza lo sviluppo di una versione quantistica della teoria dell'informazione. Questa centralità è confermata dal fatto che i buchi neri hanno entropia. Per questo motivo, in questo lavoro sono presentati elementi di teoria dell'informazione quantistica e della comunicazione quantistica e alcuni sono illustrati riferendosi a modelli quantistici altamente idealizzati della meccanica di buco nero. In particolare, nel primo capitolo sono forniti tutti gli strumenti quanto-meccanici per la teoria dell'informazione e della comunicazione quantistica. Successivamente, viene affrontata la teoria dell'informazione quantistica e viene trovato il limite di Bekenstein alla quantità di informazione chiudibile entro una qualunque regione spaziale. Tale questione viene trattata utilizzando un modello quantistico idealizzato della meccanica di buco nero supportato dalla termodinamica. Nell'ultimo capitolo, viene esaminato il problema di trovare un tasso raggiungibile per la comunicazione quantistica facendo nuovamente uso di un modello quantistico idealizzato di un buco nero, al fine di illustrare elementi della teoria. Infine, un breve sommario della fisica dei buchi neri è fornito in appendice.

Ossidazione anodica al plasma della lega di alluminio A357 prodotta mediante Laser - Powder Bed Fusion: microstruttura e comportamento tribologico

In questo elaborato è stato analizzato il comportamento tribologico della lega di alluminio A357 realizzata tramite Laser Powder Bed Fusion (L-PBF). In particolare, è stato studiato l’effetto del processo di anodizzazione ECO (ElectroChemical Oxidation) su tale lega, sia allo stato as-built che dopo trattamento termico T6R, in termini di attrito e usura a temperatura ambiente (i.e. 25°C) e a 200°C. Lo studio tribologico è stato svolto mediante prove di strisciamento non lubrificato in moto reciprocante (geometria ball-on-disc contro allumina). Nella prima parte del lavoro sono state effettuate prove a temperatura ambiente, su strati ECO a rugosità variabile, con carichi applicati nell’intervallo 1-8N. Nella seconda parte l’attività sperimentale si è invece rivolta al confronto nel comportamento tribologico della lega a 25°C e 200°C, mantenendo il carico invariato pari a 1 N e analizzando la risposta in termini di attrito e usura, sia per campioni rivestiti ECO che per campioni non rivestiti. Il rivestimento anodico ha mostrato a temperatura ambiente una maggiore resistenza ad usura quando applicato su superfici pre-lucidate, nonostante un maggiore coefficiente di attrito, dando luogo a cedimento completo ad un carico di 8 N (contro i 5 N del non lucidato). Dalla seconda fase di questo studio è invece risultato come il rivestimento ECO abbia notevolmente migliorato la resistenza ad usura rispetto al materiale non rivestito, sia a 25°C che a 200°C, mantenendo invariato il coefficiente d’attrito all’aumentare della temperatura, al contrario dei campioni A357 non rivestiti, che hanno invece manifestato un aumento del coefficiente di attrito di circa il doppio. Vale inoltre la pena notare come la pre-lucidatura ed il trattamento termico dei campioni A357 ECO siano risultati superflui in termini di comportamento tribologico; i campioni a superficie rugosa hanno dato luogo addirittura a minori coefficienti di attrito sia a 25°C che a 200°C, a parità di profondità d’usura.

Confronto fra metodi di stima di frequenza tramite auto-regressione e metodi di analisi spettrale per la generazione di osservabili radiometriche in ambito Deep-Space

A partire dal problema di orbit determination per una sonda in deep-space, la tesi si concentra su sviluppo e confronto di algoritmi di stima della frequenza di segnali analitici per la verifica delle loro performance di accuratezza nella generazione di osservabili doppler. Le tecniche poste a confronto appartengono a due categorie: due tempo-discrete ed una spettrale; in particolare si vuole valutare come la modellazione ARMA dei segnali possa beneficiare le prime al punto da poterle considerare alternative all'altezza degli standard del settore aerospaziale.

Impossible Space circolare per favorire la locomozione naturale

In questa relazione di tesi verrà affrontato il problema della locomozione naturale in ambienti virtuali che possiedono una grandezza maggiore dello spazio reale nel quale l'utente si muove. Negli anni sono stati sviluppati numerosi metodi di navigazione, ma tra tutti la locomozione naturale è il sistema che porta un livello di immersione maggiore nello spazio virtuale, più di qualsiasi altra tecnica. In questo lavoro di tesi verrà proposto un algoritmo in grado di favorire la locomozione naturale all'interno di lunghi spazi chiusi, andando a modificare la geometria dello spazio virtuale (che andrà ad assumere una forma circolare) e mantendendo comunque un certo grado di realismo dal punto di vista dell'utente. L'obiettivo è quello di tradurre uno spazio virtuale chiuso e lungo (caso comune: un corridoio) in una forma circolare inscritta in una stanza di 2x2m, con un approccio simile a quello degli impossible spaces, con l'obiettivo di studiare in futuro entro quale percentuale di sovrapposizione l'utente si accorge di trovarsi in una geometria impossibile. Nel primo capitolo verranno introdotti i concetti chiave di VR e AR, nonché un'introduzione all'Engine Unity e al software Blender. Nel secondo capitolo si tratterà di computer graphics, quindi si introdurranno i concetti base della grafica 3D con un focus sulla matematica alla base di ogni processo grafico. Nel terzo capitolo verrà affrontano il concetto di embodiment, quindi la percezione del proprio corpo, l'importanza dell'immersitvità dei sistemi virtuali e verrà descritto un paper precedentemente realizzato riguardante tale concetto. Nel capitolo quattro si parlerà del movimento all'interno dei sistemi di realtà virtuale, della locomozione naturale e delle tecniche per rendere tale metodo più accessibile. Nel capitolo cinque infine verrà descritto l'algoritmo realizzato e verranno mostrati i risultati.

Implementazione e caratterizzazione di PLL digitali per doppler tracking di sonde deep space

I Phase-Locked Loops sono circuiti ancora oggi utilizzati per la generazione di segnali coerenti in frequenza e in fase con i segnali in ingresso, motivo per cui sono uno degli strumenti della radio scienza per la ricostruzione dei segnali scambiati con le sonde e nascosti dal rumore accumulato nel tragitto che separa le sonde stesse dalle stazioni di tracking a terra. Questa tesi illustra l'implementazione di un PLL digitale linearizzato in Matlab e Simulink in una nuova veste rispetto al modello implementato durante l'attività di tirocinio curricolare, al fine di migliorarne le prestazioni per bassi carrier-to-noise density ratios. Il capitolo 1 si compone di due parti: la prima introduce all'ambito nel quale si inserisce il lavoro proposto, ossia la determinazione d'orbita; la seconda illustra i fondamenti della teoria dei segnali. Il capitolo 2 è incentrato sull'analisi dei Phase-Locked Loops, partendo da un'introduzione teorica e approdando all'implementazione di un modello in Simulink. Il capitolo 3, infine, mostra i risultati dell'applicazione del modello implementato in Simulink nell'analisi dei segnali di una missione realmente svolta.

Studio del comportamento meccanico e tribologico della lega AlSi10Mg prodotta mediante Laser-based Powder Bed Fusion sottoposta ad un ciclo tecnologico ottimizzato

AlSi10Mg alloy is one of the most widely used alloys for producing structural components by Laser-based Powder Fusion (L-PBF) technology due to the high mechanical and technological properties. The present work aims to characterize mechanically and tribologically the L-PBF AlSi10Mg alloy subjected to both heat treatment and surface modification cycles. Specifically, the effects of three heat treatments on the tribological and mechanical properties of the alloy were analyzed: T5 (artificial aging at 160 °C for 4 h), T6 rapid solution heat treatment (solution heat treatment at 510 °C for 1h and aging at 160 °C for 6 h), and T6 benchmark (solution heat treatment at 540 °C for 1h and aging at 160 °C for 4 h), the latter used as a benchmark. The study highlighted how the better balance between strength and ductility properties induced by the introduction of heat treatments leads to lower wear resistance and not significant variations in the friction coefficient of the alloy. The tribological and mechanical behavior of the alloy coated with two different coating structures, consisting of (i) chemical Ni (Ni-P) and (ii) Ni-P + DLC, was also evaluated. The goal was the identification of a deposition cycle such as to guarantee the optimization of the mechanical and tribological behavior of the alloy. The Ni-P coating provided good wear resistance but an increase in the coefficient of friction. In contrast, using the DLC top coating resulted in excellent tribological performance in wear resistance and friction coefficient. The samples characterized by the Ni-P + DLC multilayer coating were subsequently subjected to mechanical characterization. The results obtained highlighted problems of adhesion and incipient breaking of the material due to the different mechanical behavior of the coating, considerably reducing the mechanical performance of the alloy coated with Ni-P+DLC multilayer solution compared to the specimens in the un-coated condition.