New design of a multi-jet target for quasi phase matching

An improved dual-gas quasi-phase matching (QPM) foil target for high harmonic generation (HHG) is presented. The target can be setup with 12 individual gas inlets each feeding multiple nozzles separated by a minimum distance of 10 μm. Three-dimensional gas density profiles of these jets were measured using a Mach-Zehnder Interferometer. These measurements reveal how the jets influence the density of gas in adjacent jets and how this leads to increased local gas densities. The analysis shows that the gas profiles of the jets are well defined up to a distance of about 300 μm from the orifice. This target design offers experimental flexibility, not only for HHG/QPM investigations, but also for a wide range of experiments due to the large number of possible jet configurations. We demonstrate the application to controlled phase tuning in the extreme ultraviolet using a 1 kHz-10 mJ-30 fs-laser system where interference between two jets in the spectral range from 17 to 30 nm was observed.

Evidence of locally enhanced target heating due to instabilities of counter-streaming fast electron beams

The high-current fast electron beams generated in high-intensity laser-solid interactions require the onset of a balancing return current in order to propagate in the target material. Such a system of counter-streaming electron currents is unstable to a variety of instabilities such as the current-filamentation instability and the two-stream instability. An experimental study aimed at investigating the role of instabilities in a system of symmetrical counter-propagating fast electron beams is presented here for the first time. The fast electron beams are generated by double-sided laser-irradiation of a layered target foil at laser intensities above 10(19) W/cm(2). High-resolution X-ray spectroscopy of the emission from the central Ti layer shows that locally enhanced energy deposition is indeed achieved in the case of counter-propagating fast electron beams

High resolution X-ray spectroscopy in fast electron transport studies

A detailed knowledge of the physical phenomena underlying the generation and the transport of fast electrons generated in high-intensity laser-matter interactions is of fundamental importance for the fast ignition scheme for inertial confinement fusion.

Here we report on an experiment carried out with the VULCAN Petawatt beam and aimed at investigating the role of collisional return currents in the dynamics of the fast electron beam. To that scope, in the experiment counter-propagating electron beams were generated by double-sided irradiation of layered target foils containing a Ti layer. The experimental results were obtained for different time delays between the two laser beams as well as for single-sided irradiation of the target foils. The main diagnostics consisted of two bent mica crystal spectrometers placed at either side of the target foil. High-resolution X-ray spectra of the Ti emission lines in the range from the Ly alpha to the K alpha line were recorded. In addition, 2D X-ray images with spectral resolution were obtained by means of a novel diagnostic technique, the energy-encoded pin-hole camera, based on the use of a pin-hole array equipped with a CCD detector working in single-photon regime. The spectroscopic measurements suggest a higher target temperature for well-aligned laser beams and a precise timing between the two beams. The experimental results are presented and compared to simulation results.

Energy levels, radiative rates and electron impact excitation rates for transitions in Fe XIV

Energies and lifetimes are reported for the lowest 136 levels of Fe XIV, belonging to the (1s(2)2s(2)2p(6)) 3s(2)3p, 3s(3)p(2), 3s(2)3d, 3p(3), 3s(3)p(3)d, 3p(2)3d, 3s(3)d(2), 3p(3)d(2) and 3s(2)4l configurations. Additionally, radiative rates, oscillator strengths and line strengths are calculated for all electric dipole (E1), magnetic dipole (M1), electric quadrupole (E2) and magnetic quadrupole (M2) transitions. Theoretical lifetimes determined from these radiative rates for most levels show satisfactory agreement with earlier calculations, a swell as with measurements. Electron impact excitation collision strengths are also calculated with the Dirac atomic R-matrix code (DARC) over a wide energy range up to 260 Ryd. Furthermore, resonances have been resolved in a fine energy mesh to determine effective collision strengths, obtained after integrating the collision strengths over a Maxwellian distribution of electron velocities. Results are listed for all 9180 transitions among the 136 levels over a wide range of electron temperatures, up to 10(7.1) K. Comparisons are made with available results in the literature, and the accuracy of the present data is assessed.

Calibration of time of flight detectors using laser-driven neutron source

Calibration of three scintillators (EJ232Q, BC422Q, and EJ410) in a time-of-flight arrangement using a laser drive-neutron source is presented. The three plastic scintillator detectors were calibrated with gamma insensitive bubble detector spectrometers, which were absolutely calibrated over a wide range of neutron energies ranging from sub-MeV to 20 MeV. A typical set of data obtained simultaneously by the detectors is shown, measuring the neutron spectrum emitted from a petawatt laser irradiated thin foil.

Collimated proton acceleration in light sail regime with a tailored pinhole target

A scheme for producing collimated protons from laser interactions with a diamond-like-carbon+pinhole target is proposed. The process is based on radiation pressure acceleration in the multi-species light-sail regime [B. Qiao et al., Phys. Rev. Lett. 105, 155002 (2010); T. P. Yu et al., Phys. Rev. Lett. 105, 065002 (2010)]. Particle-in-cell simulations demonstrate that transverse quasistatic electric field at TV/m level can be generated in the pinhole. The transverse electric field suppresses the transverse expansion of protons effectively, resulting in a higher density and more collimated proton beam compared with a single foil target. The dependence of the proton beam divergence on the parameters of the pinhole is also investigated. 

Proton acceleration enhanced by a plasma jet in expanding foils undergoing relativistic transparency

Ion acceleration driven by the interaction of an ultraintense (2 × 10²⁰ W cm^-2) laser pulse with an ultrathin ( nm) foil target is experimentally and numerically investigated. Protons accelerated by sheath fields and via laser radiation pressure are angularly separated and identified based on their directionality and signature features (e.g. transverse instabilities) in the measured spatial-intensity distribution. A low divergence, high energy proton component is also detected when the heated target electrons expand and the target becomes relativistically transparent during the interaction. 2D and 3D particle-in-cell simulations indicate that under these conditions a plasma jet is formed at the target rear, supported by a self-generated azimuthal magnetic field, which extends into the expanded layer of sheath-accelerated protons. Electrons trapped within this jet are directly accelerated to super-thermal energies by the portion of the laser pulse transmitted through the target. The resulting streaming of the electrons into the ion layers enhances the energy of protons in the vicinity of the jet. Through the addition of a controlled prepulse, the maximum energy of these protons is demonstrated experimentally and numerically to be sensitive to the picosecond rising edge profile of the laser pulse.

Buffered high charge spectrally-peaked proton beams in the relativistic-transparency regime

Spectrally-peaked proton beams of high charge (E_p ≈ 8 MeV, ΔE ≈ 4 MeV, N ≈ 50 nC ) have been observed from the interaction of an intense laser (>10¹⁹Wcm^-2) with ultrathinCHfoils, as measured by spectrally-resolved full beam profiles. These beams are reproducibly generated for foil thicknesses 5-100 nm, and exhibit narrowing divergence with decreasing target thickness down to ≈8° for 5 nm. Simulations demonstrate that the narrow energy spread feature is a result of buffered acceleration of protons. The radiation pressure at the front of the target results in asymmetric sheath fields which permeate throughout the target, causing preferential forward acceleration. Due to their higher chargeto-mass ratio, the protons outrun a carbon plasma driven in the relativistic transparency regime.

Laser-driven x-ray and neutron source development for industrial applications of plasma accelerators

Pulsed beams of energetic x-rays and neutrons from intense laser interactions with solid foils are promising for applications where bright, small emission area sources, capable of multi-modal delivery are ideal. Possible end users of laser-driven multi-modal sources are those requiring advanced non-destructive inspection techniques in industry sectors of high value commerce such as aerospace, nuclear and advanced manufacturing. We report on experimental work that demonstrates multi-modal operation of high power laser-solid interactions for neutron and x-ray beam generation. Measurements and Monte Carlo radiation transport simulations show that neutron yield is increased by a factor ∼2 when a 1 mm copper foil is placed behind a 2 mm lithium foil, compared to using a 2 cm block of lithium only. We explore x-ray generation with a 10 picosecond drive pulse in order to tailor the spectral content for radiography with medium density alloy metals. The impact of using >1 ps pulse duration on laser-accelerated electron beam generation and transport is discussed alongside the optimisation of subsequent bremsstrahlung emission in thin, high atomic number target foils. X-ray spectra are deconvolved from spectrometer measurements and simulation data generated using the GEANT4 Monte Carlo code. We also demonstrate the unique capability of laser-driven x-rays in being able to deliver single pulse high spatial resolution projection imaging of thick metallic objects. Active detector radiographic imaging of industrially relevant sample objects with a 10 ps drive pulse is presented for the first time, demonstrating that features of 200 μm size are resolved when projected at high magnification.

Parametric scans of HB and LS-RPA regimes employing Petawatt laser

By contrast to the Target Normal Sheath acceleration (TNSA) mechanism [1], Radiation Pressure Acceleration (RPA) is currently attracting a substantial amount of experimental [2,3] and theoretical [4-6] attention worldwide due to its superior scaling in terms of ion energy and laser-ion conversion efficiency. Employing Vulcan Petawatt lasers of the Rutherford Appleton Laboratory, UK, both the Hole-boring (HB) and the Light-Sail (LS) regimes of the RPA have been extensively explored. When the target thickness is of the order of hole-boring velocity times the laser pulse duration, highly collimated plasma jets of near solid density are ejected from the foil, lasting up to ns after the laser interaction. By changing the linear polarisation of the laser to circular, improved homogeneity in the jet's spatial density profile is achieved which suggests more uniform and sustained radiation pressure drive on target ions. By decreasing the target areal density or increasing irradiance on the target, the LS regime of the RPA is accessed where relatively high flux (~ 1012 particles/MeV/Sr) of ions are accelerated to ~ 10 MeV/nucleon energies in a narrow energy bandwidth. The ion energy scaling obtained from the parametric scans agrees well with theoretical estimation based on RPA mechanism and the narrow bandwidth feature in the ion spectra is studied by 2D particle-in-simulations.

Ion acceleration and plasma jet formation in ultra-thin foils undergoing expansion and relativistic transparency

At sufficiently high laser intensities, the rapid heating to relativistic velocities and resulting decompression of plasma electrons in an ultra-thin target foil can result in the target becoming relativistically transparent to the laser light during the interaction. Ion acceleration in this regime is strongly affected by the transition from an opaque to a relativistically transparent plasma. By spatially resolving the laser-accelerated proton beam at near-normal laser incidence and at an incidence angle of 30°, we identify characteristic features both experimentally and in particle-in-cell simulations which are consistent with the onset of three distinct ion acceleration mechanisms: sheath acceleration; radiation pressure acceleration; and transparency-enhanced acceleration. The latter mechanism occurs late in the interaction and is mediated by the formation of a plasma jet extending into the expanding ion population. The effect of laser incident angle on the plasma jet is explored.

Guided post-acceleration of laser-driven ions by a miniature modular structure

All-optical approaches to particle acceleration are currently attracting a significant research effort internationally. Although characterized by exceptional transverse and longitudinal emittance, laser-driven ion beams currently have limitations in terms of peak ion energy, bandwidth of the energy spectrum and beam divergence. Here we introduce the concept of a versatile, miniature linear accelerating module, which, by employing laser-excited electromagnetic pulses directed along a helical path surrounding the laser-accelerated ion beams, addresses these shortcomings simultaneously. In a proof-of-principle experiment on a university-scale system, we demonstrate post-acceleration of laser-driven protons from a flat foil at a rate of 0.5 GeVm^-1, already beyond what can be sustained by conventional accelerator technologies, with dynamic beam collimation and energy selection. These results open up new opportunities for the development of extremely compact and cost-effective ion accelerators for both established and innovative applications.

Laser driven MeV proton beam focussing by auto-charged electrostatic lens configuration

Significant reduction of inherent large divergence of the laser driven MeV proton beams is achieved by strong (of the order of 10^9 V/m ) electrostatic focussing field generated in the confined region of a suitably shaped structure attached to the proton generating foil. The scheme exploits the positively charging of the target following an intense laser interaction. Reduction in the proton beam divergence, and commensurate increase in proton flux is observed while preserving the beam laminarity. The underlying mechanism has been established by the help of particle tracing simulations. Dynamic focussing power of the lens, mainly due to the target discharging, can also be exploited in order to bring up the desired chromaticity of the lens for the proton beams of broad energy range.

Estudo de sistemas de protecção térmica húmidos sujeitos a condições de incêndio

O presente trabalho tem como principal objectivo o estudo e a interpretação dos mecanismos de transferência de calor e massa no interior de um meio poroso húmido actuando como barreira térmica de protecção em condições de incêndio, visando, sobretudo, melhorar o desempenho destes sistemas. A barreira térmica estudada é constituída por camadas de fibra de vidro, cuja face exposta à chama é protegida por uma folha de alumínio perfurada. A realização deste estudo envolveu a concepção, realização e operação de uma montagem experimental, com a qual se obteve a evolução temporal da temperatura e da taxa de evaporação de água no interior de uma amostra da barreira térmica, submetida à acção directa de uma chama. A análise do processo de protecção foi complementada com resultados obtidos por simulação numérica do processo, designadamente a evolução das propriedades térmicas, que determinam os mecanismos de transferência de calor e massa no interior da barreira. Para esse efeito foi desenvolvido um modelo matemático de simulação do processo de protecção para as barreiras em estudo, que permitiu obter resultados que acompanham bem as evoluções verificadas nos ensaios experimentais. A barreira térmica estudada mostrou claramente possuir um bom desempenho no processo de protecção, face às barreiras térmicas secas. Com a realização deste estudo identificaram-se e quantificaram-se os mecanismos de transferência de calor e massa dominantes nas diversas fases do processo de protecção, o que permitiu extrair conclusões valiosas quanto às características dos meios porosos que contribuem para o seu bom desempenho como barreiras térmicas húmidas.

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.