Theoretical and numerical study of the laser-plasma ion acceleration

The laser driven ion acceleration is a burgeoning field of resarch and is attracting a growing number of scientists since the first results reported in 2000 obtained irradiating thin solid foils by high power laser pulses. The growing interest is driven by the peculiar characteristics of the produced bunches, the compactness of the whole accelerating system and the very short accelerating length of this all-optical accelerators. A fervent theoretical and experimental work has been done since then. An important part of the theoretical study is done by means of numerical simulations and the most widely used technique exploits PIC codes (“Particle In Cell'”). In this thesis the PIC code AlaDyn, developed by our research group considering innovative algorithms, is described. My work has been devoted to the developement of the code and the investigation of the laser driven ion acceleration for different target configurations. Two target configurations for the proton acceleration are presented together with the results of the 2D and 3D numerical investigation. One target configuration consists of a solid foil with a low density layer attached on the irradiated side. The nearly critical plasma of the foam layer allows a very high energy absorption by the target and an increase of the proton energy up to a factor 3, when compared to the ``pure'' TNSA configuration. The differences of the regime with respect to the standard TNSA are described The case of nearly critical density targets has been investigated with 3D simulations. In this case the laser travels throughout the plasma and exits on the rear side. During the propagation, the laser drills a channel and induce a magnetic vortex that expanding on the rear side of the targer is source of a very intense electric field. The protons of the plasma are strongly accelerated up to energies of 100 MeV using a 200PW laser.

Untersuchungen zu Mechanismen der Laser-Teilchenbeschleunigung

Auf dem Gebiet der Teilchenbeschleunigung mittels Hochintensitäts-Lasern wurden in der letzten Dekade viele erfolgreiche Entwicklungen hin zu immer höheren Energien und größeren Teilchenzahlen veröffentlicht. In den meisten Fällen wurde der sogenannte TNSA-Prozess (engl. Target-Normal-Sheath-Acceleration (TNSA)) untersucht. Bei diesem Prozess erfolgt die Beschleunigung in dem an der Oberfläche durch Ladungstrennung erzeugten Potential. Ein kaum vermeidbares Problem ist hierbei das resultierende breite Energie-Spektrum der beschleunigten Teilchen. Diese Situation konnte in den letzten Jahren zwar verbessert, aber nicht vollständig gelöst werden. Für Intensitäten größer 10^(20..21) W/cm^2 sagen theoretische Modellrechnungen eine auf dem Lichtdruck basierende Beschleunigung (engl. Radiation-Pressure-Acceleration (RPA)) mit deutlich eingegrenztem, fast monoenergetischem Spektrum voraus. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Experiment zur Untersuchung dieses Prozesses bei Intensitäten von einigen 10^19 W/cm^2 durchgeführt. Dazu wurden zunächst spezielle Targets entwickelt und als Patent angemeldet, welche den Experimentbedingungen angepasst sind. Durch die Auslegung des experimentellen Aufbaus und der Diagnostiken auf hohe Repetitionsraten, in Verbindung mit einem geeigneten Lasersystem, konnte auf Basis einer Statistik von mehreren Tausend Schüssen ein großer Parameterraum untersucht werden. Untersucht wurden unter anderem die Abhängigkeit von Targetmaterial und Dicke, Intensität, Laserpolarisation und Vorplasmabedingungen. Aus den gewonnenen Daten und Vergleichen mit 2-dimensionalen numerischen Simulationen konnte ein Modell des Beschleunigungsprozesses aufgestellt und durch Vergleich mit den experimentellen Ergebnissen geprüft werden. Dabei wurden klare Indizien für die Existenz eines neuen, nicht feldinduzierten, Beschleunigungsprozesses gefunden. Darüber hinaus wurde zur Polarisationsbeeinflussung ein optisches System entwickelt, das ausschließlich mit reflexiven Elementen arbeitet. Damit konnten viele Nachteile bestehender, auf Verzögerungsplatten beruhender Elemente vermieden, und die Anwendbarkeit bei hohen Laserenergien erreicht werden.

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.

Time of Flight Measurements for Neutrons Produced in Reactions Driven by Laser-Target Interactions at Petawatt level

Abstract Short intense pulses of fast neutrons were produced in a two stage laser-driven experiment. Protons were accelerated by means of the Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) method using the TITAN facility at the Lawrence Livermore National Laboratory. Neutrons were obtained following interactions of the protons with a secondary lithium fluoride (LiF) target. The properties of the neutron flux were studied using BC-400 plastic scintillation detectors and the neutron time of flight (nTOF) technique. The detector setup and the experimental conditions were simulated with the Geant4 toolkit. The effects of different components of the experimental setup on the nTOF were studied. Preliminary results from a comparison between experimental and simulated nTOF distributions are presented.