Development of advanced materials for novel laser-driven ion acceleration schemes

Among the secondary sources of radiation produced by the interaction of ultra-short (10s fs) ultra-intense (10^18-10^21 W/cm^2) laser pulses with matter, large interest has been devoted to laser-generated ion beams. The great potential of this technique for scientific and technological applications (as, for example, production of radioisotopes for medical diagnostics, material irradiation and in a more distant future cancer hadrontherapy and fast ignition of targets for inertial fusion) is related to the possibility of producing multi-MeV/nucleon protons and ions with a high degree of laminarity and low emittance exploiting an experimental apparatus relatively compact and cheap compared to common acceleration systems. A possible strategy to enhance the acceleration performances in view of specific applications is to obtain a better control of the laser-matter interaction phase through the adoption of advanced target configurations. In this PhD thesis, multilayer targets were investigated with the aim of exploiting the presence of a near-critical density layer to optimize the laser-target coupling. Therefore, this thesis had a twofold goal. Firstly, advanced material science techniques were developed and optimized for the production and characterization of ultra-low density carbon foams for nano-engineered targets. The second part of my PhD activities was devoted to laser-driven ion acceleration experiments performed in external laser facilities to investigate the potential of novel target configurations.

Tra le sorgenti secondarie di radiazione prodotte nell'interazione di impulsi laser ultra-brevi (10s fs) e ultra-intensi (10^18􀀀-10^21 W/cm^2) con la materia, particolare interesse è stato suscitato da fasci di ioni prodotti da impulsi laser. Il notevole potenziale di questa tecnica per applicazioni scientifiche e tecnologiche (tra cui, ad esempio, la produzione di isotopi per diagnostica medica, l'irraggiamento di materiali e, in un futuro più lontano, l'adroterapia oncologica e l'ignizione rapida di bersagli per fusione inerziale) è legato alla possibilità di produrre protoni e ioni con energie di diversi MeV/nucleone, un elevato grado di laminarità e emittanza ridotta con un apparato sperimentale relativamente compatto ed economico rispetto alle tecniche di accelerazione convenzionali. Una possibile strategia per migliorare le performances di accelerazione in vista di possibili applicazioni consiste nel perseguire un miglior controllo della fase di interazione tra laser e materia attraverso l'utilizzo di bersagli innovativi. In particolare, in questa tesi di dottorato, sono stati studiati target multistrato al fine di sfruttare la presenza di uno strato con densità circa critica per ottimizzare l'accoppiamento tra laser e bersaglio. Questa tesi ha avuto un duplice obiettivo. In primo luogo, sono state sviluppate e ottimizzate tecniche avanzate di scienza dei materiali per la produzione e caratterizzatione di nanoschiume di carbonio a bassa densità per target nano-ingegnerizzati. La seconda parte delle mie attività di dottorato è stata dedicata ad esperimenti di accelerazione di ioni indotta da impulsi laser, eseguiti in laser facilities esterne volti ad investigare il potenziale di bersagli innovativi.