Ion beam analysis with laser-driven proton beams

Two important IBA techniques are Particle Induced X-ray Emission (PIXE) and Particle Induced Gamma Ray Emission (PIGE) are two IBA techniques for the elemental characterization of samples. They are based respectively on the X-rays emitted due to ionization and gamma-rays generated in nuclear reactions. The proton sources used to perform PIXE and PIGE are Van de Graaff generators, TANDEM accelerators and cyclotrons, capable of producing monoenergetic proton beams with energy of few MeV. Despite their continuous development, accelerators still maintain high costs and size. Laser-driven ion acceleration could represent an alternative proton source for PIXE and PIGE. Laser-driven ion acceleration relies on ultra-intense (I > 10^18 W/cm^2), ultra-short (10s fs - ps) laser pulses interacting with solid targets. Employing a compact table-top laser, it is possible to generate proton bunches characterized by an exponential energy spectrum with maximum energy equal to some MeV. The purpose of this thesis is therefore to study the feasibility of applying this type of source to PIXE and PIGE techniques. Since the models currently available in literature for the description of PIXE and PIGE assume a monoenergetic proton source, the first step is to extend these models for an ion source with an exponential energy distribution. The theoretical description of PIXE and PIGE allows to implement iterative codes to retrieve the composition of a sample from a collection of experimental data. In this thesis synthetic experimental data are simulated with a Monte Carlo code. Then, the developed iterative codes for the analysis of laser-driven PIXE spectra are employed in order to analyze the simulation results. So, starting from the X-ray yields obtained with the Monte Carlo, the composition of different samples has been retrieved using the iterative code. This will be done by first considering a very idealized set-up, then including the presence of a more realistic experimental apparatus. The aim of this procedure is to validate the developed models.

La Particle Induced X-ray Emission (PIXE) e la Partcle Induced Gamma Ray Emission (PIGE) sono due tecniche di Ion Beam Analysis (IBA) per la determinazione della composizione di campioni. Esse si basano rispettivamente sui raggi X emessi a seguito di ionizzazione e sui raggi gamma generati in reazioni nucleari. Le sorgenti di protoni impiegate sono i generatori di Van de Graaff, gli acceleratori TANDEM e i ciclotroni, capaci di produrre fasci mono-energetici di protoni con energia di alcuni MeV. Nonostante il loro continuo sviluppo, gli acceleratori mantengono ancora oggi dimensioni e costi elevati. L'accelerazione tramite laser potrebbe rappresentare una sorgente alternativa per PIXE e PIGE. Essa si basa su impulsi laser ultra-intensi (I> 10^18 W/cm^2) e ultra-brevi (10s fs - ps) che interagiscono con target solidi. Tramite l'utilizzo di un laser da tavolo compatto, è possibile generare impulsi di protoni caratterizzati da uno spettro di energia esponenziale e valore massimo pari ad alcuni MeV. Pertanto, lo scopo di questa tesi è studiare la fattibilità nell'applicare questo tipo di sorgente alle tecniche PIXE e PIGE. Poiché i modelli attualmente disponibili in letteratura per la descrizione di PIXE e PIGE assumono una sorgente mono-energetica di protoni, il primo passo è quello di estendere questi modelli ad una sorgente di ioni con uno spettro di energia esponenziale. La descrizione teorica di PIXE e PIGE consente di implementare codici iterativi per ricavare la composizione di un campione a partire dagli spettri ottenuti sperimentalmente. In questa tesi i dati sperimentali sintetici vengono simulati con un codice Monte Carlo. Vengono quindi utilizzati i codici iterativi sviluppati per l'analisi di spettri PIXE laser-driven per analizzare i risultati della simulazione. Quindi, a partire dalle rese dei raggi X ottenuti con il Monte Carlo, è stata ricavata la composizione di diversi campioni utilizzando il codice iterativo. Questo sarà fatto prima considerando una set-up molto idealizzato, poi includendo la presenza di un apparato sperimentale più realistico. Lo scopo di questa procedura è quello di validare i modelli sviluppati.