Production of optimized targets for enhanced laser-driven ion acceleration

One of the most interesting effects of super-intense laser-matter interaction is the generation of accelerated ion beams. In particular, laser-driven ion sources, based on compact tens TW-class lasers, are attracting increasing attention as they could find numerous applications ranging from the materials science field to the medical one. However, the reproducibility and control of the ion beams, necessary for the effective realization of such applications, are not achievable through the currently available laser-driven ion sources. To overcome these issues, it is not enough to dwell only on the laser systems used, but efforts must be made to optimize the irradiated targets. In this context, carbon foam-based double-layer targets (DLTs) represent a promising solution. The deposition, by means of Pulsed Laser Deposition, of a near-critical density carbon foam on commercial micrometric metallic foils can enhance the laser absorption. Experiments have shown a clear improvement in the acceleration mechanism using carbon foam-based DLTs. Nevertheless, further improvements could be achieved if the metallic foil, used as a substrate, is replaced. Therefore, the aim of this thesis work is to investigate the possibility of depositing micrometric and sub-micrometric films, directly on conventional perforated target holders, for the production of carbon foam-based DLT. To grow the films a Magnetron Sputtering Deposition System, capable of operating both in Direct Current Magnetron Sputtering (DCMS) mode and in High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) mode, is used. After a preliminary work, aimed at the characterization of films produced with both modalities and at the preparation of the perforated holder, depositions are performed on the latter. By properly combining the HiPIMS and DCMS depositions, it is possible to grow titanium films on the perforated holders. Furthermore, this operating procedure has allowed to tune the main properties of the films (e.g. density, morphology, thickness and internal stresses). Finally, considerations are made on carbon foams deposition in order to complete the realization of the DLT.

Uno degli effetti più interessanti dell’interazione tra laser super-intensi e la materia è la generazione di fasci accelerati di ioni. Nello specifico, le sorgenti di ioni da laser, basate su laser compatti da decine di TW, stanno attirando sempre maggiore interesse poiché potrebbero trovare numerose applicazione che spaziano dal campo della scienza dei materiali a quello medico. Tuttavia, la riproducibilità e il controllo dei fasci di ioni prodotti, necessari per realizzare concretamente tali applicazioni, non sono raggiungibili mediante le sorgenti di ioni da laser attualmente disponibili. Per superare queste problematiche, non è sufficiente investire solo sui sistemi laser utilizzati, ma si devono compiere degli sforzi per ottimizzare i target irraggiati. In tale contesto, i carbon foam-based double-layer targets (DLTs) rappresentano una soluzione promettente. La deposizione, per mezzo di una tecnica nota come Pulsed Laser Deposition, di una schiuma (foam) di carbonio con densità quasi critica su fogli metallici micrometrici commerciali può aumentare l’assorbimento del laser. Esperimenti hanno dimostrato un netto miglioramento nel meccanismo di accelerazione usando questi DLT a base di schiume di carbonio. Nonostante ciò, ulteriori miglioramenti potrebbero essere ottenuti se il foglio metallico, usato come substrato, fosse rimpiazzato. Dunque, lo scopo di questo lavoro di tesi è di verificare la possibilità di depositare film micrometrici e sub-micrometrici, direttamente su target holder perforati, per la produzione di DLT a base di schiume di carbonio. Per fabbricare i film è stato utilizzato un Magnetron Sputtering Deposition System, in grado di funzionare sia in modalità Direct Current Magnetron Sputtering (DCMS) sia in modalità High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS). Dopo un lavoro preliminare volto a caratterizzare i film prodotti con entrambe le modalità e a preparare l’holder perforato, sono state effettuate delle deposizioni su quest’ultimo. Mediante un’opportuna combinazione di deposizioni HiPIMS e DCMS, è stato possibile depositare film di titanio sugli holder. Inoltre, questa procedura operativa ha permesso di regolare le principali proprietà dei film (densità, morfologia, spessore e stress intrinseci). Infine, sono state fatte delle considerazioni sulla deposizione delle schiume di carbonio con densità quasi critica al fine di completare la realizzazione del DLT.