Study of a novel technique for laser-driven proton beam diagnostics

Laser-driven ion acceleration represents an interesting alternative to the conventional acceleration techniques, especially due to the compactness of the source. The generated ion bunches present some peculiar features, which make them suitable for a wide range of potential applications. Regardless of the specific application, there is always a need to have a robust quantitative knowledge of the energy spectrum of the accelerated particles, possibly on a shot-by-shot basis. However, most of the state-of-the-art diagnostic methods present some difficulties in providing this information. Indeed, they generally rely on detection systems having a complex and uncertain absolute calibration procedure. For this reason, great research efforts are devoted to the development of novel beam diagnostics techniques. This thesis proposes an alternative diagnostic methodology, which is based on a novel approach in the detection of laser-driven protons and the subsequent reconstruction of their energy spectrum. The proposed approach was conceived with the purpose to obtain a reliable quantitative spectral characterization, for proton energies up to 15 MeV. In this dissertation, a Thomson parabola spectrometer (TPS) coupled to a pixelated semiconductor detector is adopted as the reference detection system. The goal of this work is to perform a theoretical study of the proposed approach, with a double purpose: to investigate its feasibility and to develop and validate a solid theoretical basis for its possible future implementation. In order to achieve this goal, a combined analytical and numerical investigation was carried out. First, an analytical model of the detection system was developed. Afterwards, two reference laser-driven proton spectra were fitted with an exponential distribution, which was implemented as a source in Monte Carlo simulations of the TPS system (performed with FLUKA code). The obtained numerical results were used both to validate part of the analytical model and to examine the theoretical feasibility of the proposed approach. Moreover, these results suggest a possible solution for the improvement of the detection process. Finally, experimental data, obtained with a real TPS system, were utilized to further inspect the validity of the analytical model and to highlight some of the limitations of this diagnostic system. In this thesis, a simplified detection configuration, which could overcome these limitations, is proposed as an alternative to the TPS.

L'accelerazione di ioni da laser rappresenta un'interessante alternativa alle tecniche di accelerazione convenzionali, soprattutto per via della compattezza della sorgente. I fasci di ioni generati mostrano alcune caratteristiche peculiari, che li rendono adatti ad una vasta gamma di possibili applicazioni. Indipendentemente dalla specifica applicazione, è sempre necessario disporre di una solida conoscenza quantitativa dello spettro di energia delle particelle accelerate, possibilmente sulla base del singolo impulso del laser. Tuttavia, la gran parte dei metodi di diagnostica correntemente impiegati presenta alcune difficoltà nel fornire questa informazione. Infatti, essi in genere si basano su sistemi di rivelazione la cui procedura di calibrazione assoluta è complessa ed incerta. Per questo motivo, la ricerca si dedica con grande sforzo allo sviluppo di nuove tecniche di diagnostica del fascio. Questa tesi propone una metodologia di diagnostica alternativa, che si basa su un nuovo approccio nella rivelazione dei protoni da laser e nella successiva ricostruzione del loro spettro di energia. L'approccio proposto è stato concepito con lo scopo di ottenere una caratterizzazione spettrale quantitativa attendibile, per energie fino a 15 MeV. In questa tesi di laurea, viene adottato come sistema di rivelazione di riferimento uno spettrometro di Thomson (TPS) accoppiato ad un rivelatore a semiconduttore a pixel. L'obiettivo di questo lavoro è quello di effettuare uno studio teorico dell'approccio proposto, con un duplice scopo: di investigarne la fattibilità e di sviluppare e validare una solida base teorica per la possibile implementazione futura della tecnica proposta. Per raggiungere questo obiettivo, è stata compiuta un'analisi analitica e numerica. In primo luogo, è stato sviluppato un modello analitico del sistema di rivelazione. Successivamente, due spettri reali di protoni da laser sono stati interpolati con una distribuzione esponenziale, che è stata poi implementata come sorgente nelle simulazioni Monte Carlo del sistema TPS (eseguite con il codice FLUKA). I risultati numerici così ottenuti sono stati utilizzati sia per validare parte del modello analitico che per esaminare la fattibilità teorica dell'approccio proposto. Inoltre, tali risultati suggeriscono una possibile soluzione per il miglioramento del processo di rivelazione. Infine, dati sperimentali, ottenuti con un vero spettrometro di Thomson, sono stati utilizzati per ispezionare ulteriormente la validità del modello analitico e per evidenziare alcuni delle limitazioni di questo sistema di diagnostica. In questa tesi, viene proposta una configurazione di rivelazione semplificata, alternativa al TPS, che potrebbe superare tali limitazioni.