Investigation on near-critical double-layer targets for enhanced laser-driven ion acceleration

The laser technology development in the last years enabled to generate ultra-intense and ultra-short laser pulses with intensity easily exceeding 10^19 W/cm^2; the interaction of these last with matter produces almost instantly a plasma and a wide range of non-linear phenomena. Among all the possible laser-plasma interaction scenarios, laser-driven ion acceleration, consisting in the production of high energy ions (MeVs/nucleon) when the laser is focused onto a thin solid target (< 100 um), is increasingly attracting interest from the scientific community. Indeed, the compact size of the accelerator and the peculiar properties of the accelerated particles (e.g. high ion density per bunch, ultrafast duration) could be exploited in the next future for appealing applications, for example in the nuclear science (e.g. bright neutron sources, fast ignition inertial fusion), in the material science (e.g. Ion Beam Analysis) and in the medical field (e.g. radioisotopes generation, hadron-therapy). Nevertheless, laser-driven ion acceleration schemes generally exhibit low laser conversion efficiency into energetic particles. A viable route to overcome this limitation is to use a Double-Layer Target (DLT) with a near-critical front layer, made of an extremely low density solid material (about one thousandth of the solid density); both theoretical and experimental works proved the effectiveness of this solution for the increasing of the proton energy and the total particles number, but the full potential of this solution is still not achieved. Therefore, this thesis work aims at investigating and optimizing the near-critical DLT through an integrated experimental-theoretical approach: the target parameters which improve at most the acceleration efficiency are theoretically found, then proper targets are produced and characterized with peculiar material science techniques and finally the latter are tested in an international laser acceleration experiment.

Il recente sviluppo della tecnologia dei laser ha reso possibile la produzione di impulsi ultra-intensi e ultra-brevi, con intensità che possono facilmente superare i 10^19 W/cm^2; l'interazione di tali impulsi con materia convenzionale produce quasi istantaneamente un plasma e innesca un gran numero di fenomeni non-lineari. Tra tutte le possibilità, l'accelerazione di ioni da laser, che consiste nella produzione di ioni di alta energia (MeV/nucleone) quando l'impulso è focalizzato su un bersaglio solid e sottile (<100 um), sta acquisendo sempre più interesse da parte della comunità scientifica. Infatti la possibilità di sviluppare un acceleratore di dimensioni compatte e con caratteristiche peculiari (come l'alta densità di ioni per pacchetto e la durata ultra-veloce) potrebbe essere sfruttata nel vicino futuro per interessanti applicazioni, che spaziano dalla scienza nucleare (ad es. per sorgenti brillanti di neutroni o la fusione inerziale a ignizione veloce), alla scienza dei materiali (ad es. l'analisi da fascio di ioni) e al campo medicale (per la produzione di radioisotopi o l'adroterapia). Tuttavia, l'accelerazione laser-plasma di ioni soffre di una bassa efficienza di conversione dell'energia dell'impulso in particelle energetiche. Una promettente soluzione a questo problema è offerto dai bersagli a doppio strato, con lo strato superficiale di densità critica, corrispondente a circa un millesimo di quella di un solido convenzionale. L'efficacia di questo tipo di bersaglio nel aumentare l'energia dei protoni accelerati e il loro numero, è stata provata sia teoricamente che sperimentalmente; anche se il pieno potenziale di questa soluzione non è stato ancora del tutto sfruttato. Quindi, questo lavoro di tesi mira a investigare e ottimizzare i bersagli a doppio strato con un approccio sia sperimentale che teorico: i parametri del bersaglio che massimizzano l'efficienza di accelerazione sono determinati per via teorico-numerica; di conseguenza bersagli con parametri ottimali sono prodotti e caratterizzati tramite specifiche tecniche proprie della scienza dei materiali. Infine tali bersagli sono testati in un esperimento di accelerazione laser-plasma in collaborazione con un laboratorio internazionale.