Advances in laser-driven ion acceleration theory

Ion acceleration by superintense laser pulses is of great interest for both fundamental research and applicative purposes. The concept of driving the acceleration with lasers is promising for the development of relatively compact, cost-effective and versatile ion accelerators. These could generate ion beams with properties relevant for selected applications, such as secondary radiation sources, materials characterization, plasma diagnostics. The complexity of the physical system -- comprised of a ultra-intense laser pulse irradiated upon a suitable target, which promptly turns into plasma -- poses significant challenges that still need to be faced. The ultimate goal would be to get a better control of the acceleration process, so to be able to design optimized configurations for the applications. To this purpose, it is crucial to get a better understanding of the physics at play, addressing several key open issues. In this thesis, novel theoretical aspects of advanced schemes of laser-driven ion acceleration are investigated by means of analytical models and numerical simulations. This work is carried out within a cross-disciplinary framework where plasma physics, computer science, nuclear engineering and materials science are involved altogether. Improvements in the modeling of the most established mechanisms for laser-driven ion acceleration, i.e. radiation pressure acceleration and target-normal sheath acceleration, let us obtain new elements on important features of the interaction, namely the reflection of a laser pulse by a thin foil and hot electrons non-equilibrium. Moreover, the development of dedicated numerical particle-in-cell simulations together with in-depth analyses allowed for further progress in the understanding of the non-conventional scheme of acceleration based on special double-layer targets. These targets are made of a thin solid foil coated with a nanostructured low-density material (usually carbon). Simulations reveal that the plasma nanostructure and morphology may play a significant role and influence several features in the physics of the interaction, such as laser energy absorption and species distributions in phase space. Considering these new insights, we numerically model a compact proton source based on a table-top laser system coupled with double-layer targets. We assess the benefits due to the advanced targets and the potential for secondary neutron generation as a promising application.

L'accelerazione di ioni indotta da impulsi laser superintensi gode di grande interesse scientifico sia nell'ambito della fisica fondamentale sia per scopi applicativi. L'idea di impiegare sistemi laser è promettente per lo sviluppo di acceleratori che siano relativamente compatti, economici e versatili. Questi, inoltre, possono produrre fasci di ioni accelerati con proprietà potenzialmente utili per diverse applicazioni, tra cui sorgenti secondarie di radiazione, caratterizzazione di materiali, diagnostiche per plasmi. Data la complessità del sistema in oggetto -- costituito da un impulso laser ultraintenso irraggiato su di un opportuno bersaglio, il quale presto diventa plasma -- diverse questioni aperte devono ancora essere affrontate. L'obiettivo sarebbe quello di ottenere una migliore comprensione dei processi in gioco nell'interazione laser-plasma, così da riuscire a meglio controllare l'accelerazione e, in ultimo, progettare configurazioni ottimizzate per le applicazioni. In questa tesi di carattere teorico vengono approfonditi nuovi aspetti relativi a schemi avanzati di accelerazione di ioni da laser mediante modelli analitici e simulazioni numeriche. Tale lavoro si colloca all'interno di un contesto interdisciplinare che coinvolge la fisica dei plasmi, la scienza computazionale, l'ingegneria nucleare e la scienza dei materiali. Da una parte, vengono presentati avanzamenti nella modellizzazione dei meccanismi più consolidati per l'accelerazione di ioni da laser, ovvero i cosiddetti processi di "radiation pressure acceleration" e "target normal sheath acceleration". In particolare, questi permettono di ottenere nuovi elementi su importanti caratteristiche della fisica dell'accelerazione, specificatamente la riflessione di un impulso laser da un foglio solido sottile e il non-equilibrio degli elettroni caldi. D'altra parte, opportune campagne di simulazioni numeriche particle-in-cell insieme a loro analisi approfondite consentono di fare ulteriori progressi nella comprensione dello schema di accelerazione non convenzionale basato su particolari bersagli doppio-strato. Questi sono costituiti da un foglio solido sottile ricoperto da uno strato di materiale nanostrutturato (tipicamente carbonio) a bassa densità. Le simulazioni di questo lavoro rivelano che la nanostruttura e la morfologia del plasma possono giocare un ruolo significativo nell'influenzare diverse caratteristiche della fisica dell'interazione, come l'assorbimento di energia del laser e la distribuzione delle specie nello spazio delle fasi. Considerando questi nuovi elementi, viene modellizzata numericamente una sorgente di protoni basata su un sistema laser compatto accoppiato a bersagli doppio-strato. Vengono analizzati i benefici dovuti all'utilizzo dei bersagli avanzati e il potenziale per la generazione di neutroni secondari come possibile futura applicazione.