Femtosecond pulsed laser deposition of carbon nanofoams for laser-driven ion acceleration

Laser-driven ion acceleration has attracted significant interest in the scientific community, as a promising alternative to the big and expensive traditional particle accelerators, with potential applications ranging from cancer treatment through hadrontherapy to fast ignition in inertial confinement fusion. In order to reach the full potential of the technique, advanced target engineering is as important as advancements in laser technology. One of the promising target concepts is the near-critical double-layer target (DLT), where a low-density nanostructured carbon foam is attached to a thin metal foil. Pulsed laser deposition (PLD) is the technique of choice for the production of the carbon foam, but some limitations related to the ablation and aggregation processes hinder the control of its morphology. This work focuses on the production of carbon nanofoams through a non-conventional PLD system, based on femtosecond pulses, in order to overcome the above limitations. A parametrical investigation is performed, in order to determine the effect of each deposition parameter on foam morphology. The results obtained represent a first step in order to produce carbon foams with the desired characteristics, in order to manifacture near-critical DLTs that could enhance the ion acceleration process. Important insights on the fs-PLD process, and on the specific experimental apparatus are also obtained.

Le tecniche di accelerazione di ioni tramite laser hanno attirato l'attenzione della comunità scientifica, come promettente futura alternativa agli acceleratori di particelle convenzionali (costosi e di considerevoli dimensioni), in applicazioni che vanno dal trattamento dei tumori tramite adronterapia all'iniezione veloce nella fusione nucleare inerziale. Per raggiungere il pieno potenziale della tecnica, lo sviluppo di target avanzati è tanto importante quanto i miglioramenti nella tecnologia dei laser. Una delle tipologie di target rivelatasi promettente è il target a doppio strato (DLT) con layer quasi-critico, basato su schiume di carbonio nanostrutturate a bassissima densità depositate su un sottile foglio metallico. La schiuma di carbonio può essere prodotta tramite pulsed laser deposition (PLD) a nanosecondi, ma la tecnica presenta alcune limitazioni relativamente al controllo della morfologia della schiuma, causate dagli specifici meccanismi di ablazione e aggregazione. Questo lavoro si concentra sulla produzione di schiume di carbonio tramite una macchina PLD non convenzionale, basata su impulsi a femtosecondi, con l'obiettivo di superare le limitazioni della PLD convenzionale. Tramite un'analisi parametrica è stato possibile determinare l'effetto dei diversi parametri di deposizione sulla morfologia delle schiume. I risultati ottenuti sono un primo passo verso la produzione di schiume di carbonio con le caratteristiche volute, in grado di rendere più efficiente il processo di accelerazione di ioni se applicate ai DLT. Inoltre è stato possibile ottenere importanti informazioni sulla tecnica di fs-PLD e sullo specifico apparato sperimentale.