Photon activation analysis with laser-driven sources

The Photon activation Analysis (PAA) technique allows retrieving the elemental composition of a sample irradiating it with photons. Such photons are typically produced by bremsstrahlung due to electrons interaction with a converter. For the acceleration of those electrons, radio-frequency accelerators as LINACs are usually employed. Since these analyses are non-destructive, they are preferred for scientific (e.g. biology, cultural heritage studies, environmental analysis) and industrial (e.g. electronics, criminology, mineral sample analysis) applications. Among various activation analysis, different possibilities apart from PAA are available. The Neutron Activation Analysis (NAA) exploits neutrons to activate the sample. Therefore it requires a source of thermal or fast neutron flux. Activation analysis with charged particles adopt protons, deuterons, helium-5 ions, alpha particles, tritons or even recoil particles in a nuclear reactor to activate the sample. The main difference among charged particles and neutrons or photons is the penetration capability of such particles inside the materials. While with photons or neutrons the flux is unperturbed by the sample, protons and ions penetrate only a few microns, stopping on the material surface. Considering the PAA, as a consequence of the interaction of the irradiating photon field with a sample nucleus, a nuclear transmutation might occur. The products of these nuclear transmutations are often radioactive. During the radioactive decay, the nuclei emit radiations (γ-rays) which are characteristic of the isotopic species. The detection of the emitted characteristic radiation allows the determination of the elemental concentration of the original sample. The electron sources used to perform PAA are capable of providing beams of 30 MeV with currents of hundreds of microAmpere. Despite their continuous development, they are currently expensive and characterized by a large size, preventing the wide-scale diffusion of PAA techniques. Also, there is not a simulating nor theoretical tool to predict the outcome of a PAA analysis starting from the electron spectrum. Laser-driven electron acceleration could provide an alternative electron source for PAA analysis. It relies on ultra-intense and ultra-short laser pulses impinging on a target, generating a plasma and interacting with it. Traditionally, for electron acceleration, gaseous targets are preferred. On the contrary, for protons and ion acceleration, double layer targets are preferred with the exploitation of the Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) scheme. Since a double layer target allows accelerating different kind of particles with the same setup, in this work the focus is to accelerate also electrons with this configuration. Furthermore, a solid target generates more intense beams, while gas-jets targets accelerate fewer electrons but with higher energies. The purpose of this thesis is to provide a simulation tool for the study of PAA and, with such a tool, to test the feasibility of laser-driven acceleration sources for PAA. To this aim, a Monte Carlo simulation instrument is preferred. All different aspects of PAA are simulated and integrated with a modular approach. Firstly, the bremsstrahlung radiation in simulated starting from electron distribution, then the generated photon spectrum is employed for the irradiation of the samples. Some experiments from the literature are retrieved and tested to study the reliability of this procedure. To get the laser-driven electron parameters, a theoretical model is firstly employed. Exploiting the definition of a figure of merit for PAA, a comparison between traditional and laser-driven sources is outlined. Requiring that the laser-driven source reaches the same performances of the most common conventional sources, the minimum requisites for a laser system are defined. To do so, the ideal characteristics of a double layer target were identified as a function of the laser parameters. Once established a laser-driven electron source equivalent to a conventional one, some Monte Carlo simulations are performed to test the obtained results. A first simulation employs the laser distribution derived from the theoretical model to verify the reliability of the defined figure of merit. As a further deepening of the thesis work required by the ASPRI program, a particle in cell (PIC) simulation is performed as well. This simulation describes the source realistically. Coupling the resulting electron distribution to the PAA simulating tool allows having a complete description of all the phenomena occurring from the laser pulse interaction with the target to the γ radiation emission of the decaying nuclides. The obtained results allow concluding that the developed simulating tool can predict the outcome of a PAA experiment in an accurate way. Also, a procedure to compare laser-driven and conventional source performance is established. This procedure is tested with Monte Carlo simulations which confirm the predictions performed. The final results show how the PAA can be performed with laser-driven sources employing high-intensity laser (100 TW - 1 PW) with high repetition rates (10s Hz). These requirements, which are difficult to achieve today, could be made available in the future.

La Photon Activation Analysis (PAA) è una tecnica di caratterizazione di materiali che consente di ricostriure la composizione di un campione tramite il suo irraggiamento con fotoni. Questi fotoni sono tipicamente prodotti come radiazione da frenamento da elettroni accelerati verso un materiale convertitore. Per accelerare gli elettroni, si impiegano maggiormente acceleratori a radiofrequenze come i LINAC. Essendo non-distruttive, queste analisi sono preferite per studi scientifici (ad esempio per la biologia, lo studio di campioni archeologici o ambientali) o industriali (come applicazioni per l’elettronica, l’analisi forense o mineraria). Tra le varie analisi per attivazione, ci sono diverse possibilità oltre alla PAA. La neutron activation analysis (NAA) sfrutta i neutroni per attivare il campione, di conseguenza necessita di una sorgente di neutroni termici o veloci. Con un’analisi per attivazione che sfrutta particelle cariche si utilizzano tipicamente protoni, deutoni, ioni di elio-5, particelle alpha o addirittura particelle pesanti provenienti da reattori nucleari. La differenza principale tra le particelle cariche o i fotoni e i neutroni è la capacità di penetrazione di queste all’interno dei vari materiali. Mentre con i fotoni o i neutroni la propagazione è relativamente imperturbata dal campione, i protoni e gli ioni raggiungono solo qualche micron, fermandosi sulla superficie dei solidi. Nel caso della PAA, a seguito dell’interazione del nucleo con i fotoni tramite i quali si è irraggiato il campione, può avvenire una reazione fotonucleare. I prodotti di queste reazioni sono spesso radioattivi e decadono con una costante di tempo caratteristica. Durante il decadimento, i nuclei emettono radiazione γ con energia fissata che dipende dalla specie isotopica. Rilevare questa radiazione consente di determinare la concentrazione degli elementi attivati all’interno del campione originale. Le sorgenti di elettroni utilizzate per la PAA sono in grado di fornire fasci da 30 MeV con correnti di centinaia di microAmpere. Nonostante il loro continuo sviluppo, sono tutt’ora dei macchinari costosi ed ingombranti, questo limita la diffusione su larga scala delle tecniche di caratterizzazioni di materiali legate alla PAA. Inoltre non è presente in letteratura uno strumento simulativo o teorico per prevedere i risultati di una PAA partendo dallo spettro di elettroni provenienti dalla sorgente. L’accelerazione di elettroni tramite laser potrebbe fornire una valida alternativa come sorgente di elettroni per la PAA. Questo tipo di accelerazione si basa su un impulso laser ultra breve e ultra intenso che si propaga in bersagli di vario tipo generando un plasma e interagendo con lo stesso. Tradizionalmente, i bersagli proposti per effettuare accelerazione di elettroni sono di tipo gas-jet, mentre sono suggeriti dei bersagli solidi doppio strato per accelerare ioni o protoni con un meccanismo detto di Target Normal Sheat Acceleration (TNSA). Potendo accelerare diversi tipi di particelle con lo stesso setup, in questo lavoro ci si concentra su bersagli solidi anche per la produzione di elettroni. Un punto ulteriore a favore di questi è il fatto di poter generare correnti molto più grandi rispetto a quelle ottenibili con i gas-jet, che invece sono più idonei per accelerare un numero inferiore di elettroni ad energie molto più alte. Lo scopo di questa tesi è fornire uno strumento simulativo per lo studio della PAA e con questo analizzare la possibilià di utilizzare accelerazione di elettroni da laser come sorgente per la PAA. Per farlo è stato scelto un approccio legato alla simulazione della propagazione delle particelle di tipo Monte Carlo. Tutti i differenti aspetti sono simulati ed integrati con un approccio modulare. Inizialmente si simula la produzione di radiazione da frenamento partendo dalla distribuzione elettronica, quindi la distribuzione di fotoni ottenuta viene usata per l’irraggiamento dei campioni. Alcuni esperimenti da letteratura sono stati riprodotti e testati per studiare l’affidabilità di questo approccio. Per ottenere i parametri degli elettroni da laser, è stato impiegato inizialmente un modello teorico. Sfruttando la definizione di una figura di merito per la PAA con un approccio numerico-analitico, è stato delineato un paragone tra sorgenti tradizionali e da laser. Considerando i parametri più usati in letteratura per effettuare PAA come quelli da raggiungere con un’eventuale sorgente da laser, sono stati definiti dei requisiti minimi per un sistema laser identificando quali siano le caratteristiche ottimali per un bersaglio a doppio strato associato ad esso. Stabilita una sorgente da laser di elettroni equivalente ad una tradizionale, si effettuano simulazioni Monte Carlo per verificarne l’effettiva equivalenza. Una prima simulazione è svolta considerando la distribuzione degli elettroni risultante dal modello teorico, per verificare l’affidabilità delle figure di merito definite. Per quanto riguarda l’approfondimento ulteriore del lavoro di tesi previsto dal progetto ASPRI, viene effettuata una simulazione Paricle in Cell (PIC) che va a descrivere in modo realistico la sorgente, questa viene accoppiata al modello per la PAA in maniera tale da avere una simulazione completa per tutti i fenomeni fisici che avvengono dall’interazione dell’impulso laser con il target all’emissione di radiazione γ legata al decadimento del campione. I risultati ottenuti permettono di concludere che è stato sviluppato uno strumento numerico in grado di prevedere il risultato di un esperimento di PAA in maniera accurata. Si è inoltre stabilita una procedura per confrontare le prestazioni di sorgenti monoenergetiche e da laser. La stessa è stata testata con simulazioni Monte Carlo che confermano le previsioni effettuate. I risultati hanno mostrato come la PAA possa essere svolta con sorgenti che impiegano laser ad alta potenza (100 TW - 1 PW) ad alti repetition rate (10s Hz). Questi requisiti, oggi difficili da raggiungere, potrebbero essere resi disponibili nel prossimo futuro.