Numerical and experimental investigation of laser-driven radiation sources for materials characterization

The atomic and nuclear analytical methods are a broad family of techniques exploited for the elemental characterization of materials. Particle and photon beams interact with the samples under study, inducing the emission of characteristic secondary radiation. The analysis of the emitted radiation allows retrieving the composition of a large variety of materials, avoiding visible damage or changes in the chemical composition. Many of these techniques have relied on massive and expensive radiation sources (e.g. particle accelerators) for several decades. As a result, their large-scale diffusion has been prevented until today. In the last years, the advent of a new generation of ultra-short and super-intense lasers (intensity exceeding ∼ 10^19 W/cm^2) paved the way for the exploration of new laser-plasma interaction scenarios. Among the others, laser-driven particle acceleration, consisting in the production of high-energy electrons and ions (∼ 1 − 10 MeV/u) when the laser pulse is focused onto a thin (i.e. less than 100 μm) solid target, is attracting increasing attention in the scientific community. Indeed, the compact size and multiparticle nature of laser-based accelerators make them attractive for applications in several fields, from astrophysics to medical science. Certainly, atomic and nuclear analytical methods could greatly benefit from the adoption of a flexible, cost-effective and multi-radiation platform. However, the applicability of laser-driven radiation sources to the elemental analysis of materials remains substantially unexplored. Therefore, the goal of this thesis work is to address the possibility to exploit laser-driven particle acceleration for materials characterization, considering three specific analytical techniques: the Particle Induced X-ray Emission (PIXE), Energy Dispersive X-ray (EDX) spectroscopy and Photon Activation Analysis (PAA). To this aim, both theoretical and experimental approaches are adopted. First, to make laser-driven radiation sources suitable for the mentioned applications, their shot-to-shot stability must be enhanced through optimization and full control of the target properties. This point is addressed via target production with an appropriate materials deposition technique (i.e. the Magnetron Sputtering). Next, feasibility studies of laser-driven PIXE, EDX and PAA are performed with Particle-In-Cell and Monte Carlo simulations. Lastly, the results of a proof-of-principle laser-driven PIXE and EDX experiment realized in an international laser facility are presented. The outcomes of this PhD work confirm that materials characterization can be performed in existing laser facilities hosting 10 − 100 TW class lasers.

I metodi analitici atomici e nucleari sono un’ampia famiglia di tecniche analitiche usate per la caratterizzazione elementale di materiali. Fasci di particelle e di fotoni interagiscono con i campioni oggetto di studio inducendo l’emissione di radiazione secondaria caratteristica. L’analisi della radiazione emessa consente di ricavare la composizione di una grande varietà di materiali evitando danni visibili o cambiamenti nella composizione chimica. Molte di queste tecniche hanno fatto affidamento su sorgenti di radiazioni grandi e costose (ad es. acceleratori di particelle) per diversi decenni. Di conseguenza, la loro diffusione su larga scala non è stata possibile fino a oggi. Negli ultimi anni, l’avvento di una nuova generazione di laser ultra-brevi e super-intensi (intensità maggiori di ∼ 10^19 W/cm^2) ha aperto la strada all’esplorazione di nuovi scenari d’interazione laser-plasma. Tra gli altri, l’accelerazione di particelle da laser, consistente nella produzione di elettroni e ioni ad alta energia (∼ 1 − 10 MeV/u) quando l’impulso laser è focalizzato su un bersaglio solido sottile (spessore inferiore a 100 μm), sta attirando sempre più attenzione nella comunità scientifica. Infatti, le dimensioni compatte e la possibilità di accelerare più tipi di particelle rendono gli acceleratori da laser interessanti per applicazioni in diversi campi, dall’astrofisica alla scienza medica. Certamente, anche i metodi analitici atomici e nucleari potrebbero trarre ampio beneficio nel dotarsi di una piattaforma flessibile, economica e multiradiazione. Tuttavia, l’uso di sorgenti di radiazione da laser per l’analisi elementale di materiali rimane un’applicazione sostanzialmente inesplorata. Pertanto, l’obiettivo di questo lavoro di tesi è d’investigare la possibilità di sfruttare le sorgenti di radiazioni da laser per la caratterizzazione dei materiali, considerando tre tecniche analitiche specifiche: la Particle Induced X-ray Emission (PIXE), l’Energy Dispersive X-ray (EDX) spectroscopy e la Photon Activation Analysis (PAA). A tale scopo, è stato adottato un approccio sia sperimentale che teorico. In primo luogo, per renderle adatte alle applicazioni citate, la stabilità delle sorgenti di radiazione da laser deve essere migliorata attraverso l’ottimizzazione e il pieno controllo delle proprietà del bersaglio. Questo punto viene affrontato tramite la produzione di bersagli con una tecnica di deposizione di materiali appropriata (ovvero il Magnetron Sputtering). Successivamente, tramite simulazioni Particle-In-Cell e Monte Carlo, viene fatto uno studio di fattibilità di PIXE, EDX e PAA svolte con sorgenti laser. Infine, vengono presentati i risultati di un esperimento PIXE ed EDX con sorgente di particelle da laser svolto in un centro di ricera internazionale. I risultati di questo lavoro di dottorato confermano che la caratterizzazione dei materiali può essere eseguita nei centri di ricerca che ospitano laser di classe 10 − 100 TW.