A 2D scintillator-based proton detector for high repetition rate experiments

For many years, laser-driven ion acceleration, mainly proton acceleration, has been proposed and number of experiments have been carried out to study laser-matter interaction and energetic ion acceleration. Laser parameters are a key point in this field and nowdays, thanks to the advent of high power lasers (HPL) working at high repetition rate (HRR), proton sources are routinely produced with energies ranging from a few to tens of MeV. Laser-driven proton acceleration has been an important field of research with a potential interest for several application in a broad range of scientific fields, including physics, chemistry and biology, among others. Laser-driven proton sources are characterized by a divergence that in several mea- surement has been proved to be related to the energy of the protons and the spatial distribution of the proton beam. For this reason spatial and energy characterization of the proton beams nowadays plays an important role for the potential use of such sources. The work here presented starts with an overview on the laser-plasma interaction. In particular we will see a brief description of the Chirped Pulsed Amplification (CPA) technique used for the generation of high power laser pulses and the interaction with matter. Attention is placed on the generation of plasma and on the mechanism of acceleration of ions, in particular protons. It will follow a brief section on the main experimental results in this field and future prospects. In the second chapter the focus will be on proton diagnostics. For laser-driven proton source, diagnostics should have different characteristics: they should be able to detect a large number of particles inside a very broad spectrum over a short duration and they should be operational at high repetition rate (HRR). In the thesis there is a brief description of established diagnostic techniques, in particular time of flights techniques and passive ion sensitive detectors. Among the first we wil see micro-channel plate (MCP), pn and pin junction photodiodes and the thomson parabola (TP); however on-line detectors are based on electricalc circuits that can be damaged due to the elec- tromagnetic pulses that are generated during high-intensity laser-plasma interaction experiments and that is why passive detectors can be a valid alternative. Among passive detectors we will see in some detail radiochromic films. These are able to recover the spatial distribution as a function of the proton energy without the use of any electrical circuit but this diagnostic needs to be extracted from the vacuum chamber in which the experiment is performed in order to execute the data analysis, making it inappropriate when a direct feedback of the results at HRR is needed. In the third and fourth chapter an alternative solution to these problems is presented: a scintillator-based detector able to measure both the proton energy and its transversal spatial distribution along the propagation axis and capable of being set at HRR. The detector has been designed and built at the Spanish Center for Pulsed Lasers (CLPU) and tested in collaboration with other facilities across the EU. The related work around the development of this new diagnostic is described in this thesis. Complementary, one of the first results obtained by the experiment carried out using the Petawatt laser system VEGA 3 belonging to the CLPU is presented.

Per molti anni, l’accelerazione di ioni, principalmente protoni, guidata da laser, è stata proposta e sono stati condotti numerosi esperimenti per studiare l’interazione laser-materia e l’accelerazione di ioni ad alta energia. I parametri laser sono un punto chiave in questo campo e oggigiorno, grazie all’avvento dei laser ad alta potenza (HPL) che lavorano ad alta frequenza di ripetizione (HRR), vengono regolarmente prodotte sorgenti di protoni con energie che vanno da poche a decine di MeV. L’accelerazione laser di protoni è stata un importante campo di ricerca con un potenziale interesse per diverse applicazioni in un’ampia gamma di campi scientifici, tra cui fisica, chimica e biologia. Le sorgenti di protoni azionate da laser sono caratterizzate da una divergenza che in diverse misurazioni è stata dimostrata correlata all’energia dei protoni e alla distribuzione spaziale del fascio di protoni. Per questo motivo la caratterizzazione spaziale ed energetica dei fasci di protoni gioca oggi un ruolo importante per il potenziale utilizzo di tali sorgenti. Il lavoro qui presentato inizia con una panoramica sull’interazione laser-plasma. In particolare vedremo una breve descrizione della tecnica Chirped Pulsed Amplification (CPA) utilizzata per la generazione di impulsi laser ad alta potenza e l’interazione con la materia. L’attenzione è posta sulla generazione del plasma e sul meccanismo di accelerazione degli ioni, in particolare dei protoni. Seguirà una breve sezione sui principali risultati sperimentali in questo campo e sulle prospettive future. Nel secondo capitolo il focus sarà sulla diagnostica dei protoni. Quest’ultima dovrebbe avere caratteristiche diverse: essere in grado di rilevare un gran numero di particelle all’interno di uno spettro molto ampio in un breve periodo di tempo e dovrebbe essere operativa ad alta velocità di ripetizione (HRR). Nella tesi c’è una breve descrizione di tecniche diagnostiche consolidate, in particolare tecniche a tempo di volo (time of Flights) e rivelatori di ioni passivi. Tra i primi vedremo micro-channel plate (MCP), fotodiodi a giunzione pn e pin e la parabola di Thomson (TP); tuttavia i rilevatori on-line sono basati su circuiti elettrici che possono essere danneggiati a causa degli impulsi elettromagnetici che vengono generati durante esperimenti di interazione laser-plasma ad alta intensità ed è per questo che i detector passivi possono essere una valida alternativa. Tra questi ultimi vedremo più in dettaglio i film radiocromici (RCF). Questi sono in grado di recuperare la distribuzione spaziale in funzione dell’energia del protone senza l’uso di alcun circuito elettrico ma questa diagnostica deve essere estratta dalla camera a vuoto in cui viene eseguito l’esperimento per eseguire l’analisi dei dati, rendendola inappropriata quando è necessario un feedback diretto dei risultati in HRR. Nel terzo e quarto capitolo viene presentata una soluzione alternativa a questi problemi: un detector a scintillatore in grado di misurare sia l’energia del protone che la sua distribuzione spaziale trasversale lungo l’asse di propagazione e che possa essere fissato a HRR. Il rilevatore è stato progettato e costruito presso il Centro spagnolo per i laser pulsati (CLPU) e testato in collaborazione con altre strutture in tutta l’UE. Il lavoro correlato attorno allo sviluppo di questa nuova diagnostica è descritto in questa tesi. Complementarmente, viene presentato uno dei primi risultati ottenuti dall’esperimento realizzato utilizzando il sistema laser Petawatt VEGA 3 appartenente al CLPU.