Development of non-conventional targets for laser-driven particle sources

The study of laser interaction with matter is a research topic of strong interest, both for fundamental science and for application-oriented reasons. Among these, there is the possibility of accelerating particles. Sources of various kind can be obtained, for example protons ones. It has to be highlighted that, due to the peculiar characteristics of laser-driven sources, such as high laminarity and pulsed nature, they are complementary and not competitive to conventional ones. A broad range of applications of such sources is foreseen in various sectors: materials science, industrial processes, biomedical applications, radioisotopes production, experimental physics and inertial confinement nuclear fusion research. Parallel to the development of laser systems, the study and the optimization of the targets with whom the radiation interacts has proved to be of fundamental importance. This is particularly true in the case of compact sources, based on lasers in the tens of TW power range, which could likely be installed in industries and universities. To goal of this thesis work is thus to investigate the possibility of producing solid targets, both as pure metallic and multi-layered. In particular, the so-called Double Layer Targets (DLTs) are considered, in which an additional low density material allows to improve the performances of the acceleration system. While the conventional targets typically consist in laminated foils, a strategy to produce these components through direct deposition of the materials on perforated holders is presented in this work. In particular, two Physical Vapour Deposition (PVD) techniques are exploited: Magnetron Sputtering, both as Direct Current (DCMS) and in pulsed mode (HiPIMS), and Pulsed Laser Deposition (PLD). The aim is thus to tune such strategy and to verify its limits of applicability. The direct deposition should allow to obtain films with greater reproducibility in terms of their properties. Thus, in turn, the accelerated particles sources should result as more reliable and with more finely controlled characteristics.

Lo studio dell’interazione tra laser e plasma è un tema di ricerca di forte interesse, sia per considerazioni di scienza fondamentale che per ragioni più applicative. Tra queste, trova spazio la possibilità di accelerare particelle e realizzare così sorgenti di varia natura, ad esempio protoni. Grazie alle loro peculiari caratteristiche, quali l’elevata laminarità e la natura pulsata, le sorgenti da laser non sono competitive ma complementari alle sorgenti tradizionali. Infatti, queste trovano possibili sfoghi applicativi in vari ambiti, quali scienza dei materiali, processi industriali, applicazioni biomediche, produzione di radioisotopi ed anche fisica sperimentale e ricerche sulla fusione nucleare a confinamento inerziale. Parallelamente allo sviluppo dei sistemi laser, lo studio e l’ottimizzazione dei bersagli con cui la radiazione interagisce si è rivelato di fondamentale rilevanza. Ciò risulta particolarmente vero nel caso di sorgenti compatte, basate su laser con potenze nell’ordine delle decine TW, che quindi potrebbero verosimilmente essere installate in industrie ed università. Per questo, l’obiettivo del presente lavoro di tesi è di studiare la possibilità di produrre bersagli solidi, sia puramente metallici che multistrato, in cui uno strato aggiuntivo di materiale a bassa densità permette di migliorare le prestazioni del sistema di accelerazione. Questi ultimi sono chiamati Double Layer Targets (DLTs). Mentre i bersagli convenzionali consistono, tipicamente, in fogli laminati, in questo lavoro viene presentata una strategia per realizzare componenti tramite deposizione diretta dei materiali su holder perforati, sfruttando tecniche fisiche da fase vapore. In particolare, vengono impiegate magnetron sputtering, sia in modalità Direct Current (DCMS) che pulsata (HiPIMS), e Pulsed Laser Deposition (PLD). L’obiettivo è quindi di mettere a punto tale strategia e di verificarne i limiti di applicabilità. Infatti, la deposizione diretta dovrebbe permettere di ottenere film con proprietà maggiormente riproducibili e, di conseguenza, fasci di particelle accelerate più affidabili e con caratteristiche più controllate.