Production of novel nanostructured targets for high-intensity laser-plasma interaction experiments

The study of high-intensity laser-plasma interaction is of great interest from an application-oriented point of view. Laser-driven ion sources and Inertial Confinement Fusion (ICF), are two examples of envisioned applications. In the former, thin solid targets can be irradiated by ultra-high intensity TW laser systems delivering mJ energies in fs pulses, which are interesting to realize compact accelerators. In the context of ICF, high-intensity lasers delivering tens of J energies in ns pulses are exploited to compress a capsule containing the fuel. Precise control and reproducibility of the interaction are necessary to guarantee their feasibility. To achieve these goals, great effort is dedicated to the optimization of the targets with which the laser interacts. The general aim of this thesis work was the production of nanostructured targets with tunable properties according to the laser parameters typical of laser-driven ion sources and ICF. Magnetron Sputtering (MS) and Pulsed Laser Deposition (PLD), have been exploited for this purpose. In the context of laser-driven ion sources, both Single Layer metallic foils and Double Layer Targets (DLTs) were considered. The second design consists of an additional porous thin layer (< 8 μm), a PLD deposited carbon nanofoam, which, thanks to its internal structure enhances laser absorption. A procedure to realize free-standing metallic foils exploiting MS was developed. Thickness tunability down to the nm scale was achieved. The obtained films can either be exploited in a Single Layer or in a DLT concept. Thanks to their enhanced laser absorption efficiency, carbon foams may be also of interest in the context of ICF, as external layer of the capsule. Nevertheless, this is a widely unexplored topic. According to the few simulations available, the thickness of the carbon foam in ICF relevant conditions should be in the order of hundreds of μm. Pioneering PLD depositions of such a high thickness carbon foam were successfully conducted on different types of substrates, ranging from thin free-standing films up to bulk material, assessing the feasibility of realizing carbon foam targets for experiments in ICF conditions.

Lo studio dell’interazione tra laser ad alta intensità e un plasma è interessante per le sue possibili applicazioni. Due possibili esempi sono sorgenti di ioni da laser e fusione a confinamento inerziale (ICF). Nella prima, un sottile target solido può essere irraggiato con laser ultra intensi, caratterizzati da energie nell’ordine dei mJ e impulsi di fs, di interesse per realizzare acceleratori compatti. Nel secondo caso, laser ad alta intesità caratterizzati da energia dell’ordine dei J e impulsi di ns vengono usati per comprimere una capsula contente il combustibile. Affinché tali applicazioni siano effettivamente realizzabili, è necessario poter controllare precisamente l’interazione. A questo fine sono stati studiati modi per ottimizzare i target. Lo scopo generale della tesi è stato quello di produrre materiali nanostrutturati con proprietà controllabili a seconda dei parametri laser per applicazioni nell’accelerazione di particelle e in ICF, sfruttando tecniche di Magnetron Sputtering (MS) e Pulsed Laser Deposition (PLD). Riguardo all’accelerazione, sono stati considerate due configurazioni di target, fogli metallici Single Layer e Double Layer Targets (DLTs) dove viene aggiunto un sottile (< 8 μm) strato di materiale poroso nanostrutturato, foam di carbonio realizzata tramite PLD, capace di aumentare l’assorbimento dell’energia laser. E’ stata sviluppata una procedura per realizzare film free-standing tramite MS che potessero essere usati sia come Single layer che come DLT, con spessore controllabile nell’ordine dei nm. Grazie alla loro efficienza di assorbimento dell’energia del laser, le foam di carbonio sono interessanti anche come strato esterno della capsula di combustibile in ICF. Questo è un argomento inesplorato sia sperimentalmente sia teoricamente. Le poche simulazioni disponibili hanno previsto spessori della foam dell’ordine di centinaia di um. In questa tesi foam di tali spessori sono state ottenute con successo tramite PLD, su vari substrati, dimostrando la possibilità di realizzare target di foam di carbonio per esperimenti in condizioni rilevanti per ICF.