Commissioning of Thomson Parabola Spectrometer and advanced target solutions for laser driven ions acceleration at L2A2

Laser-Driven Accelerator (LDA) has captivated significant interest as a promising alternative to conventional particle accelerators with its beam characteristics and extensive range of potential applications. A LDA potential application illustrated in the LaserPET project, which was oriented to provide the technological requirements of the competitive radioisotope production used for positron-emission tomography, enabling short-lived isotope fabrication for neurodegenerative and cardiovascular disease diagnostics. To approach the full potential of the LDA, besides the technological development of laser systems, the implementation of advanced engineering targets and sophisticated diagnostic systems are essential. Thomson Parabola (TP) has emerged as one of the most suitable diagnostics for LDA beam features, while near-critical double-layer targets (DLT) illustrated the promising potential for LDA beam enhancement. This thesis project was devoted to a double-step improvement of LDA installed in the Laser Laboratory for Acceleration and Applications (L2A2, Santiago de Compostela, Spain), including the commissioning of TPS, as an alternative for the currently installed TOF, and optimizing the target. The latter, required the production of nanostructured DLTs, which was successfully obtained by Pulse Laser Deposition technique (PLD), where carbon nanofoam layers of different thicknesses are deposited in 12 um Al substrate. Such foam layer is characterized by the optimum coupling of plasma and laser, inducing enchantment in the acceleration mechanism. This enhancement was investigated, while an experimental assessment of the optimal foam thickness for the L2A2 laser system was performed. The experimental results, confirmed the enhancement promised by DLTs utilization, concluding an optimal foam thickness of 5 to 6 um, forming agreement with the theoretical estimated thickness. The results obtained in this thesis may offer perspective on future developments and improvements for the L2A2 system and, consequently, for any laser accelerator system operating with similar parameters.

L’ accelerazione di particelle mediante impulsi laser (Laser-driven Acceleration, LDA) ha suscitato un notevole interesse come promettente alternativa agli acceleratori di particelle convenzionali, grazie alle peculiari caratteristiche delle particelle accelertate e alla vasta gamma di potenziali applicazioni. Una potenziale applicazione dell'LDA è illustrata nel progetto LaserPET, orientato a fornire i requisiti tecnologici per la produzione competitiva di radioisotopi utilizzati nella tomografia ad emissione di positroni, consentendo la fabbricazione di isotopi a breve vita per la diagnosi delle malattie neurodegenerative e cardiovascolari. Per sfruttare appieno il potenziale dell'LDA, oltre allo sviluppo tecnologico dei sistemi laser, è essenziale implementare bersagli avanzati e ingegnerizzati nonchè specifici sistemi di misura per la diagnostica del fascio. Da un lato la Parabola di Thomson (TP) è emersa come una delle diagnostiche più adatte a questo scopo, mentre dall’altro i bersagli a doppio strato (Double Layer Targets, DLT) si sono rivelati particolarmente promettenti per il miglioramento delle caratteristiche delle particelle accelerate. Questo progetto di tesi è stato dedicato a un duplice avanzamento nel sistema di accelerazione laser installato preso il Laser Laboratory for Acceleration and Applications (L2A2, Santiago di Compostela, Spagna), che includeva la messa in servizio del sistema TPS, come alternativa al TOF attualmente installato, e l'ottimizzazione dei bersagli. Quest'ultima fase ha richiesto la produzione di DLT nanostrutturati, ottenuti con successo mediante la tecnica di deposizione laser pulsata (PLD), in cui strati di nano-schiuma di carbonio di diversi spessori sono depositati in un substrato di alluminio con spessore di 12 um. Le caratteristiche dello strato di nanoschiuma sono progettate per ottimizzare l’ accoppiamento tra il laser di L2A2 e il bersaglio, dando luogo a un potenziale miglioramento nel processo di accelerazione. L’incremento nell’energia e nel numero degli ioni accelerati è stato studiato sperimentalmente valutando lo spessore ottimale della nanoschiuma per il sistema laser L2A2. I risultati sperimentali hanno confermato che l’impiego di DLT garantisce un miglioramento delle prestazioni del processo LDA, osservando uno spessore ottimale della schiuma compreso tra 5 e 6 um, in accordo con lo spessore teoricamente stimato. I risultati ottenuti in questa tesi possono offrire una prospettiva sui futuri sviluppi e migliorie per il sistema L2A2 e, di conseguenza, per qualsiasi sistema di accelerazione laser operante con parametri simili.