Development of innovative solutions for laser-driven hadron sources applications: targetry and diagnostics

Laser-driven particle acceleration is emerging as a particularly promising technique for generating beams of various types with unique properties, sparking increasing interest within the scientific community in recent years. The ability to produce particle beams, including hadrons such as protons and neutrons (via suitable converters exploiting (p, n) reactions), as well as photons and electrons from a single and relatively compact source is highly appealing for a wide range of applications. These include, among others, materials science and analysis, nuclear physics, and medical applications. Laser-driven sources are based on the interaction between a high-intensity laser pulse (> 10^18 W/cm^2) and a target, typically a thin solid in the case of ion acceleration. The most common acceleration mechanism, known as Target Normal Sheath Acceleration (TNSA), enables the production of protons with a broad energy spectrum, reaching up to several tens of MeV. However, the practical use of laser-driven radiation sources is not mature yet. This PhD thesis, coherently with its inclusion within the PON-Innovation framework, aims to develop solutions that bridge the gap between fundamental studies on laser-matter interaction conducted over the years and the practical requirements of these sources. Specifically, the study focuses on two particularly significant aspects: the production of advanced targets and the development of diagnostic instrumentation for accelerated particles. To this end, an approach encompassing both experimental and theoretical-modelistic activities is adopted. The first, crucial aspect concerns the stability of laser-driven radiation sources, which can be enhanced through the optimization and control of target properties. Thin films produced via magnetron sputtering are investigated and compared with conventional commercial alternatives, both in terms of material properties and performance in acceleration experiments. Advanced double-layer targets (DLT) are also studied, as they could provide better results than simple foils by ensuring improved coupling with the laser pulse, yielding favorable outcomes. Numerical investigations into film production using High Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) complement the work on targets for laser acceleration. In collaboration with the company Raylab s.r.l., a magnetic spectrometer specifically designed for measuring protons from laser-driven sources is developed. The work includes all aspects, from initial design, supported by Monte Carlo simulations, to component characterization, prototype testing, and its application in experiments analyzing materials of interest for cultural heritage preservation. These activities demonstrated the capabilities and versatility of the instrument. Lastly, given the interest in neutron sources and the challenges associated with their measurement, the results obtained using the DIAMON spectrometer (developed by Raylab) in an experiment producing laser-driven neutrons using a converter are presented. The work concludes with an exploratory study on the production of lithium fluoride thin films for applications in neutron detectors.

L'accelerazione di particelle tramite laser si presenta come una tecnica particolarmente promettente per ottenere fasci di varia natura e con proprietà peculiari, e per questo si ha sviluppato un crescente interesse nella comunità scientifica negli ultimi anni. La possibilità di ottenere fasci di particelle, in particolare di adroni quali protoni, neutroni tramite convertitori adeguati che sfruttino reazioni (p, n), ma anche fotoni ed elettroni, da una sola sorgente dalle dimensioni relativamente ridotte è allettante per molteplici applicazioni. Tra queste si possono certamente annoverare, tra le altre, usi in ambito di scienza e analisi dei materiali, fisica nucleare e applicazioni medicali. Le sorgenti da laser si basano sull’interazione tra un impulso laser ad elevata intensità (> 10^18 W/cm^2) ed un bersaglio, solitamente solido e sottile, nel caso di accelerazione di ioni. Il meccanismo di accelerazione più comune, chiamato Target Normal Sheat Acceleration (TNSA) permette di ottenere protoni con un ampio spettro energetico, fino a svariate decine di MeV. Tuttavia, l’uso di sorgenti di radiazione da laser in applicazioni concrete non è ancora maturo. Questo lavoro di dottorato, coerentemente con il suo collocamento all’interno dell’ iniziativa PON-innovazione, ha quindi l’obiettivo generale di sviluppare delle soluzioni che possano avvicinare gli studi fondamentali sull’interazione laser-materia svolti negli anni alle esigenze d’uso di queste sorgenti. Nello specifico, lo studio si focalizza su due aspetti particolarmente rilevanti, ovvero la produzione di bersagli avanzati e lo sviluppo di strumentazione diagnostica delle particelle accelerate. A tale scopo, è adottato un approccio che comprende sia attività sperimentali che teorico-modellistiche. Un primo, cruciale, aspetto riguarda la stabilità delle sorgenti di radiazione da laser, la quale può essere migliorata attraverso l’ottimizzazione e il controllo delle proprietà dei bersagli. Film sottili prodotti tramite magnetron sputtering possono offrire una soluzione e per questo investigati e confrontati con le comuni alternative commerciali, sia in termini di proprietà dei materiali che di risultati in esperimenti di accelerazione. Sono anche studiati bersagli avanzati del tipo a doppio strato (Double-Layer Target, DLT), i quali potrebbero garantire risultati migliori rispetto ai fogli semplici grazie ad un miglior accoppiamento con l’impulso laser, con risultati favorevoli. Delle investigazioni numeriche sulla produzione di film tramite High Pulse Impact Magnetron Sputtering (HiPIMS) completano il lavoro relativo allo studio dei bersagli per accelerazione tramite laser. In collaborazione con l’azienda Raylab s.r.l., è stato sviluppato uno spettrometro magnetico specificatamente dedicato alla misura di protoni da sorgenti laser. Il lavoro ha riguardato tutti gli aspetti, dalla progettazione di massima anche tramite simulazioni Monte Carlo, alla caratterizzazione dei componenti, fino alle prove del prototipo sviluppato ed il suo uso in esperimenti di analisi di materiali di interesse per la preservazione di beni culturali, dimostrando le capacità dello strumento e la sua versatilità. Per finire, considerando l’interesse in sorgenti di neutroni e la difficoltà nella loro misura, vengono presentati i risultati ottenuti nell’uso dello spettrometro DIAMON, sviluppato da Raylab, in un esperimento di produzione di neutroni da laser tramite convertitore. Il lavoro si conclude con lo studio esplorativo di produzione di film sottili di fluoruro di litio per applicazioni in rivelatori di neutroni.