Production and post-mortem characterization of double layer targets for laser-driven ion acceleration

In recent years, the study of laser–plasma interaction has attracted growing interest within the scientific community. In particular, the acceleration of ions to energies of several MeV—by means of an ultra-intense laser pulse (I > 10^18 W/cm^2) incident on a micrometer-thick solid foil via the Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) mechanism—has been extensively investigated with the aim of developing particle accelerators that are significantly more compact than conventional systems. To this end, it is essential to optimize the laser–matter coupling in order to maximize the acceleration efficiency. One of the most promising strategies, called Double Layer Targets (DLTs), consists of interpose, at the interaction interface, a nanostructured layer with density close to critical one. However, the use of these targets presents significant challenges, most notably, damage to the nanostructure even in regions not directly irradiated by the laser beam can be observed precluding their use in high-repetition-rate operation. This thesis therefore investigates how parameters such as density, geometric thickness, and areal density of carbon nanofoams used in DLTs influence both damage resistance and TNSA efficiency. The analysis is based on data collected in two distinct experimental campaigns. In the first, conducted at ELI Beamlines, as part of PIXE analysis studies, twelve DLTs fabricated with three different areal densities and six combinations of geometric thickness and foam density has been tested to evaluate these effects. In the second campaign, performed at the NanoLab of Politecnico di Milano, four nanofoam samples deposited on silicon substrates, each with different density-thickness combination, were exposed to a single low-intensity laser pulse to study the material’s behavior under direct irradiation. These experiments have highlighted the importance of both foam and laser parameters. In particular, the foam’s areal density and the laser pulse energy play a predominant role: increasing the former and reducing the latter results in a larger fraction of material surviving the shot. Moreover, the results have provided clearer insight into the underlying damage mechanisms.

Negli ultimi anni lo studio dell’interazione laser-plasma ha suscitato un crescente interesse nella comunità scientifica. In particolare, la possibilità di accelerare ioni fino a energie di alcuni MeV, sfruttando un impulso laser ultra-intenso (I > 10^18 W/cm^2) incidente su un foglio solido di spessore micrometrico tramite il meccanismo di Target Normal Sheath Acceleration (TNSA), è stata ampiamente indagata con l’obiettivo di realizzare acceleratori di particelle significativamente più compatti rispetto ai sistemi convenzionali. A tale scopo è fondamentale ottimizzare l’accoppiamento laser-materia, in modo da massimizzare l’efficienza del processo di accelerazione. Una delle strategie più promettenti prevede l’interposizione, all’interfaccia dell' interazione, di uno strato nanostrutturato con densità prossima a quella critica: i cosiddetti Double Layer Targets (DLTs). Tuttavia, l’impiego di questi target presenta significative criticità, in particolare il danneggiamento della nanostruttura anche in zone non direttamente irradiate dal fascio laser è un fenomeno di elevata rilevanza che può precluderne l’uso in condizioni di alto repetition rate. A tal fine, questa tesi si propone di investigare come parametri quali densità, spessore e spessore massico delle nanoschiume di carbonio impiegate in DLTs influenzino la resistenza al danneggiamento e l’efficienza del processo di TNSA. L’analisi si basa sui dati raccolti in due campagne sperimentali distinte. Nella prima, condotta presso ELI Beamlines , nell’ambito di studi di analisi PIXE, sono stati testati 12 DLTs prodotti a tre differenti spessori massici e a sei diverse combinazioni di spessore e densità, al fine di valutare i suddetti effetti. Nella seconda campagna, presso il NanoLab, quattro campioni di nanoschiuma depositata su substrato di silicio—con diverse combinazioni di densità e spessore—sono stati sottoposti a un singolo impulso laser a bassa intensità, con l’obiettivo di studiare il comportamento del materiale in condizioni di irraggiamento diretto. Tali esperimenti hanno evidenziato l’importanza sia dei parametri della schiuma che del laser. In particolare, lo spessore massico della schiuma e l’energia del fascio giocano un ruolo predominante: aumentando il primo e riducendo la seconda, una quota maggiore di materiale sopravvive allo sparo. Maggiore chiarezza è stata inoltre fatta sul possibile meccanismo di danneggiamento.