Studi teorici sull'accelerazione di ioni mediante interazione tra impulsi laser ultraintensi e materia

The main theme of this thesis is ion acceleration driven by ultra-intense (10^19-10^23W/cm^2) ultra-short (in the sub-picosecond range) laser pulses on thin targets. The exceptional properties of these ion beams make them particularly suitable for a wide range of applications, but it is necessary to develop theoretical models to understand the dependencies of the ion beam properties on the laser and target features with the aim of optimizing the acceleration process. The main goal of this work is to further develop the quasi-static model about TNSA (Target Normal Sheath Acceleration) introduced by M.Passoni and M.Lontano in [1]. I proposed a critical discussion on the scaling law introduced in [2] to describe the maximum energy of hot electrons. Moreover I studied the trend of the maximum ion energy as a function of laser features, comparing theoretical values with experimental data. Finally I analyzed the spatial profiles of electrostatic potential, electric field and electronic density calculated from experimental data found in literature. [1] M.Lontano et al., Electrostatic field distribution at the sharp interface between high density matter and vacuum, Physics of Plasmas, Vol. 13, 042102 (2006). [2] M. Passoni et al., Theory of Light-Ion Acceleration Driven by a Strong Charge Separation, Physical Review Letters, Vol. 101, 115001 (2008).

L'ambito di ricerca in cui si colloca questo lavoro di tesi è l'accelerazione di ioni mediante l'interazione di impulsi ultra-brevi (di durata inferiore al picosecondo) e ultra-intensi (10^19-10^23W/cm^2) con bersagli solidi. Le proprietà dei fasci ionici prodotti, che rendono questa tecnica attraente per varie applicazioni, e la possibilità di ottenere sistemi di accelerazione ultra-compatti hanno destato un vasto interesse nella comunità scientifica. Per rendere questa tecnica effettivamente utilizzabile è necessario ottimizzare le proprietà dei fasci ionici prodotti in funzione, in primo luogo, dei parametri del laser. A tale fine è necessario elaborare dei modelli analitici per la descrizione del meccanismo di accelerazione che, oltre a consentire una più profonda comprensione del fenomeno, forniscano delle leggi di scala per correlare le proprietà dei fasci ionici prodotti con i parametri del laser. Questo lavoro di tesi si colloca nell'ambito della modellizzazione dello schema TNSA (Target Normal Sheath Acceleration) e, più in particolare, consiste in uno studio teorico volto ad approfondire il modello quasistatico proposto da M.Passoni e M.Lontano in [1]. In questo lavoro il modello viene perfezionato al fine di trovare un riscontro teorico della legge di scala per l'energia massima degli elettroni caldi proposta in [2]. Ci si propone inoltre di studiare l'andamento dell'energia massima degli ioni accelerati in funzione di alcune proprietà dell'impulso confrontando i valori teorici con risultati sperimentali disponibili in letteratura e di calcolare i profili spaziali di densità elettronica, potenziale elettrostatico e campo elettrico a partire da dati sperimentali di recente pubblicazione. [1] M.Lontano et al., Electrostatic field distribution at the sharp interface between high density matter and vacuum, Physics of Plasmas, Vol. 13, 042102 (2006). [2] M. Passoni et al., Theory of Light-Ion Acceleration Driven by a Strong Charge Separation, Physical Review Letters, Vol. 101, 115001 (2008).