Metodi per la caratterizzazione di bersagli innovativi a bassa densità per l'accelerazione di ioni indotta da impulsi laser ultraintensi

This thesis lays in the context of production and characterization of innovative targets used for ions acceleration driven by superintense laser pulses (I>10^{18} W cm^-2), which generate multi-MeV proton and ion beams with unique properties such as high intensity, high brilliance and low emittance, potentially useful for many applications. The ion acceleration mechanism at issue is called Target Normal Sheath Acceleration (TNSA), in which accelerated ions are produced at the rear surface of micrometric solid targets. Numerical simulations have demonstrated the possibility to enhance the energy coupling from laser to plasmas by using materials whose mass density is much lower than that of the solid state. The targets considered in this thesis are produced by depositing a thin layer of carbon at low density (1-100 mg cm^-3) on the target surface similar to those used in ion acceleration induced by laser. So the aim of this activity is to work out a sensitive and non-destructive method called Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDXS), based on the spectroscopy of characteristic X-rays generated from the sample impinged by an electron beam for the determination of the density of these thin nanostructured films (foams). This technique is able to analize the sample with high spatial resolution and, in order to achieve this, it was necessary to develope and implement a method of EDXS data processing. This method was employed to carbon porous nanostructured layers and it was able to validate the density measures obtained from less elaborate techniques and to highlight their limits.

Questo lavoro di tesi si inquadra nell'ambito delle ricerche sull'accelerazione di ioni indotta da impulsi laser ultraintensi (I>10^{18} W cm^-2), che permette di ottenere fasci di ioni con energia dell'ordine delle decine di MeV dotati di buone proprietà in termini di intensità, brillanza ed emittanza, potenzialmente utili per diverse applicazioni. Il meccanismo di accelerazione di riferimento è denominato Target Normal Sheath Acceleration (TNSA), secondo il quale gli ioni accelerati sono generati sulla superficie posteriore, non irraggiata, di bersagli solidi di spessore micrometrico. Le simulazioni numeriche hanno dimostrato la possibilità di incrementare l'efficienza di assorbimento di energia del laser da parte del bersaglio mediante l'utilizzo di materiali aventi densità molto minore di quella del solido. I bersagli considerati in questa tesi sono stati ottenuti depositando uno strato sottile di carbonio a bassa densità (1-100 mg cm^-3) sulla superficie di un solido sottile analogo a quelli utilizzati per l'accelerazione di ioni indotta da laser. L'obiettivo del lavoro è sviluppare un metodo per far fronte al problema di caratterizzazione di sistemi a bassa densità. In particolare esso consiste nell'elaborare una tecnica di analisi non distruttiva basata sulla Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDXS), che sfrutta la spettroscopia dei raggi X generati da un fascio elettronico incidente sul campione per determinare la densità di questi film nanostrutturati (foam). La EDXS consente di effettuare analisi del campione con elevata risoluzione spaziale e, per poter ottenere questo, è stato necessario sviluppare e implementare un metodo opportuno di trattamento dei dati EDXS. Il metodo è stato applicato a campioni di carbonio porosi nanostrutturati e ha permesso di validare le misure di densità ottenute con tecniche meno sofisticate mettendone in evidenza i limiti di applicabilità.