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"Fotonica degli alti campi per la generazione di radiazione X ad impulsi ultracorti" I ntense L aser I rradiation L ab. Leonida A. Gizzi CONSIGLIO NAZIONALE.

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1 "Fotonica degli alti campi per la generazione di radiazione X ad impulsi ultracorti" I ntense L aser I rradiation L ab. Leonida A. Gizzi CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici, Pisa, Italy

2 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. People Antonio GIULIETTI (CNR)* Danilo GIULIETTI (Univ. Pisa)* Leonida A. GIZZI (CNR)* Paolo TOMASSINI (CNR)* Marco GALIMBERTI (CNR)* Luca LABATE (CNR)* Petra KOESTER (CNR & Univ. of Pisa) Tadzio LEVATO (CNR & Univ. of Pisa) Andrea GAMUCCI (CNR & Univ. of Pisa) Walter BALDESCHI (CNR) Antonella ROSSI (CNR) * Also associated with INFN, the Nat. Institute of Nuclear Physics http://ilil.ipcf.cnr.it Area della ricerca CNR, Pisa The ILIL GROUP

3 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Outline 1.X-RAYS FROM LASER-PLASMAS: Studies on X-ray Emission Dynamics 2.APPLICATIONS OF LP X-RAY SOURCES: Monochromatic µ-Imaging for Differential Absorption 3.R&D ON ULTRAFAST, LASER-DRIVEN X-RAY SOURCES : Preliminary results and future experiments

4 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Basic hydrodynamics of laser-solid interactions X-ray emission from laser-solid interactions occurs in a narrow layer at the critical density X-ray emission from laser-plasmas: recent results … Atomic--physics issues can be investigated via X-ray emission using this interaction scheme

5 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Transient ionization in laser-plasmas Ionization from a charge state Z to a charge state Z+1 Calculations show that relaxation time from He-like to H-like Al is comparable to the rise-time of nanosecond pulses X-ray emission from laser-plasmas: recent results …

6 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Detailed description Full description of transient ionisation in plasmas requires that both atomic physics and hydrodynamics are taken into account. X-ray emission from laser-plasmas: recent results … [1] Christiansen et al., Comput.Phys.Commun. 7, 271 (1974) [2] Pert G.J., J. Comput. Phys. 43, 111 (1981) Examples of Hydrodynamic codes Medusa [1] 1-D Pollux [2] 2-D Hydrodynamic properties of plasmas (electron density and temperature, expansion velocity etc.) can be modelled using Lagrangian or Eulerian numerical codes Examples of Atomic Physics codes RATION/FLY [3] Similarly, a description of atomic physics and X-ray emission properties of laser-plasmas can be obtained from numerical codes that account for a collisional-radiative equilibrium [3] Lee et al.., J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer 32, 91 (1984)

7 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. 2D Map of X-ray emission Map of the electron temperature of the plasma produced by laser irradiation of a solid Al target at the peak of a 3ns gaussian laser pulse as predicted by POLLUX X-ray emissivity is calculated from electron density and temperature maps given by POLLUX using the code RATION/FLY X-ray emission from laser-plasmas: recent results … Laser Al He- Intensity on target: 1E14 W/cm 2 Pulse duration: 3 ns gaussian Laser focal spot: 8µmTarget: 50 µm thick Al Laser

8 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Total simulation time: 2 ns Frame every 200 ps Target surface 10µm Hydrodynamics and X-ray emission X-ray emission at 1.6 keV (He-like Al 1s 2 -1s2p) from a plasma produced by laser irradiation of an Al target Electron density and temperature maps obtained from hydrocode (POLLUX) are post-processed using time- dependent X-ray emission code (FLY) Laser pulse, 3ns FWHM X-ray emission from laser-plasmas: recent results …

9 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Thin emission layer assumption Most of X-ray emission is found to originate from a thin layer of plasma with well-defined density and temperature conditions. Thin X-ray emitting region X-ray emission from laser-plasmas: recent results …

10 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Transient ionisation in laser- plasmas 3ns FWHM pulse is peaked at 4.5 ns Early during the emission, time dependent and steady-state model show different results. Later on, both models give an identical ratio. Observable:temporal evolution of Ly to He intensity ratio: Steady-State versus Time-dependent modelling X-ray emission from laser-plasmas: recent results …

11 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. The experimental technique Tight-focus irradiation of solid target using clean (temporally and spatially) laser pulse X-ray emission from laser-plasmas: recent results … 100.0 mm 100.7 mm 101.4 mm 102.1 mm 103.4 mm f =10 cm 10 µm High quality, near diffraction limited focal spot YLF oscillator, 1053 nm Phosphate amplifiers 3, 7, 20 ns, 2 beams Single longitudinal mode Intensity on target up to: 5 10 15 Wcm -2

12 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. The X-ray spectra X-ray spectroscopy of K-shell emission from H-like and He-like Al ions X-ray spectra must be resolved in time to obtain the temporal evolution of H/He line ratios early during irradiation. An X-ray streak-camera is used. X-ray emission from laser-plasmas: recent results … 1 ns Raw data at low sweep speed

13 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Cross-calibration of spectra Corrected and calibrated spectrum of early-stage X-ray emission at higher temporal resolution Cross- calibration Simultaneous time integrated spectrum is taken along an equivalent line of sight X-ray emission from laser-plasmas: recent results …

14 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. EXPERIMENTAL RATIO vs TIME Ly to He intensity ratio from time-resolved X-ray spectra X-ray emission from laser-plasmas: recent results …

15 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Evidence of transient ionisation 3ns FWHM pulse is peaked at 4.5 ns Early during the emission, time dependent and steady-state model show different results. Later on, both models give identical ratio. Temporal evolution of Ly to He intensity ratio: Steady-State versus Time-dependent modelling X-ray emission from laser-plasmas: recent results …

16 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Evidence of transient ionisation Temporal evolution of Ly to He intensity ratio: Experiment versus SS/TD modelling L.A.Gizzi et al., Letter on Phys. Plasmas, (2003); L.Labate et al; Phys. Plasmas (2005). Early during the emission, time dependent and steady-state model show different results. Later on, both models give identical ratio. Early stage experimental ratio agrees well with td calculations. 3ns FWHM pulse is peaked at 4.5 ns X-ray emission from laser-plasmas: recent results …

17 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Monochromatic µ-imaging with curved crystals Applications of LP X-ray sources:monochromatic µ-imaging …

18 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. *)Pikuz et al., Laser and Particle Beams,19:285, 2001 Sanchez del Rio et al., Review of Scientific Instr., 72:3291, 2001 X-ray Crystal Imaging Microscope *) Source on Rowland circle: Image plane at a distance q from the crystal given by the condition of equal vertican and horizontal magnification : Focusing condition:

19 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. x/mm Source on Rowland Circle: a = a (R) aa (R) y/mm Horizontal plane When the source is on the Rowland Circle, the reflected spectral range is minimum: the crystal behaves as a monochromator. 0 = 0.894 rad 2d = 19.9Å R = 150 mm Vertical plane Reflected Wavelengths

20 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. XCIM (X-ray Crystal Imaging Microscope*) scheme allows monochromatic radiography of thin objects with µm resolution to be obtained *) T.A. Pikuz et al., Laser Part. Beams 19,285 (2001); M. Sanchez del Rio et al., Rev. Sci. Instrum. 72, 3291 (2001) XCIM scheme is based upon the use of a spherically bent crystal C++, fully object-oriented code X-ray Crystal Imaging Microscopy scheme arbitrary shapes and sizes of the source can be considered different forms of the crystal rocking curves can be taken into account typical running times: 5min for 5x10 6 sampled rays (Linux based P4) Ray-tracing simulations of X-ray µ-radiography #) #) #) L.Labate et al., Ray-tracing simulation of an X-ray optics based upon a bent crystal for differential absorption applications, LPB, 2004. Ray-tracing simulations of the system with the ORTO ray-tracing code**):

21 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. X-ray intensity distribution at the image point using an Al plasma source and the crystal set to focus near the He line (no objects) Al He line Al IC line Ray-tracing simulations: horizontal focus Spherical aberration and astigmatism: intensity distribution around the horizontal focus (without objects)

22 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Ray-tracing of the XCIM scheme with Fresnel zone plate as a test object X-ray pattern at different crystal-detector distances Ray-tracing simulations: imaging a test object

23 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. The X-ray source THE DRIVING LASER Nd:YAG oscillatorNd:YAG oscillator 6 ns pulse duration 6 ns pulse duration 10 Hz rep rate10 Hz rep rate 1064, 532 nm1064, 532 nm up to 500 mJ/pulse up to 500 mJ/pulse up to 5 10 13 W/cm 2 on target up to 5 10 13 W/cm 2 on target PC contr. Sync with target PC contr. Sync with target 15 µm laser spot on Cu target at 6E12 W/cm 2 25 µm FWHM source size View: 45° from laser axis

24 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Å b) Å c) Lithium-like Monochromatic X-ray Beam from LP X-rays Å 0 Central wavelength on crystal: a) He IC Target: Al, Intensity on target: 2E13W/cm 2 1 0.5 L.A.Gizzi et al.., Towards differential micro-imaging using a laser-plasma soft X-ray source, LPB (2004); S.Laville et al., NIM A (2005)

25 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Image resolution: Test image with XCIM configuration Image of a Frenel Zone plate with a monochromatic beam at 1.6 keV (Al He- line) 100 µm FHFH FVFV S O Object « imaging » plane Rowland circle I2I2 I1I1 100 µm Contact image on X-ray film CCD Image

26 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Source characterisation using a zone-plate A Fresnel zone-plate with known geometrical properties is used as a sample to determine magnification and resolution properties of the imaging system 0 1 Source Profile:Sample Profile: Space resolution condition : x = 2 Image profile: A 26 µm (FWHM) source size (PLX@ILIL) yelds a resolution of approx. 20µm at the object planePLX@ILIL X-ray image of a zone-plate: M=4.7 Radial line-out of image Resolution definitions using a step-function

27 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Difference in optical depth: Detection Limit: =1.3 10 -7 g/cm 2 = (1506 10)cm 2 /g I/I = 10 -4 DIFFERENTIAL ABSORPTION 1 2 BrC An example: bromine and carbon

28 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. 0.2 l of a 0.265 g/ml solution of LiBr washer substrate =1210.5 cm 2 /g t = -0.9±0.1 EXPECTED OPTICAL DEPTH DIFFERENCE MEASURED OPTICAL DEPTH DIFFERENCE 1 1 = 7.75 Å 1 0 Incident beam Transmitted beam I 1 0 1 1 0 1 0 Incident beam Transmitted beam 2 = 7.78 Å 2 DIFFERENTIAL ABSORPTION OF A TEST SAMPLE

29 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. ELEMENTAL 2D MAPPING Measurements on test-samples obtained from LiBr solutions with two different average concentrations P. Koester et al.., Quantitative analysis … submitted to Appl. Phys. B (2005).

30 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. ACCESSIBLE PHOTON ENERGIES Up to Z=22-23, He- K-shell emission lines can be obtained using small 10 Hz Nd lasers. At higher Z, emission originate from L and M shells Hydrogen-likeHelium-like Element2p1/22p3/22p 3P12p 1P1 (eV) 13 Al1727.71729.01588.31598.4 14 Si2004.32006.11853.91865.1 15 P2301.72304.02140.32152.6 16 S2619.72622.72447.32460.8 17 Cl2958.52962.42775.12789.8 18 Ar3318332331243140 19 K3699370534933511 20 Ca4100410838833903 21 Sc4523453242954316 22 Ti4966497747274750 23 V5431544451805205 24 Cr5917593256555682 25 Mn6424644261516181 26 Fe6952697366686701 27 Co7502752672067242 28 Ni8073810277667806 29 Cu8666869983478392 30 Zn9281931889508999 31 Ga9917996095759628

31 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006.Chlorine Calcium Tunability of the PLX source Silicon Copper Titanium Alluminium Copper Moliben. Copper

32 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. R&D on K-apha, laser driven, ultrafast X-ray sources

33 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Studi di fenomeni su scale temporali e spaziali atomiche Sorgenti K da Plasmi-Laser Scattering Thomson[1] X-ray Free Electron Laser[2] Slicing (SR) Cristallografia risolta nel tempo[3] Studi dinamici di transizioni di fase[4] Applicazioni bio-mediche[5] Nanolitografia … Referenze: [1] P. Tomassini et al. Applied Physics B, 80:419–436, 2005. [2] L. Serafini et al. Nuclear Instruments & Methods A, 528(1-2):586–590, 2004. [3] A. Rousse et al. Reviews of Modern Physics, 73:17–31, 2001. [4] K. Sokolowski-Tinten et al. Nature, 422:287–289, 2003. [5] R. Neutze et al. Nature, 406:752–757, 2000. Sorgenti X ad impulsi ultracorti

34 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Dimensione della regione di emissione paragonabile alla dimensione dello spot focale del laser[1]. Durata dellemissione K paragonabile alla durata dellimpulso laser[2,3]. Emissione isotropa. Efficienza di conversione di energia laser in radiazione K fino a 10 -4 [4]. Frequenza di ripetizione fino ai kHz. Sistemi compatti (table top) Referenze: [1] Ch. Reich et al. Physical Review E, 68:056408, 2003.. [2] J. Limpouch et al. Czechoslovak Journal of Physics, 52:D342–D348, 2002. [3] Ch. Reich et al. Physical Review Letters, 84:4846, 2000. [4] H. S. Park et al. Review of Scientific Instruments, 75(10):4048–4050, 2004. Sorgenti X da interazione laser-solido

35 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. BASIC MECHANISM: INNER SHELL TRANSITIONS The interaction of focused, intense CPA (Chirped Pulse Amplification) laser pulse with a solid target produces hot electrons that penetrate in the cold target substrate and generate incoherent X-ray emission (K-shell transitions). Laser K-a X-ray emission Ionised plasma X-ray emission Laser heated plasma Fast electron heated solid Fast electrons

36 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. - generazione di onde elettrostatiche longitudinali (onde di plasma) - smorzamento non collisionale delle onde o accelerazione (WF, SMWF, Pond. Acc. …) - generazione di elettroni veloci. - ionizzazione della K-shell degli atomi del bersaglio per impatto degli elettroni - transizioni radiative > emissione di righe K Generazione di radiazione Ka

37 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Polarizzazione della radiazione laser nel piano di incidenza (p) e angolo di incidenza non-zero. => Campo elettrico del laser ha una componente lungo il gradiente di densità del plasma. => Generazione di unonda di plasma in vicinanza della densità critica, dove pe = Laser. laser densità critica Onda di plasma Assorbimento risonante

38 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Il regime di interazione di un impulso laser intenso ed ultracorto (decine di fs) è caratterizzato da un plasma denso con gradienti molto ripidi. La generazione di elettroni veloci e quindi la produzione di radiazione K è particolarmente efficiente per impulsi laser ultracorti [1]. Efficienza di conversione di energia laser in radiazione K e caratteristiche spaziali dellemissione X sono stati misurati per un ampio range di intensità della radiazione laser (10 15 -10 19 W/cm 2 ) [2,3,4]. Dimensioni della regione di emissione K da poche volte a diverse decine di volte le dimensione dello spot focale del laser sono state misurate [3,5,6]. Misure di correlazione indicano una durata dellimpulso X di alcune centinaia di femtosecondi [7]. Referenze: [1] D. Salzmann et al. Physical Review E, 65:036402, 2002. [2] Ch. Reich et al. Physical Review Letters, 84:4846, 2000. [3] D. C. Eder et al. Applied Physics B, 70:211–217, 2000. [4] F. Ewald et al. Europhysics Letters, 60(5):710–716, 2002. [5] Ch. Reich et al. Physical Review E, 68:056408, 2003. [6] G. Pretzler et al. Applied Physics Letters, 82(21):3623–3625, 2003. [7] T. Feurer et al. Physical Review E, 65:016412, 2001. Caratteristiche principali

39 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Experimental technique 10 Hz rep rate fs laser pulse Optical spectroscopy on reflected and diffused radiation

40 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. The femtosecond laser system

41 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Laser pulse width measurements Time scan photomultiplier BBO crystal Laser Zero-signal auto-correlator for high dynamic range measurement Aimed at >10 6 peak-power to ASE contrast ratio Ti:Sa oscillator pulse Gaussian fit M.Galimberti et al., IPCF-Report 2004 The SH autocorrelator

42 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Autocorrelator for ASE characterisation Time scan photomultiplier BBO crystal Laser Zero-signal auto-correlator for high dynamic range measurement Aimed at >10 6 peak-power to ASE contrast ratio Amplified Pulse Gaussian fit M.Galimberti et al., IPCF-Report 2004

43 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Autocorrelator for ASE characterization (200 ps range) Measurement carried out by Amplitude Tech. using a SEQUOIA autocorrelator

44 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Profilo spaziale dellimpulso laser Piano equivalente con lente con focale di ca. 100 cm Spot focale di FWHM=15 m per la lente di 14cm focale 12 mJ 67 fs 15 m Intensità sul bersaglio fino a 10 17 W/cm 2 Beam quality

45 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Raw data from X-ray crystal spectrometer Crystal tuning spectrum using resonance line emission from He-like Aluminium (He- alpha line@1588 eV) from nanosecond irradiation (reference emission). He h Same spectral range, with femtosecond pulse and poor compression (10 ps pulse). He K (1486.70 eV) h Single-pixel noise arises from K-alpha photons and/or energetic electrons

46 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Single-Photon X-ray Spectroscopy (SPS) Spectral analysis of X-rays generated by femtosecond laser-plasma interactions is performed by using a low noise CCD array to measure the charge produced by each photon The X-ray flux incident of the CCD array is controlled to ensure that the average number of photons per pixel is much less than one. The image shows the result obtained with a Peltier cooled, 16 bits ccd array, after exposure to X-rays produced by a single femtosecond laser- target interaction event.

47 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. The total crystal to CCD camera distance is about 1m in order to: get a low photon flux (0.02 photons/pixel) collect a monochromatic beam onto the CCD sensor (dE/E ~ 5x10 -2 ) A flat TlAP crystal in a first- order Bragg configuration is used as dispersing element to select a narrow-band beam The laser plasma source at ILIL (PLX) is used to produce X-rays Nd:YLF laser focusing lens crystal Al filter Al target PIN diode (*) CCD Calibration set-up (<2 keV)

48 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Event identification Subtraction of local background Sum of charge over pixels of each event Histogram of events for each class (one pixel, two pixels etc. …) Algorithm L. Labate et al., Nucl. Instr. and Meth. A. 495, 148 (2002)

49 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Calibration histograms Response of CCD to monochromatic X-ray photons at low (<2keV) photon energy

50 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. CCD Calibration curve for SPS Calibration at higher (>2keV) energy was performed using radioactive sources

51 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Fast electron generation Target: Al (massive) Al He/K-alpha (1486.70 eV) Lower intensity Target: Al (massive) Al He/K-alpha (1486.70 eV) Higher intensity Target: Al (massive) Al He/K-alpha (1486.70 eV) High vs. Low Intensity

52 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. High-energy continuum emission KT e 1.5keV KT e 10keV

53 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. K-alpha emission from Si target Si K-alpha (1739 eV) Si K-beta (1836 eV)

54 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. K-alpha emission from Titanium target Ti K-alpha (4510.84 eV) Escape (4510.84-1739,98 eV=2270,86)

55 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Misure con una CCD in regime a singolo fotone[1] -> risoluzione spettrale -> misura assoluta del flusso di fotoni -> 10 7 fotoni/impulso laser Referenze: [1] L. Labate et al. Nuclear Instrument and Method A, 495:148, 2002. Acquisizione del segnale X ottenuto dallirraggiamento di un foglio di Ti con un singolo impulso del laser. Spettro ottenuto dallanalisi di 150 acquisizioni. La sorgente K

56 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Open issues … da affrontare nei prossimi esperimenti a due fasci

57 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Linterazione è ricca di fenomeni fisici complessi come la generazione di instabilità [1], la produzione di campi elettrici e magnetici molto intensi [2] ed effetti relativistici [3]. I dati sperimentali non possone essere spiegati tenendo conto soltanto dellintensità del laser. La presenza di eventuali preimpulsi e della emissione spontanea amplificata (ASE) può ionizzare il materiale prima dellarrivo dellimpulso principale anche per laser con un contrasto alto (10 -7 - 10 -8 ), per cui limpulso ai femtosecondi interagisce con un plasma piuttosto che con un solido. Le condizioni di interazione possono cambiare significativamente per profili diversi del preplasma [4]. Le dimensioni della zona di emissione di radiazione dipendono dalle proprietà della popolazione elettronica veloce e dalleventuale presenza di campi magnetici autogenerati Referenze: [1] William L. Kruer. The physics of laser plasma interactions. The advanced book program. Addison-Wesley publishing company, 1988. [2] L. A. Gizzi et al. Laser Part. Beams, 13, 1995. [3] Scott C. Wilks and William L. Kruer.IEEE Journal of Quantum Electronics, 33(11):1954–1968, 1997. [4] S. Bastiani et al. Physical Review E, 56(6):7179–7185, 1997. Controllo della sorgente

58 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. HIGH RESOLUTION SPECTRA Identification … Interplay between plasma emission and K-alpha emission

59 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. FORWARD-EMITTED CHARGED PARTICLE DETECTION (preliminary) Laser Dose-sensitive radiation detector (radio-chromic film) 40° Dose is released along the axis perpendicular to the target. Laser intensity on target 2 x 10 17 W/cm 2

60 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. electrons Rivelazione degli elettroni con film radiocromici emissione in direzione normale alla superficie del bersaglio semi-apertura angolare: orizzontale: 20 verticale: 15 Elettroni veloci

61 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Simulazione Montecarlo per calcolare la perdita di energia degli elettroni negli strati sensibili dei film radiocromici [1,2]. Gli elettroni emessi dalla superficie posteriore del bersaglio hanno energia tra 40 e 100 keV. Referenze: [1] GEANT4: LCB Status Report/RD44, CERN/LHCC-98- 44 (1998) [2] M. Galimberti et al. Review of Scientific Instruments, 76:053303, 2005. Elettroni veloci

62 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Dipendenza dellefficienza di conversione di energia laser in radiazione X dalla polarizzazione della radiazione laser Effetti di polarizzazione

63 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Controllo tramite spettroscopia ottica Spettro della radiazione riflessa dal bersaglio (steel, solid) La presenza di armoniche intere (2w) o semi-intere (3/2 e 5/2 w) rivelano aspetti sulla dinamica dellinterazione.

64 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Controllo tramite spettroscopia ottica Lanalisi fine degli spettri ottici può mettere in evidenza fenomeni di propagazione in plasmi preformati.

65 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Upgrade of the fs-system Doppio fascio: >2TW pump beam e >0.1 Tw probe beam I fasci sono compressi indipendentemente: possibilità di modificare la durata degli impulsi

66 CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Leonida A. GIZZI, U. Tor Vergata, 13 febbraio 2006. Osservata radiazione K dallirragiamento di Al, Si e Ti La radiazione X emessa è stata risolta spettralmente e il flusso totale di fotoni è stato misurato mediante lutilizzo di una CCD in regime a singolo fotone. Caratterizzazione degli elettroni emessi dalla superficie posteriore del bersaglio mediante lutilizzo di film radiocromici. Acquisizione di spettri X ad alta risoluzione spettrale con uno spettrometro basato su un cristallo curvo. Caratterizzazione delle condizioni di interazione (preplasma creato da preimpulsi) attraverso simulazioni idrodinamiche e misure di spettroscopia ottica Caratterizzazione spaziale della sorgente K Conclusioni e prospettive


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