Produzione fasci di protoni/ioni (mediante uso di impulsi laser superintensi) Matteo Passoni Dipartimento di Energia, Politecnico di Milano, e Sezione INFN Milano

Matteo Passoni –LIFE Meeting, Frascati Sommario - Accelerazione di ioni indotta da laser superintensi - Il contesto internazionale - Applicazioni di interesse - Competenze italiane - Ioni in PlasmonX con FLAME (?)

Matteo Passoni –LIFE Meeting, Frascati Accelerazione di ioni indotta da laser superintensi Se un impulso laser ultraintenso ultrabreve colpisce la superficie di un film solido sottile si osserva la produzione di popolazioni di ioni energetici cartoon… …experimental! Parametri fisici caratteristici del sistema Laser – energia: 0, J, durata impulso: fs, intensità W/cm 2 Bersaglio solido – tipo: conduttori e isolanti, spessore: 0,  m Ioni accelerati – protoni in condizioni ordinarie, altri ioni in condizioni specifiche

Matteo Passoni –LIFE Meeting, Frascati Meccanismo di accelerazione degli ioni Nelle attuali condizioni sperimentali, gli ioni presenti sulle superfici vengono accelerati dal campo elettrico quasi-statico generato dalla popolazione di elettroni energetici creati dall’interazione laser-solido Laser Pulse Target Electrons Target Normal Sheath Acceleration mechanism (TNSA) [S.C. Wilks, et al., Phys. Plasmas 8, 542 (2001)] N p << N hot Light ions (protons)

Matteo Passoni –LIFE Meeting, Frascati Laser pulse solid target front surface rear surface 1: laser pulse-front surface interaction; generation of relativistic el. current 2: hot electron propagation in the target possible if a return current is generated 3: expansion in vacuum; charge separation at the rear surface; generation of intense electric fields Protons: bulk (CH) and/or contamination layers (oils, water vapour…) and/or coated layers Heavy ions: bulk and/or coated layers pre-plasma (underdense) ion-rich layer relativistic e - current return current main pulse pre-pulse Meccanismo di accelerazione degli ioni

Matteo Passoni –LIFE Meeting, Frascati Stato dell’arte delle ricerche Le ricerche hanno portato alla produzione di: PROTONI: energia massima 60 MeV (spettro termico) ALTRI IONI: C - 90 MeV F – 100 MeV Pb – 430 MeV (+altri…) N° particelle:  Emittanza long.: < eV.s Emittanza trasv.: < m rad Durata temporale pacchetto:  ps …in una scala spaziale   m E’ tra i temi più investigati, a livello mondiale, nelle maggiori facilities esistenti

Matteo Passoni –LIFE Meeting, Frascati Courtesy: Federico Canova

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9 Potenziali applicazioni  applicazioni medicali (PET, adroterapia)  diagnostiche (proton imaging, radiografie)  schemi innovativi di fusione inerziale (proton driven fast ignition) …sono realizzate/previste/ipotizzate molte potenziali applicazioni dei fasci di ioni prodotti da laser ultraintensi…ad esempio:

Matteo Passoni –LIFE Meeting, Frascati Prospettive internazionali – un esempio: progetti per applicazioni adroterapiche ELENCO (incompleto) DI PROGETTI FINANZIATI: - JAERI (Japon): PMRC - LIBRA (UK consortium) - Dresden (Germany) - MPQ (Germany) - RAL (UK) - Projet Fox Chase Center (USA) - Russia - Saphir (France) - Etc…? …tutti progetti da milioni di Euro (anche decine)… Da: “Second International Symposium on Laser Driven Relativistic Plasmas Applied to Science, Industry and Medicine” Kizugawa, Kyoto, Japan, January 19 to 23, 2009

Matteo Passoni –LIFE Meeting, Frascati Accelerazione di ioni mediante interazione laser-solido  Fisica dell’accelerazione di ioni indotta da laser intensi Interazione laser-plasma. Aspetti teorici / numerici / sperimentali  Tecnologia impulsi laser ultraintensi e ultrabrevi  Preparazione dei bersagli solidi sottili Fisica delle superfici e dei sistemi nanostrutturati/scienza dei materiali  Rivelazione e controllo dei fasci di ioni accelerati Diagnostiche dedicate per la caratterizzazione di sorgenti impulsate ultrabrevi Tecniche di focalizzazione / controllo / manipolazione del fascio Aspetti radioprotezionistici Realizzazione di esperimenti di accelerazione di ioni: quali competenze occorrono?? Competenze fortemente interdisciplinari non facili da integrare fra loro

Matteo Passoni –LIFE Meeting, Frascati Competenze italiane? - Partecipazione allo sviluppo di esperimenti di accelerazione ioni su alcune delle maggiori facilities internazionali D. Batani et al., D. Giulietti et al. - Sviluppo di simulazioni numeriche e modelli analitici per l’interpretazione degli esperimenti di accelerazione e l’individuazione di schemi innovativi A. Macchi et al., M. Passoni et al., G. Turchetti et al. - Competenze generali di sviluppo di diagnostiche di fasci di particelle cariche C. De Martinis et al., D. Giove et al., S. Agosteo et al. - Competenze generali di sviluppo di tecniche di formazione e controllo di fascio L. Serafini et al., C. De Martinis et al., D. Giove et al.

Matteo Passoni –LIFE Meeting, Frascati Accelerazione di ioni e PLASMONX In PlasmonX esiste un gruppo di lavoro interessato ad esperimenti di accelerazione di protoni/ioni. OBIETTIVI:  Identificare le potenzialità di PlasmonX e Flame in questo settore  Mettere a punto un programma attività sperimentali e teoriche di rilevanza nel contesto internazionale  Integrare il gruppo di ricerca con le competenze necessarie per la realizzazione del programma di ricerca  Finalizzazione di una proposta di respiro pluriennale

Matteo Passoni –LIFE Meeting, Frascati Sviluppo di modelli analitici per descrivere TNSA di protoni e ioni Si possono sviluppare modelli analitici per TNSA adatti alla descrizione della componente più energetica dello spettro di ioni accelerati : M. Passoni, M. Lontano, Laser Part. Beams 22, 163 (2004) M. Lontano, M. Passoni, Phys. Plasmas 13, (2006) M. Passoni, et al., Phys. Rev. E 69, (2004) M. Passoni, M. Lontano, Phys. Rev. Lett. 101, (2008) Esperimento (P. Martin, T. Ceccotti et al. CEA Saclay) con un 100 TW Amplitude “Flame like” Teoria

Matteo Passoni –LIFE Meeting, Frascati Accelerazione di ioni e PLASMONX Quali esperimenti? CaratteristicheE laser (J) Durata impulso (fs) Raggio Focal spot (  m) Intensità (W/cm 2 ) E max protoni modello (MeV) FLAME “1”53052x FLAME “2”52045x FLAME “3”6201,54.2x Regime TNSA Altri regimi  Produzione di sorgenti quasi mono-cromatiche di ioni Realizzazione di target con controllo alla nanostruttura Caratterizzazione e controllo delle proprietà del fascio Sfruttamento dell’elevato tasso di ripetizione degli impulsi  Studio degli effetti indotti da impulsi con ultra-alto-contrasto (UHC)  Polarizzazione circolare e “radiation pressure acceleration”  Uso di target differenti (clusters, foams, gas jets …)

Matteo Passoni –LIFE Meeting, Frascati GRAZIE PER L’ATTENZIONE!