IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA 12-14 gennaio 2003, Arcetri SVILUPPO DI SORGENTI X E ACCELERAZIONE DI ELETTRONI CON PLASMI-LASER: i progetti in corso presso l’Intense Laser Irradiation Laboratory Leonida A. Gizzi CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Pisa

Il gruppo ILIL The ILIL staff Antonio Giulietti (CNR) Danilo Giulietti (CNR&UniPi) Leonida A. Gizzi (CNR) Paolo Tomassini (PostDoc, CNR) Marco Galimberti (PostDoc, CNR) Stephane Laville (PostDoc, EU) Luca Labate (PhD, CNR&UniBo) Petra Koester (PhD, CNR&UniPi Carlo A. Cecchetti (Graduate) Gabriele Palladino (Graduate) Walter Baldeschi (CNR) Antonella Rossi (CNR) Area della Ricerca, CNR, Pisa, Italy http://ilil.ipcf.cnr.it

ILIL Layout FIXer area 10 GW Picosecond Nd:YAG 0.12 TW, 90 fs Ti:SA laser PAV-one: basic laser-plasma Interaction studies 10 Hz, 100MW Nd:YAG 1 GW, 2-beam, nanosecond Nd:YLF MAX: X-ray emission studies PLX: the laser-plasma X-ray source

Sommario Sorgenti X da plasmi laser e loro applicazioni nell’ambito della rete Europea XPOSE Sorgenti X ad impulsi ultracorti: il progetto MIUR “FIXer” Laser intensi e fasci di elettroni: sorgenti tunabili di raggi X duri e accelerazione di elettroni (PLASMON-X)

RAGGI X DA LASER INTENSI Laser pulse duration (log) Laser intensity on target (log) fs ps ns 12 13 14 15 16 17 18 19 20 High-order harmonics from Laser-solid interactions Thomson scattering K-alpha generation from laser-solid interactions High-order harmonics from Laser-gas-jet interactions Inner-shell line emission and continuum emission from Highly-ionised micro-plasmas

IMPULSI DI RAGGI X DA LASER INTENSI: DURATA VS. ENERGIA eV keV MeV fs ps ns Inner-shell line emission and continuum emission from Highly-ionised micro-plasmas X-ray Pulse duration (log) K-alpha generation from laser-solid interactions Thomson scattering from ultrarelativistic electrons X-ray photon energy (log)

La sorgente di raggi X molli all’ILIL e sue applicazioni all’imaging monocromatico

Profili tipici di plasmi da interazione laser-solido L’emissione di radiazione X avviene in una sottile regione di plasma in prossimità della densità critica Vedi talk Luca Labate, “Effetti di non-stazionarietà …” oggi, ore 18.30 Questo semplice geometria di interazione, in opportune condizioni, consente di studiare le proprietà atomiche del plasma in regime non-stazionario

La sorgente primaria Nd:YAG Laser 6 ns pulse duration 10 Hz rep rate 1064, 532 nm up to 500 mJ/pulse up to 5 1013 W/cm2 on target PC contr. Sync with target

LA SORGENTE X AL MICROSCOPIO 15 µm laser spot on Cu target at 6E12 W/cm2 View: 45° from laser axis View:75° from laser axis Optimum pin-hole diamater Space resolution q = pin-hole-image distance ≈25 µm FWHM source size

Emissione dalla shell K di ioni idrogenoidi ed elioidi di Al Un esempio di spettro Emissione dalla shell K di ioni idrogenoidi ed elioidi di Al La diffrazione “alla Bragg” viene impiegata sia per la spettroscopia che per la raccolta/monocromatizzazione della radiazione

RIGHE DI EMISSIONE “ACCESSIBILI” Hydrogen-like Helium-like Element 2p1/2 2p3/2 2p 3P1 2p 1P1 (eV) 13 Al 1727.7 1729.0 1588.3 1598.4 14 Si 2004.3 2006.1 1853.9 1865.1 15 P 2301.7 2304.0 2140.3 2152.6 16 S 2619.7 2622.7 2447.3 2460.8 17 Cl 2958.5 2962.4 2775.1 2789.8 18 Ar 3318 3323 3124 3140 19 K 3699 3705 3493 3511 20 Ca 4100 4108 3883 3903 21 Sc 4523 4532 4295 4316 22 Ti 4966 4977 4727 4750 23 V 5431 5444 5180 5205 24 Cr 5917 5932 5655 5682 25 Mn 6424 6442 6151 6181 26 Fe 6952 6973 6668 6701 27 Co 7502 7526 7206 7242 28 Ni 8073 8102 7766 7806 29 Cu 8666 8699 8347 8392 30 Zn 9281 9318 8950 8999 31 Ga 9917 9960 9575 9628 Up to Z=22-23, He-a K-shell emission lines can be obtained using small 10 Hz Nd lasers. At higher Z, emission originate from L and M shells

“TUNABILITÀ” della sorgente PLX Chlorine Copper Silicon Copper Calcium Titanium Alluminium Moliben. Copper

Imaging monocromatico con cristalli curvi

XCIM - 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:  *)Pikuz et al., Laser and Particle Beams,19:285, 2001 Sanchez del Rio et al., Review of Scientific Instr., 72:3291, 2001

IMMAGINE TEST Image resolution: O I1 FH I2 S FV Image of a Frenel Zone plate with a monochromatic beam at 1.6 keV (Al He-a line) 100 µm He  Target: Al, Intensity on target: 2E13W/cm2 FH FV S O Object « imaging » plane Rowland circle I2 I1 Image resolution:

ASSORBIMENTO DIFFERENZIALE An example: bromium and carbon Br C 1 2 Difference in optical depth: Vedi poster Stephane Laville et al., “Differential absorption imaging …” Detection Limit: =1.310-7g/cm2  = (1506  10)cm2/g I/I = 10-4

Sviluppo di una sorgente X ad impulsi ultracorti all’ILIL

CONFRONTO TRA SORGENTI X Peak spectral brilliance in photons/(100 fs mrad2mm2)/(0.1% bandwidth) as a function of photon energy. Solid lines: synchrotron radiation insertion device (ESRFW70); triangles: x-ray-free electron laser; diamonds: synchrotron radiation from sliced electron bunches; squares: laser plasma K-line radiation; crossed square: laser plasma thermal radiation; circle: Thomson scattering.

MOTIVAZIONE: APPLICAZIONI MULTI-DISCIPLINARI INNOVATIVE Collimazione, monocromatizzazione e/o focalizzazione della radiazione X. Microscopia X con ottiche X (cristalli curvi/lenti a policapillari/z-plates). Esperimenti tipo pump (ottico/X) and probe (ottico/X) RIVELAZIONE IN MODALITÀ PUMP and PROBE Sorgente di radiazione X impulsata fs - alta frequenza; Monocromaticità; Energia > 1keV; Rivelatore + Linea di ritardo ottico; RIVELAZIONE IN MODALITÀ SINGLE-PULSE Sorgente di radiazione X impulsata ns; Monocromaticità e profilo temporale smooth; Energia photoni > 1keV; Rivelatore 1D con risoluzione temporale (lambda vs. time);

EMISSIONE DI K-a DA INTERAZIONE LASER-SOLIDO Ch. Reich et al., Phys. Rev. Lett., 84, 4846 (2000) L’interazione di impulsi laser CPA (Compressed Pulse Amplification) con un solido genera elettroni veloci (fast electrons) che penetrano nel bersaglio e generano radiazione X incoerente del tipo Ka. T. Feurer et al., Appl. Phys. B., 72, 15 (2001)

Questione aperta: efficienza di conversione L’efficienza di conversione stimata teoricamente risulta essere molto maggiore di quella misurata sperimentalmente D. Salzmann et al., Phys. Rev. E, 65, 036402 (2003) Il confronto dei risultati sperimentali con le previsioni di un modello numerico => PIC+trasporto elettroni veloci+generazione K-alpha

MINISTERO DELL’ISTRUZIONE, DELL’ UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA IL PROGETTO “FIXer” MINISTERO DELL’ISTRUZIONE, DELL’ UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA Fondo Integrativo Speciale per lo Sviluppo della Ricerca di Interesse Strategico IMPIANTI INNOVATIVI MULTISCOPO PER LA PRODUZIONE DI RADIAZIONE X E ULTRAVIOLETTA, COERENTE ED INCOERENTE AD ALTA INTENSITÀ PER APPLICAZIONI AVANZATE NEL CAMPO DELLE STRUTTURE BIOLOGICHE, MOLECOLARI E DEI MATERIAL APPARATI COMPATTI (table-top) PER PRODUZIONE DI RADIAZIONE X AD IMPULSI CORTI ED ULTRACORTI PER APPLICAZIONI INTER E MULTIDISCIPLINARI

OBIETTIVI DEL PROGETTO Ob. 1 SVILUPPO E REALIZZAZIONE DI SORGENTI X DA LASER-PLASMI - 1a.Progettazione del sistema laser ai femtosecondi. (PI) 1b.Amplificazione e ricompressione dell'impulso con il metodo CPA. (PI) 1c.Generazione di radiazione X con impulsi laser CPA. (PI-MI) 1d.Messa in opera della sorgente X ai fs e definizione condizioni operative. (PI) 1e.Messa a punto della sorgente X ai picosecondi. (MI) Ob. 2 - REALIZZAZIONE DI APPLICAZIONI MULTI-DISCIPLINARI INNOVATIVE. 2a. Collimazione e focalizzazione della radiazione X. (PI-Mi-RO) 2b. Micro-imaging single-shot con plasmi laser. (MI-PI-RO) 2c. Microscopia X con plasmi-laser. (MI-PI-RO)

Schema di principio del sistema laser Ti-Sa OSCILLATOR TSUNAMI 10 Hz Nd-YAG LAB-150-10 CW Nd-YVO MILLENNIA PULSE STRETCHER REGENERATIVE AMPLIFIER MULTIPASS COMPRESSOR 90 fs, 10 mJ, 750-840nm, 10 Hz Attualmente in fase di realizzazione

Motivazioni per una sorgente di raggi X duri, monocromatica e tunabile MEDICAL DIAGNOSIS Non-invasive coronary angioghraphy Coronaric Angiography nowadays is a high risk (0.23% mortality, 2.2% patient damage) invasive diagnostics. Intravenous Coronary Arteriography, using monochromatic X-rays and intravenous contrast agent can dramatically reduce risk. The technique was clinically tested using Synchrotron Radiation and monochromators at KEK-AR and Tsukuba University, obtaining clear dynamic images (33 shots/s) of the coronary artery, with 1011 photons/s at 37 keV X-rays (33.169 keV: Iodine K-edge) High-contrast mammography with monochromatic X-rays By using monochromatic radiation instead of standard wide-spectrum X-ray tubes, the constrast (sensitivity to tissue density variations) goes from 8% to 0.1%, while the spatial resolution goes from 0,15 -0,3 mm to 0.01-0.015 mm. This means the capability to detect a tumor that is 30 times smaller in volume, i.e. a 2 year earlier detection of the tumor.

Lo Scattering Thomson (ST) We can distinguish between two regimes: Linear regine: The normalized amplitude a0 of the electric field is much less than unity. The oscillation of the electrons is harmonic (each electron absorbes only one photon) and the emitted radiation is almost monochromatic. Nonlinear regime: The electric field approaches or exceeds unity. The motion of the electrons is anharmonic, the quiver velocity approaches the light speed and a very large number of harmonics can be generated.

Produzione di impulsi ultracorti e (quasi) monocromatici di raggi X The energy of the scattered photons can be increased in two ways: By increasing the energy of the electrons By switching in the non linear regime and selecting the highest order An ultrashort (few tens of fs) and monochromatic X-ray factory works in a linear or weakly nonlinear regime (a0<1) by using head-on collision between the laser pulse and a monochromatic and collimated ultrarelativistic electron bunch.

Verso una sorgente X monocromatica e tunabile: lo scattering Thomson e il progetto PLASMON-X

La proposta congiunta INFN-CNR PLASMON-X* D. Giulietti, Univ. di Pisa e INFN-Pisa ILIL team @ CNR/IPCF - Pisa A. Barbini, C.A. Cecchetti, W. Baldeschi, M. Galimberti, A. Giulietti, L. A.Gizzi, P. Koester, L. Labate, S. Laville, A. Rossi, P. Tomassini SPARC- Project Team @ INFN-LNF D. Alesini, S. Bertolucci, M.E. Biagini, C. Biscari, R. Boni, M. Boscolo, M. Castellano, A. Clozza, G. Di Pirro, A. Drago, A. Esposito, M. Ferrario, V. Fusco, A. Gallo, A. Ghigo, S. Guiducci, M. Incurvati, C. Ligi, F. Marcellini, M. Migliorati, C. Milardi, A. Mostacci, L. Palumbo, L. Pellegrino, M. Preger, P. Raimondi, R. Ricci, C. Sanelli, M. Serio, F. Sgamma, B.Spataro, A. Stecchi, A. Stella, F. Tazzioli, C. Vaccarezza, M. Vescovi, C. Vicario, M. Zobov SPARC Project Team @ INFN-Milano e Univ. degli Studi di Milano F. Alessandria, A. Bacci, I. Boscolo, F. Broggi, S.Cialdi, C. DeMartinis, D. Giove, C. Maroli, V. Petrillo, M. Romè, L. Serafini R. Bonifacio, N. Piovella, R. Pozzoli, Univ. degli Studi di Milano e INFN-Milano *Approvato (e finanziato) dall’INFN per la realizzazione dello studio di fattibilià

PLasma Accelerator @ Sparc and MONo-chromatic X-rays : gli obiettivi Combinare il fascio di elettroni ad altissima brillanza di SPARC con un fascio di impulsi laser ad altissima intensità A) iniziare un programma di R&D in direzione di un e+/e- TeV collider basato su accelerazione a plasma, con gradienti di accelerazione > 5 GV/m (lunghezza < 100 m) B) perseguire applicazioni di grande impatto sociale (mam- mografia digitale, angiografia coronarica non-invasiva) con raggi X monocromatici e tunabili

Il progetto SPARC (Fase 1) Ultra-brilliant photoinjector at 150 MeV , I=100 A, (INFN) Control the beam emittance <1 mm mrad Control the energy spread < 0.1% Undulator for SASE FEL at 520 > 150 nm (green - UV), (ENEA) Make experience with the SASE FEL generation. Investigate the mechanism of High Order Harmonics generation Optics for X-rays manipulation (CNR) Generation of coherent low intensity ultra-short X-ray pulses (INFM) Performed @ INFN-LNF

Le caratteristiche della Facility SPARC + Plasmon-X Un fascio di e- ad altissima brillanza (corrente di picco > 1 kA, emittanza < 1 mm, durata del bunch da 3 ps fino a 25 fs Un fascio di fotoni (laser a Ti:Sa) ad altissima potenza e intensità ( P > 10 TW, energia per impulso > 1 J, lunghezza dell’impulso laser < 100 fs, intensità relativistica 1020 W/cm2) Un sistema di diagnostica e controllo avanzato (sincronizzazione dei due fasci < 100 fs, overlap spaziale nel punto di interazione < 5 mm)

Obiettivi di PLASMON-X Accelerazione a plasma di e- bunch (25 pC) da 100 MeV a 130 MeV con spread energetico < 5%, emitt. < 1 mm, con laser non guidato (5 mm acc. length). Accelerazione con laser guidato (5 cm) fino a 400 MeV. R&D su multi-staging e beam quality Produzioni di impulsi X monocromatici da 109 fotoni/s, durata 3 ps, tunabili nel range 20 keV - 1 MeV. Raggiungimento di 1011 fotoni/s con spot focali all’interazione di 5 mm. Studi di tecniche di mammografia (e angiografia coronarica) con X monocromatici. Studi di single molecule protein cristallography.

Produzione di impulsi di raggi X tramite Thomson Back-Scattering @ SPARC Bunch energy: from 40MeV to 250 MeV Bunch charge: 1nC (~ 1010 elettroni). Longitudinal bunch size sl = 0.3 mm rms (duration 1ps) Transverse bunch size (spot size) sT = 5 mm rms Normalized transverse emittance e = 2 mm mrad TS Configuration:Backscattering assuming complete overlapping e-ph Laser parameters: Ti:Sa:l =0.832 mm, ELaser = 1J, T = 1ps e Spot size: w = 10 mm, otteniamo i valori riportati in tabella N° photons within qM =1/g Within qM =0.3/g (spread 10% FWHM) X-ray pulse duration   Max photon energy Ebeam= 40 MeV Ebeam= 200 MeV 4.109 1.109 1 ps 38 keV 950 keV

Sviluppo del laser multi-TW Ti-Sa OSCILLATOR TSUNAMI PULSE STRETCHER REGENERATIVE AMPLIFIER MULTIPASS AMPLIFIER CW Nd-YVO MILLENNIA PULSE COMPRESSOR 10 Hz Nd-YAG LAB-150-10 90 fs, 10 mJ, 750-840nm, 10 Hz amplifier PLASMON-X Vacuum compressor amplifier 100fs,4J,800nm,10Hz

Accelerazione di elettroni

MECCANISMO DI BASE: QUASI-RESONANT LASER WAKE-FIELD (QUASI RESONANT CONDITION ct = lp/2 ) Simulazione 3D a “finestra mobile” di un impulso laser TiSa (30 fs, 3.4E19 W/cm2 che attraversa un plasma disomogeneo di densità massima 4.3E19 cm-3 Alto: densità elettronica Basso:laser intensity

Acceleratore a Plasma: la proposta PLASMON-X

PRODUZIONE DI ELETTRONI ENERGETICI Quasi-resonant LW has been shown in CPA laser (35 fs, 1020 W/cm2 ) interaction with ASE-driven exploding foil plasma High energy electron spectrum P. Tomassini et al., Appl. Optics. 40 , 6561-6568 (2001). P. Tomassini and A. Giulietti Optics Comm, (2001) D. Giulietti et al., Letter on Phys. Plasmas 95, 3655 (2002)

PROSPETTIVE: INIEZIONE CONTROLLATA Controlled injection of electrons in Langmuir waves: a compact way of producing monoenergetic electron bunches (from an original idea of S. Bulanov et al PRL 1998) e-beam Electronic density simulated with POLLUX code Heating pulse Main pulse Vedi poster Paolo Tomassini et al., “Production of high quality …” P. Tomassini, M. Galimberti, A.Giulietti, D. Giulietti, L.A.Gizzi, L.Labate, F. Pegoraro, Production oh high quality …PRST, 6, 121301 (2003). Double foil terget

CONCLUSIONI La sorgente di raggi X molli basata su laser-plasmi attualmente operativa all’ILIL consente di sviluppare metodi di microscopia X per assorbimento differenziale in campioni di piccole dimensioni; Lo sviluppo della sorgente X ad emissione di K-alpha da interazione laser-plasma ad impulsi ultracorti, nell’ambito del progetto MIUR denominato “FIXer”, consentirà di produrre impulsi X monocromatici di durata di circa 100 fs; Lo sviluppo di una sorgente X monocromatica per applicazioni nella diagnostica medica non invasiva, previsto nell’ambito del progetto PLASMON-X, si basa sulla realizzazione dello schema di scattering Thomson da fasci di elettroni ultrarelativistici; La realizzazione di una facility basata su un fascio laser ad alta intensità e su un fascio di elettroni ad altissima brillanza, come previsto nel progetto PLASMON-X, consentirà inoltre lo sviluppo di uno schema di acceleratore ad alto gradiente basato su iniezione esterna in plasmi-laser.

REMINDER Altre presentazioni collegate Vedi poster Antonio Giulietti et al., “Azione della pressione di radiazione …” Vedi poster Marco Galimberti et al., “Produzione e caratterizzazione di fasci di protoni …”