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Superstrong2010: Special issue of Nuclear Instruments and Methods A (vol. 653)
No full textThe special issue ‘‘Superstrong2010’ ’of Nuclear Instruments
and Methods A constitutes the proceedings of the Fourth International
Conference on Superstrong Fields in Plasmas, which took
place in Varenna, Italy,from October 3 to October 9, 2010
Advanced time-of-flight diagnostics for real-time characterization of ions accelerated by high energy lasers
No full textTime-Of-Flight (TOF) methods are very effective to detect ions accelerated in laser plasma
interactions, but they show significant limitations when used in experiments
with high energy and intensity lasers, where both high-energy ions and remarkable
levels of Electro Magnetic Pulses (EMPs) in the radiofrequency-microwave range are
generated.
In this joined-doctoral thesis, performed at the La Sapienza University in Rome,
at the institut national de la recherche scientifique (INRS) in Montréal and at ENEA
Centro Ricerche Frascati, an advanced diagnostic technique for the characterization
of protons accelerated by intense laser-matter interactions with high-energy and
high-intensity lasers has been implemented.
The proposed method exploits and improves the advantages given by TOF technique
coupled to Chemical Vapor Deposition diamond detectors and features high sensitivity,
high energy resolution and high radiation hardness. Thanks to the optimization
of the acquisition system and to the careful setup of the TOF line, high signal-to-noise
ratios in environments heavily affected by remarkable EMP fields have been achieved.
In the first part of the work a brief overview of laser-matter interaction is given,
with particular emphasis to processes leading to particle acceleration. Then, the
main diagnostic techniques available for the characterization of secondary sources
produced by laser-matter interaction are presented. Here the TOF technique is
introduced and analyzed when coupled with different kinds of detectors, including
diamonds. The choice of the latter is justified by their physical properties. Various
types of diamond structures and electrode layouts have been tested and their performances
characterized for application as detectors to be employed in TOF lines.
The second part of the work is dedicated to a detailed description of the proposed
advanced technique and to examples of its effectiveness in reducing the EMP noise
and in enhancing the dynamic range, when employed in real experimental scenarios.
A novel procedure to retrieve a calibrated proton spectrum from the performed
measurements is here also proposed and discussed. Eventually, the developed technique
is applied for detecting laser-plasma accelerated particles produced in different
application scenarios and in the most variable laser-matter interaction conditions
and the concept of a new multi-layer detector is also described.Les méthodes de temps de vol (TOF) sont très efficaces pour détecter les ions
accélérés dans les interactions laser-plasma, mais elles présentent des limites importantes
lorsqu’elles sont utilisées dans des expériences avec des lasers à haute
énergie et à haute intensité, où sont générés à la fois des ions à haute énergie et
des niveaux remarquables d’impulsions électromagnétiques (EMP) dans la gamme
radiofréquence-micro-ondes.
Dans cette thèse de doctorat en cotutelle, réalisée à l’Université La Sapienza
de Rome, à l’institut national de la recherche scientifique (INRS) de Montréal et
à l’ENEA Centro Ricerche Frascati, une technique de diagnostic avancée pour la
caractérisation des protons accélérés par des interactions laser-matière intenses avec
des lasers de haute énergie et de haute intensité a été mise en oeuvre.
La méthode proposée exploite et améliore les avantages donnés par la technique
TOF couplée à des détecteurs diamantés à dépôt chimique en phase vapeur et se
caractérise par une grande sensibilité, une résolution énergétique élevée et une grande
dureté de rayonnement. Grâce à l’optimisation du système d’acquisition et à la mise
en place minutieuse de la ligne TOF, des rapports signal/bruit élevés ont été obtenus
dans des environnements fortement affectés par des champs EMP remarquables.
Dans la première partie du travail, un bref aperçu de l’interaction laser-matière
est donné, avec un accent particulier sur les processus conduisant à l’accélération
des particules. Ensuite, les principales techniques de diagnostic disponibles pour la
caractérisation des sources secondaires produites par l’interaction laser-matière sont
présentées. Ici, la technique TOF est introduite et analysée lorsqu’elle est couplée
à différents types de détecteurs, y compris les diamants. Le choix de ces derniers
est justifié par leurs propriétés physiques. Différents types de structures de diamant
et d’agencements d’électrodes ont été testés et leurs performances ont été caractérisées
en vue d’une application en tant que détecteurs à utiliser dans les lignes TOF.
La deuxième partie du travail est consacrée à une description détaillée de la
technique avancée proposée et à des exemples de son efficacité pour réduire le bruit
EMP et améliorer la gamme dynamique, lorsqu’elle est utilisée dans des scénarios
expérimentaux réels. Une nouvelle procédure permettant de récupérer un spectre de
protons calibré à partir des mesures effectuées est également proposée et discutée ici.
Enfin, la technique développée est appliquée pour détecter les particules accélérées par
laser-plasma produites dans différents scénarios d’application et dans les conditions
d’interaction laser-matière les plus variables, et le concept d’un nouveau détecteur
multicouche est également décrit
Study of multicellular living organisms by SXCM (Soft X-ray contact microscopy)
No full textSoft X-ray Contact Microscopy (SXCM) of Caenorhabditis elegans nematodes with typical length 800 mu m and diameter 30 mu m has been performed using the PALS laser source of wavelength lambda = 1.314 mu m and pulse duration tau (FWHM) = 400 ps. Pulsed soft X-rays were generated using molybdenum and gold targets with laser intensities I >= 10(14) W/cm(2). Images have been recorded on PMMA photo resists and analyzed using an atomic force microscope operating in contact mode. Cuticle features and several internal organs have been identified in the SXCM images including lateral field, cuticle annuli, pharynx, and hypodermal and neuronal cell nuclei
Developments in Target Normal Sheath Acceleration theoretical modeling: Ion cut-off energy dependence on target thickness and transverse size
No full text
Preface to the special issue "Superstrong 2010" of Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A.
No full textThis is the preface of the special issue of Nuclear Instruments and Methods A, vol. 653, for which I am Guest Editor
Advances in target normal sheath acceleration theory
No full textA theoretical model of the Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) process, able to go beyond the limits of available descriptions, is developed. It allows to achieve a more satisfactory interpretation of TNSA. The theory, also supported by two dimensional particle-in-cell simulations, elucidates the role played by the main laser and target parameters. Comparison between model predictions and experimental data related to the target thickness dependence of the maximum ion energy is discussed, showing satisfactory agreement. The model can be used as a simple but effective tool to guide the design of future experiments
Extensive comparison among Target Normal Sheath Accelerationtheoretical models
No full textDuring the last 10 years of research it has been experimentally demonstrated that ions can be accelerated up to energies of tens of MeV as a consequence of the ultra-intense laser pulse interaction with a solid target. This process has been shown to take place via the so-called Target Normal Sheath Acceleration (TNSA) mechanism. A fundamental challenge in the investigation of this phenomenon is to understand the dependencies of the ion beam features on the laser and target properties. In order to achieve this goal, several TNSA theoretical models have been proposed. In the present work a collection of maximum ion energies experimentally measured has been compared to the values predicted by six different theoretical descriptions. The models we chose to compare are based either on a fluid approach, on a quasi-static approach, or on a combination of the before-mentioned. On the basis of such a quantitative comparison we aim to provide a reliable test of these theoretical descriptions, in which their strengths, weaknesses, open problems and capability in predicting the ion energy are underlined
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