Lo scopo di questo progetto di ricerca è lo studio dell' interazione di target composti da materiali porosi, detti Foam, con laser di alta potenza, caratterizzando il plasma che viene generato e valutando le possibili applicazioni di tale materiale in diversi ambiti. Le Foam presentano una struttura porosa con cavità separate da filamenti, o membrane, solide con dimensioni più piccole rispetto ai pori che le circondano. La loro struttura fortemente non omogenea induce un peculiare meccanismo di assorbimento, in particolare la radiazione laser penetra più in profondità rispetto al corrispondente materiale solido e ha luogo un processo di omogeneizzazione nel quale i filamenti solidi evaporano creando plasma che va a riempire le cavità circostanti. In tali condizioni, l'assorbimento non coinvolge solamente lo strato superficiale del materiale ma riguarda una parte considerevole del volume. questo fatto aumenta l'efficienza dell'assorbimento e di conseguenza la temperatura e l'emissione di radiazione da parte del plasma generato.
Queste loro proprietà ne hanno fatto un materiale interessante sia per la fusione inerziale, dove possono essere impiegati come ablatori per ridurre la formazione delle instabilità parametriche e aumentare l'efficienza della compressione, sia nell'accelerazione laser plasma, dove fornirebbero un migliore accoppiamento laser-bersaglio.
Il nostro progetto prevede la caratterizzazione di questo materiale in regimi di interazione diversi. I bersagli, di cui saranno variati parametri caratterizzanti come densità, spessore e composizione chimica, saranno irraggiati sia con un laser al nanosecondo (Laser ABC, ENEA), sia con laser al femtosecondo (Laser ALLS, INRS).
I principali aspetti che verranno studiati saranno il meccanismo di assorbimento, l'emissione di radiazione e il ruolo giocato dalle foam nell' incrementare l'energia delle particelle (elettroni, protoni e ioni) in diversi schemi di accelerazione laser-plasma.
Il principale aspetto innovativo di questa ricerca sta nel compiere uno studio congiunto di tali materiali porosi in due regimi di interazione diversi fra loro. Fino ad oggi infatti non è stato svolto uno studio unitario che confrontasse in maniera diretta il comportamento del materiale interagente con un laser al nanosecondo con quello di uno interagente al femtosecondo.
L'innovatività del progetto risiede dunque nel fatto di applicare le conoscenze acquisite nel campo dell' interazione con impulsi al nanosecondo ad una migliore comprensione dell'interazione con impulsi al femtosecondo.
In effetti una delle principali problematiche che si affrontano in questo regime è quello di dover tenere in considerazione il fatto che l'impulso ultra corto è preceduto da un preimpulso meno intenso ma comunque in grado di formare un plasma di fronte al bersaglio con cui si vuole interagire. Dunque l'impulso principale non andrà a irraggiare direttamente la superficie del bersaglio ma dovrà prima attraversare una regione di pre-plasma. Dato che il preimpulso può essere assimilato ad un impulso laser al nanosecondo, quello che intendiamo fare con questa ricerca consiste nello sviluppare un accurata caratterizzazione del plasma che si viene a formare a causa del pre-impulso laser, tramite la quale sarà possibile acquisire maggiori conoscenze anche delle fasi successive che hanno luogo nell'interazione con un impulso ultracorto.
I risultati ottenuti verranno confrontati con quanto si osserverà nelle sperimentazioni condotte con laser ad impulsi ultracorti, ottenendo in questo modo una diretta comparazione del comportamento dello stesso tipo di bersaglio in due regimi molto diversi fra loro. Questo studio permetterà di capire quali processi fisici vengono innescati e tarare di conseguenza i parametri delle Foam utilizzate per ottimizzare l'accoppiamento laser-plasma e incrementare l'efficienza del processo di accelerazione delle particelle.
Un altro aspetto che vogliamo sviluppare con questa ricerca riguarda la possibilità di utilizzare questo tipo di nano strutture per ottenere un emettitore di raggi x da interazione laser-plasma. Come detto, è stata infatti mostrata la capacità delle Foam plastiche di aumentare l'emissione di radiazione nella regione spettrale dei raggi x molli. A questo scopo sono già stati condotti alcuni studi su Foam drogate con materiali da alto Z, ma a causa della complessità di riprodurre questo tipo di struttura interna con materiali metallici, minori e più recenti sono gli studi condotti su Foam ad alto Z [1] Quello che ci proponiamo di fare è sfruttare queste nuove capacità di produrre Foam metalliche [2] per caratterizzare la radiazione emessa e confrontarla con quella ottenuta nelle stesse condizioni dal corrispondente materiale solido.
[1] Y. Dong et al Nuclear Fusion 58,016038 (2018)
[2]B. Jiang et al Scientific Reports 5, 13825 (2015)