INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR Leonida Antonio...

INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNRIstituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR

Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

SVILUPPO DI SORGENTI X E SVILUPPO DI SORGENTI X E ACCELERAZIONE DI ELETTRONI CON ACCELERAZIONE DI ELETTRONI CON

PLASMI-LASER: PLASMI-LASER: i progetti in corso pressoi progetti in corso presso

l’l’IIntense ntense LLaser aser IIrradiation rradiation LLaboratoryaboratory

Leonida A. Gizzi

CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHEIstituto per i Processi Chimico-Fisici

Pisa

IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA 12-14 gennaio 2003, Arcetri

2


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

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)

Il gruppo ILILIl gruppo ILIL

Area della Ricerca, CNR, Pisa, Italy

http://ilil.ipcf.cnr.it

3


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri. ILIL LayoutILIL Layout

1 GW, 2-beam, nanosecond Nd:YLFMAX: X-ray

emission studies

10 GW Picosecond Nd:YAG

PAV-one: basic laser-plasmaInteraction studies

PLX: the laser-plasma X-ray source

10 Hz, 100MW Nd:YAG

FIXer area0.12 TW, 90 fs Ti:SA laser

4


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri. Sommario

1. Sorgenti X da plasmi laser e loro applicazioni nell’ambito della rete Europea XPOSE

2. Sorgenti X ad impulsi ultracorti: il progetto MIUR “FIXer”

3. Laser intensi e fasci di elettroni: sorgenti tunabili di raggi X duri e accelerazione di elettroni (PLASMON-X)

5


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri. RAGGI X DA LASER INTENSIRAGGI X DA LASER INTENSI

Laser pulse duration (log)

Las

er in

ten

sity

on

tar

get

(lo

g)

fs ps ns

12

13

14

15

16

17

18

19

20

High-order harmonics fromHigh-order harmonics fromLaser-gas-jet interactionsLaser-gas-jet interactions

K-alpha generation from K-alpha generation from laser-solid interactionslaser-solid interactions

Inner-shell line emission andInner-shell line emission andcontinuum emission fromcontinuum emission from

Highly-ionised micro-plasmasHighly-ionised micro-plasmas

High-order harmonics fromHigh-order harmonics fromLaser-solid interactionsLaser-solid interactions

Thomson scatteringThomson scattering

6


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

IMPULSI DI RAGGI X DA LASER INTENSI: IMPULSI DI RAGGI X DA LASER INTENSI: DURATA VS. ENERGIADURATA VS. ENERGIA

X-ray photon energy (log)

X-r

ay P

uls

e d

ura

tio

n (

log

)

eV keV MeV

fs

ps

ns

K-alpha K-alpha generation from generation from

laser-solid laser-solid interactionsinteractions

Inner-shell line emission andInner-shell line emission andcontinuum emission fromcontinuum emission from

Highly-ionised micro-plasmasHighly-ionised micro-plasmas

Thomson scatteringThomson scatteringfrom ultrarelativistic from ultrarelativistic

electronselectrons


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

La sorgente di raggi X molli all’ILIL e sue

applicazioni all’imaging monocromatico

8


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

Profili tipici di plasmi da interazione laser-Profili tipici di plasmi da interazione laser-solidosolido

L’emissione di radiazione X avviene in una sottile regione di plasma in prossimità della densità critica

Questo semplice geometria di interazione, in opportune condizioni, consente di studiare le proprietà atomiche del plasma in regime

non-stazionario

Vedi talk Luca Labate, “Effetti di non-stazionarietà …”oggi, ore 18.30

9


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri. La sorgente primariaLa sorgente primaria

• Nd:YAG LaserNd:YAG Laser

• 6 ns pulse duration6 ns pulse duration

•10 Hz rep rate10 Hz rep rate

•1064, 532 nm1064, 532 nm

• up to 500 mJ/pulseup to 500 mJ/pulse

• up to 5 10up to 5 101313 W/cm W/cm22 on targeton target

• PC contr. Sync with targetPC contr. Sync with target

10


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

LA SORGENTE X AL MICROSCOPIOLA SORGENTE X AL MICROSCOPIO

15 µm laser spot on Cu target at 6E12 W/cm15 µm laser spot on Cu target at 6E12 W/cm22

≈≈25 µm FWHM source size25 µm FWHM source size

View: 45° from laser axis View:75° from laser axis

dph = 2.44λ q 1+M( ) Δx plasma = dph 1+1 M( )Optimum pin-hole diamater Space resolution

q = pin-hole-image distance

11


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri. Un esempio di spettroUn esempio di spettro

Emissione dalla shell K di ioni idrogenoidi ed elioidi di AlEmissione dalla shell K di ioni idrogenoidi ed elioidi di Al

TargetLens

Crystal

Filter

CCD

Shield0.7 mm Pb

Laser

λ

x

He-α-Ly α-He β-He γ-Ly β

.

1

2

3

4

5

La diffrazione “alla Bragg” La diffrazione “alla Bragg” viene impiegata sia per la viene impiegata sia per la spettroscopia che per la spettroscopia che per la raccolta/monocromatizzaziraccolta/monocromatizzazione della radiazioneone della radiazione

12


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri. RIGHE DI EMISSIONE “ACCESSIBILI”RIGHE DI EMISSIONE “ACCESSIBILI”

Hydrogen-like Helium-likeElement 2p1/2 2p3/2 2p 3P1 2p 1P1 (eV)13 Al 1727.7 1729.0 1588.3 1598.414 Si 2004.3 2006.1 1853.9 1865.115 P 2301.7 2304.0 2140.3 2152.616 S 2619.7 2622.7 2447.3 2460.817 Cl 2958.5 2962.4 2775.1 2789.818 Ar 3318 3323 3124 314019 K 3699 3705 3493 351120 Ca 4100 4108 3883 390321 Sc 4523 4532 4295 431622 Ti 4966 4977 4727 475023 V 5431 5444 5180 520524 Cr 5917 5932 5655 568225 Mn 6424 6442 6151 618126 Fe 6952 6973 6668 670127 Co 7502 7526 7206 724228 Ni 8073 8102 7766 780629 Cu 8666 8699 8347 839230 Zn 9281 9318 8950 899931 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

13


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

Wavelength (Å)

0

50

100

150

3.6 3.8 4 4.2 4.4

Date: 14/03/02# shot: 13

Intensity [A.U.]

Wavelength [Å]

Heγ He

β 1Li s

22 p2

-1 2 3 P s p p

Heα

1Li s

22 p2

-1 2P s p

2 2S

1Li s

22 p2

-1 2P s p

2

ChlorineChlorine

0

20

40

60

80

100

3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9

Date: 14/03/02# shot: 20

Intensity [A.U.]

Wavelength [Å]

Cl Heβ

Ca He

α

Cl He

γ Cl He

δ

CalciumCalcium

““TUNABILITÀ” della sorgente TUNABILITÀ” della sorgente PLXPLX

104

105

106

107

5 5.5 6 6.5 7[Å]λ

SiliconSilicon

CopperCopper

0

50

100

150

200

2.61 2.62 2.63 2.64 2.65

Date: 06/06/02# shot: 3

1Li s22 p 2 -1 2P s p 2 2P

[ ]Wavelength Å

TitaniumTitanium Alluminium

CopperCopper

Moliben. CopperCopper

14


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

Imaging monocromatico con cristalli curvi

15


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

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

OC =R

OS=a

OI1 =p

OI2 =q

XCIM - X-ray Crystal Imaging XCIM - X-ray Crystal Imaging Microscope Microscope *)*)

Source on Rowland circle:

q=R

sinϑo

M =cot2 ϑo1

1−p/ a

“Image plane” at a distance q from the crystal given by the condition of equal vertican and horizontal magnification :Ωh

r(q−bh)Ωh

i (a−p)=Mh =Mv =

Ωvr (bv −q)

Ωvi (a−p)

Focusing condition: Ωhr bh =Ωh

i a

Ωvr bv =Ωv

i a

16


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

He α

Image resolution:

€

Δxh =16.8 ± 2.3μm; Δxv = 52.3± 9.1μm

IMMAGINE TESTIMMAGINE TESTImage of a Frenel Zone plate with a monochromatic beam at 1.6 keV (Al He-α line)

FH

FV

S

O

Object « imaging » plane

Rowland circle

HiΩ

ViΩ

VrΩ

HrΩ

I2

θθ

I1

100 µmTarget: Al, Intensity on target: 2E13W/cm2

17


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

Δt(x,y) =lnI1(x,y)I01(x,y)

⎛

⎝ ⎜ ⎜

⎞

⎠ ⎟ ⎟ −ln

I2(x,y)I02(x,y)

⎛

⎝ ⎜ ⎜

⎞

⎠ ⎟ ⎟ = Δμi ρi x,y,z( ) dz

campione∫

i∑

Difference in optical depth:

Detection Limit: Δ=1.310-7g/cm2

Δσ =Δ(Δμ)Δμ2 ln I

⎛

⎝ ⎜ ⎜

⎞

⎠ ⎟ ⎟

2

+ΔI

I Δμ

⎛

⎝ ⎜ ⎜

⎞

⎠ ⎟ ⎟

2

Δ = (1506 10)cm2/gΔI/I = 10-4

ASSORBIMENTO DIFFERENZIALEASSORBIMENTO DIFFERENZIALE

λ1

λ2

Br C

An example: bromium and carbon

Vedi poster Stephane Laville et al., “Differential absorption imaging …”


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

Sviluppo di una sorgente X ad impulsi ultracorti all’ILIL

19


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri. CONFRONTO TRA SORGENTI XCONFRONTO 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.

20


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

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);

RIVELAZIONE IN MODALITÀ PUMP and PROBE•Sorgente di radiazione X impulsata fs - alta frequenza;•Monocromaticità;•Energia > 1keV;•Rivelatore + Linea di ritardo ottico;

MOTIVAZIONE: 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)

21


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

EMISSIONE DI K-EMISSIONE DI K-αα DA INTERAZIONE LASER-SOLIDODA INTERAZIONE LASER-SOLIDO

Ch. Reich et al., Phys. Rev. Lett., 84, 4846 (2000)

T. Feurer et al., Appl. Phys. B., 72, 15 (2001)

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 K .

22


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

Questione aperta: efficienza di Questione aperta: efficienza di conversioneconversione

L’efficienza di conversione stimata teoricamente risulta essere molto maggiore di L’efficienza di conversione stimata teoricamente risulta essere molto maggiore di quella misurata sperimentalmentequella misurata sperimentalmente

D. Salzmann et al., Phys. Rev. E, 65, 036402 (2003)

Il confronto dei risultati sperimentali con le previsioni di un modello numerico => Il confronto dei risultati sperimentali con le previsioni di un modello numerico => PIC+trasporto elettroni veloci+generazione K-alphaPIC+trasporto elettroni veloci+generazione K-alpha

23


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

MINISTERO DELL’ISTRUZIONE, DELL’ UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA

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 (APPARATI COMPATTI (table-toptable-top) PER PRODUZIONE DI RADIAZIONE X ) PER PRODUZIONE DI RADIAZIONE X AD IMPULSI CORTI ED ULTRACORTI PER APPLICAZIONI INTER E AD IMPULSI CORTI ED ULTRACORTI PER APPLICAZIONI INTER E

MULTIDISCIPLINARI MULTIDISCIPLINARI

Fondo Integrativo Speciale per lo Sviluppo della Ricerca di Interesse Strategico

Unità di Ricerca Titolo AttivitàILIL-IPCF – CNR (PI) Realizzazione di una sorgente X ultraveloceISC – CNR (RO) Sviluppo e test di ottiche a policapillari per raggi XUNIMI-Bicocca e INFM (MI) Sorgente di raggi X da Laser plasmi per lo studio di strutture biologiche

IL PROGETTO “FIXer”IL PROGETTO “FIXer”

24


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri. OBIETTIVI DEL PROGETTOOBIETTIVI 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)

25


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri. Schema di principio del

sistema laser

Attualmente in fase di realizzazione

26


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

MEDICAL DIAGNOSISMEDICAL DIAGNOSISNon-invasive coronary angioghraphyNon-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-raysBy 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.

Motivazioni per una sorgente di raggi X duri, monocromatica e tunabile

27


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

Lo Scattering Thomson (ST)

We can distinguish between two regimes:•Linear regineLinear 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 regimeNonlinear 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.

28


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

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.


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

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

progetto PLASMON-X

30


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri. 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

31


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

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 (mammografia digitale, angiografia coronarica non-invasiva) con raggi X monocromatici e tunabili

32


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

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

Il progetto SPARC (Fase 1)Il progetto SPARC (Fase 1)

33


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

Le caratteristiche della Facility SPARC + Plasmon-X

• Un fascio di e- ad altissima brillanza (corrente di picco > 1 kA, emittanza < 1 m, 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 m)

100 fs synchr.Ti:Sa multi-TWLaser System1 J, 10 ps gaus

1 J, 100 fs gausCompr.20 mJ, 10 ps flat top20 pC, 20 fs$

2 nC, 10 ps*

*εn=2 , m =50 m$εn=0.2 , m =10 m1 , 10 , nC psεn=1 m

34


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

Obiettivi di PLASMON-X

• Accelerazione a plasma di e- bunch (25 pC) da 100 MeV a 130 MeV con spread energetico < 5%, emitt. < 1 m, 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 m.

• Studi di tecniche di mammografia (e angiografia coronarica) con X monocromatici. Studi di single molecule protein cristallography.

35


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

Bunch energy: from 40MeV to 250 MeV Bunch charge: 1nC (~ 1010 elettroni). Longitudinal bunch size l = 0.3 mm rms (duration 1ps)

Transverse bunch size (spot size) T = 5 m rms

Normalized transverse emittance ε 2 mm mrad TS Configuration:Backscattering assuming complete overlapping e-phLaser parameters: Ti:Sa:λ =0.832 m, ELaser = 1J, T = 1ps e Spot size: w = 10 m, otteniamo i valori riportati in tabella

N° photonswithin θM =1/γ

N° photonsWithin

θM =0.3/γ spread 10%

FWHM)

X-ray pulse

duration

Max photon energy

Ebeam= 40 MeV

Max photon energy

Ebeam= 200 MeV

4.109 1.109 1 ps 38 keV 950 keV

Produzione di impulsi di raggi X tramite Thomson Back-

Scattering @ SPARC

36


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

100fs,4J,800nm,10Hz

amplifier

amplifier

Vacuumcompressor

PLASMON-X

Sviluppo del laser multi-TWSviluppo del laser multi-TW


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

Accelerazione di elettroni

38


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

(QUASI RESONANT CONDITION c = λp/2 )

MECCANISMO DI BASE: QUASI-RESONANT

LASER WAKE-FIELD

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 elettronicaBasso:laser intensity

39


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

Acceleratore a Plasma: la proposta PLASMON-X

40


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

Quasi-resonant LW has been shown in CPA laser (35 fs, 1020 W/cm2 ) interaction with ASE-driven exploding foil plasma

PRODUZIONE DI ELETTRONI PRODUZIONE DI ELETTRONI ENERGETICIENERGETICI

High energy electron High energy electron spectrumspectrum

D. Giulietti et al., Letter on Phys. Plasmas 95, 3655 (2002)

P. Tomassini et al., Appl. Optics. 40 , 6561-6568 (2001). P. Tomassini and A. Giulietti Optics Comm, (2001)

41


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri.

e-beame-beam

Electronic density simulated with POLLUX code

Controlled injection of electrons in Langmuir waves: Controlled injection of electrons in Langmuir waves: a compact way of producing monoenergetic electron a compact way of producing monoenergetic electron

bunches bunches (from an original idea of S. Bulanov et al PRL 1998)

Double foil terget

Main pulse Heating pulse

PROSPETTIVE: INIEZIONE CONTROLLATA

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).

42


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri. 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.

43


Leo

nida

Ant

onio

GIZ

ZI,

IV

CO

NG

RE

SSO

IT

AL

IAN

O D

I F

ISIC

A D

EL

PL

ASM

A, 1

2-14

gen

naio

200

3, A

rcet

ri. 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 …”

INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR Leonida Antonio...

Documents

Transcript of INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR Leonida Antonio...