Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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)
http://ilil.ipcf.cnr.it
Walter Baldeschi (CNR)
Antonella Rossi (CNR)
Area della Ricerca, CNR, Pisa, Italy
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
2
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
ILIL Layout
10 GW Picosecond Nd:YAG
0.12 TW, 90 fs Ti:SA laser
PAV-one: basic
laser-plasma
MAX: X-ray
emission studies Interaction studies
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
FIXer area
PLX: the laser-plasma
X-ray source
10 Hz, 100MW
Nd:YAG
1 GW, 2-beam,
nanosecond Nd:YLF
3
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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)
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
4
Laser intensity on target (log)
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
RAGGI X DA LASER INTENSI
20
19
High-order harmonics from
Laser-solid interactions
18
Thomson scattering
17
K-alpha generation from
laser-solid interactions
16
High-order harmonics from
Laser-gas-jet interactions
15
Inner-shell line emission and
continuum emission from
Highly-ionised micro-plasmas
14
13
12
fs
ps
ns
Laser pulse duration (log)
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
5
X-ray Pulse duration (log)
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
IMPULSI DI RAGGI X DA LASER INTENSI:
DURATA VS. ENERGIA
ns
Inner-shell line emission and
continuum emission from
Highly-ionised micro-plasmas
ps
K-alpha
generation from
laser-solid
interactions
Thomson scattering
from ultrarelativistic
electrons
fs
eV
keV
MeV
X-ray photon energy (log)
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
6
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
La sorgente di raggi X molli
all’ILIL e sue applicazioni
all’imaging monocromatico
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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 nonstazionarietà
…” di
Questo semplice geometria di interazione, in opportune
condizioni, consente
studiare le proprietà atomiche del plasma in regime non-stazionario
oggi, ore 18.30
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
8
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
9
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
LA SORGENTE X AL MICROSCOPIO
15 µm laser spot on Cu target at 6E12 W/cm2
View: 45° from laser axis
≈25 µm FWHM source size
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
View:75° from laser axis
Optimum pin-hole diamater
d ph  2.44  q 1 M 
q = pin-hole-image distance
Space resolution
x plasma  d ph 11 M 
10
.
Emissione dalla shell K di ioni idrogenoidi ed elioidi di Al
CCD

5
Filter
Shield
0.7 mm Pb
4
3
x
2
Log(Intensity(A.U.))
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
Un esempio di spettro
1
Crystal
Lens
Laser
Target
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
La diffrazione “alla Bragg”
viene impiegata sia per la
spettroscopia che per la
raccolta/monocromatizzazione
della radiazione
11
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
RIGHE DI EMISSIONE “ACCESSIBILI”
Hydrogen-like
Element 2p1/2
2p3/2
13 Al
1727.7
1729.0
14 Si
2004.3
2006.1
15 P
2301.7
2304.0
16 S
2619.7
2622.7
17 Cl
2958.5
2962.4
18 Ar
3318
3323
19 K
3699
3705
20 Ca
4100
4108
21 Sc
4523
4532
22 Ti
4966
4977
23 V
5431
5444
24 Cr
5917
5932
25 Mn
6424
6442
26 Fe
6952
6973
27 Co
7502
7526
28 Ni
8073
8102
29 Cu
8666
8699
30 Zn
9281
9318
31 Ga
9917
9960
Helium-like
2p 3P1
2p 1P1 (eV)
1588.3
1598.4
Up to Z=22-23, He-a K-shell
1853.9
1865.1
emission lines can be obtained
2140.3
2152.6
using small 10 Hz Nd lasers.
2447.3
2460.8
2775.1
2789.8
At higher Z, emission originate
3124
3140
from L and M shells
3493
3511
3883
3903
4295
4316
4727
4750
5180
5205
5655
5682
6151
6181
6668
6701
7206
7242
7766
7806
8347
8392
8950
8999
9575
9628
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
12
Chlorine
Copper
Silicon
10
3.2
3.3
3.4
He 
IC
2
2
Li 1s 2p-1s 2p
Ly 
1
21
He 1s2p P-2p S
1
21
He 1s2s S-2s2p P
3
23
He 1s2s S-2s2s P
He 
5
Cl He
Cl He
20
sat Li 1s 2p-1s2p3p
2
10
40
6
He 
10
Copper
He 
He 
60
0
3.1
7
Date: 14/03/02
# shot: 20
Intensitˆ[A.U.]
80
10
Cl He
100
Ca He
Calcium
Intensity [A.U.]
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
“TUNABILITÀ” della sorgente PLX
3.5
3.6
3.7
3.8
4
5
3.9
5.5
 [ˆ
]
6
6.5
7
Wavelength [Å]
Titanium
Alluminium
Copper
Moliben.
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Wavelength (Å)
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
13
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
Imaging monocromatico con
cristalli curvi
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
14
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
XCIM - X-ray Crystal Imaging Microscope
*)
OC  R
OS  a
OI1  p
OI 2  q
“Image plane” at a distance q from the crystal
given by the condition of
equal vertican and horizontal magnification :
 rh (q  bh )
rv (bv  q)
 Mh  Mv  i
ih (a  p)
 v (a  p)
Focusing condition:
 rh bh  ih a
 bv   a
r
v
i
v
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
Source on Rowland circle:
q

R
sin  o
M  cot 2  o
1
1 p/ a
*)Pikuz et al., Laser and Particle Beams,19:285, 2001
Sanchez del Rio et al., Review of Scientific Instr., 72:3291, 2001
15
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
IMMAGINE TEST
Image of a Frenel Zone plate with a monochromatic beam at 1.6 keV (Al He- line)
Target: Al, Intensity on target: 2E13W/cm2

I1
 iH
100 µm
O 
 rH
Vi
Rowland
circle
FH
Object
He 
« imaging »
I2
plane
Vr
S
FV
Image resolution:
xh 16.8  2.3m; xv  52.3 9.1m
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
16
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
ASSORBIMENTO DIFFERENZIALE
An example: bromium and carbon
Br
C
1
2
Difference in optical depth:
 I (x, y) 
 I (x,y) 
1
2


t(x, y)  ln 

  ln 

    i  i x, y,z dz
poster
Stephane
I01 (x, y)
 I02 (x,y)  Vedi
i
campione
( )
   
ln

  2
2  I 2

I 
  


 I  
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
Laville et al., “Differential
absorption imaging …”
I/I = 10-4
 = (1506  10)cm2/g
Detection Limit: =1.310-7g/cm2
17
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
Sviluppo di una sorgente X ad
impulsi ultracorti all’ILIL
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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 Kline radiation; crossed square: laser
plasma thermal radiation; circle:
Thomson scattering.
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
19
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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 SINGLEPULSE
•Sorgente di radiazione X impulsata ns;
•Monocromaticità e profilo temporale
smooth;
•Energia photoni > 1keV;
•Rivelatore 1D con risoluzione temporale
(lambda vs. time);
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
20
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
EMISSIONE DI K- DA INTERAZIONE LASER-SOLIDO
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.
Ch. Reich et al., Phys. Rev. Lett., 84, 4846 (2000)
T. Feurer et al., Appl. Phys. B., 72, 15 (2001)
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
21
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
22
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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
Unitˆ
d i Ricerca
ILIL-IPCF ΠCNR (PI)
ISC Π CNR (RO)
UNIMI-Bicocca e INFM (MI)
Titolo Attivitˆ
Realizzaz ione di una sorgente X ultraveloce
Sviluppo e test di ottiche a policapillari per raggi X
Sorgente di raggi X da Laser plasmi per lo studio di strutture biologiche
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
23
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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)
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
24
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
Schema di principio del
sistema laser
Attualmente in
fase di realizzazione
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
25
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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 widespectrum 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.
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
26
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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.
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
27
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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.
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
28
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
Verso una sorgente X
monocromatica e tunabile:
lo scattering Thomson e il
progetto PLASMON-X
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
30
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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+/eTeV 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
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
31
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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
Performed @
INFN-LNF
Optics for X-rays manipulation (CNR)
Generation of coherent low intensity ultra-short X-ray
pulses (INFM)
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
32
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
Le caratteristiche della Facility SPARC + Plasmon-X
100 fs synchr.
Ti:Sa multi-TW
Laser System
20 mJ, 10 ps flat top
2 nC, 10 ps*
1 J, 10 ps gaus
Compr. 1 J, 100 fs gaus
20 pC, 20 fs
$
*n=2 m, =50 m
1 nC, 10 ps, n=1 m
$ =0.2 m,
n
=10 m
•
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)
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
33
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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.
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
34
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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 l = 0.3 mm rms (duration 1ps)
Transverse bunch size (spot size) T = 5 m rms
Normalized transverse emittance   2 mm mrad
TS Configuration:Backscattering assuming complete overlapping e-ph
Laser parameters: Ti:Sa: =0.832 m, ELaser = 1J, T = 1ps e
Spot size: w = 10 m, otteniamo i valori riportati in tabella
N° photons
within
M =1/
N° photons
Within
M =0.3/
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
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
35
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
Sviluppo del laser multi-TW
amplifier
amplifier
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
Vacuum
compressor
PLASMON-X
100fs,4J,800nm,10Hz
36
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
Accelerazione di elettroni
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
MECCANISMO DI BASE: QUASI-RESONANT
LASER WAKE-FIELD
(QUASI RESONANT CONDITION ct= p/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
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
38
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
Acceleratore a Plasma: la proposta
PLASMON-X
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
39
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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)
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
D. Giulietti et al., Letter on Phys. Plasmas 95, 3655 (2002)
40
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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)
Electronic density simulated with POLLUX code
Main pulse
Heating pulse
Vedi poster Paolo
Tomassini et al.,
“Production of high quality
…”
e-beam
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
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
41
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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.
INTENSE LASER IRRADIATION LABORATORY
Istituto per i Processi Chimico-Fisici - CNR
42
Leonida Antonio GIZZI, IV CONGRESSO ITALIANO DI FISICA DEL PLASMA, 12-14 gennaio 2003, Arcetri.
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
43