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Leonida A. Gizzi CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Pisa

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’ I ntense L aser I rradiation L aboratory. Leonida A. Gizzi CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE

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Leonida A. Gizzi CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Pisa

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  1. 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 pressol’Intense Laser Irradiation Laboratory Leonida A. Gizzi CONSIGLIO NAZIONALE DELLE RICERCHE Istituto per i Processi Chimico-Fisici Pisa

  2. http://ilil.ipcf.cnr.it Area della Ricerca, CNR, Pisa, Italy 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)

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

  4. 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)

  5. RAGGI X DA LASER INTENSI 20 19 18 17 16 15 Laser intensity on target (log) 14 13 12 fs ps ns Laser pulse duration (log) 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

  6. IMPULSI DI RAGGI X DA LASER INTENSI: DURATA VS. ENERGIA ns ps fs eV keV MeV 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)

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

  8. 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

  9. 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/cm2on target • PC contr. Sync with target

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

  11. 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

  12. 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 RIGHE DI EMISSIONE “ACCESSIBILI” Hydrogen-like Helium-like Element2p1/22p3/22p 3P12p 1P1 (eV) 13 Al1727.71729.01588.31598.4 14 Si2004.32006.11853.91865.1 15 P2301.72304.02140.32152.6 16 S2619.72622.72447.32460.8 17 Cl2958.52962.42775.12789.8 18 Ar3318332331243140 19 K3699370534933511 20 Ca4100410838833903 21 Sc4523453242954316 22 Ti4966497747274750 23 V5431544451805205 24 Cr5917593256555682 25 Mn6424644261516181 26 Fe6952697366686701 27 Co7502752672067242 28 Ni8073810277667806 29 Cu8666869983478392 30 Zn9281931889508999 31 Ga9917996095759628

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

  14. Imaging monocromatico con cristalli curvi

  15. XCIM - X-ray Crystal Imaging Microscope *) “Image plane” at a distance q from the crystal given by the condition of equal vertican and horizontal magnification : Source on Rowland circle: Focusing condition:  *)Pikuz et al., Laser and Particle Beams,19:285, 2001 Sanchez del Rio et al., Review of Scientific Instr., 72:3291, 2001

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

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

  18. Sviluppo di una sorgente X ad impulsi ultracorti all’ILIL

  19. 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.

  20. 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);

  21. EMISSIONE DI K-aDA INTERAZIONE LASER-SOLIDO T. Feurer et al., Appl. Phys. B., 72, 15 (2001) 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.

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

  23. MINISTERO DELL’ISTRUZIONE, DELL’ UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA IL PROGETTO “FIXer” 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

  24. OBIETTIVI DEL PROGETTO Ob. 1SVILUPPO 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. Ti-Sa OSCILLATOR TSUNAMI PULSE STRETCHER REGENERATIVE AMPLIFIER MULTIPASS AMPLIFIER PULSE COMPRESSOR CW Nd-YVO MILLENNIA 10 Hz Nd-YAG LAB-150-10 90 fs, 10 mJ, 750-840nm, 10 Hz Schema di principio del sistema laser Attualmente in fase di realizzazione

  26. 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.

  27. 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.

  28. 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.

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

  30. La proposta congiunta INFN-CNR PLASMON-X* • D. Giulietti, Univ. di Pisa eINFN-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 eINFN-Milano *Approvato (e finanziato) dall’INFN per la realizzazione dello studio di fattibilià

  31. PLasma Accelerator @ Sparc and MONo-chromatic X-rays : gli obiettivi • Combinare ilfascio di elettroni ad altissima brillanzadi SPARC con unfascio 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

  32. 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

  33. 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)

  34. 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.

  35. Produzione di impulsi di raggi X tramite Thomson Back-Scattering @ SPARC N° photons within qM =1/g N° photons Within qM =0.3/g (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 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 emittancee =2mm 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

  36. Sviluppo del laser multi-TW Ti-Sa OSCILLATOR TSUNAMI PULSE STRETCHER REGENERATIVE AMPLIFIER MULTIPASS AMPLIFIER PULSE COMPRESSOR CW Nd-YVO MILLENNIA 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

  37. Accelerazione di elettroni

  38. 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

  39. Acceleratore a Plasma: la proposta PLASMON-X

  40. PRODUZIONE DI ELETTRONI ENERGETICI High energy electron spectrum Quasi-resonant LW has been shown in CPA laser (35 fs, 1020 W/cm2 ) interaction with ASE-driven exploding foil plasma 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)

  41. PROSPETTIVE: INIEZIONE CONTROLLATA Electronic density simulated with POLLUX code e-beam 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) 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

  42. 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. 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 …”

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