LILIA Laser Induced Light Ions Acceleration LILIA un

LILIA (Laser Induced Light Ions Acceleration) LILIA è un esperimento che si propone l’accelerazione di protoni/ioni leggeri mediante interazione laser con bersagli sottili con lo scopo di ottenere e caratterizzare un fascio da acceleratore Sezioni partecipanti : Milano, Milano-Bicocca, Bologna, LNS, Lecce LNF 15 marzo 2011 1

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• The LILIA experiment 2011/2013 • The main goal of this experiment is the parametric study of the correlation of the maximum TNSA accelerated proton energy, with respect to the following parameters: • • Laser pulse intensity (in the range 1018 – 5 x 1019 W/cm 2) Laser pulse energy (in the range 0. 1 -5 J) Laser pulse length (in the range 25 fs- 1 ps) Metallic target thickness (in the range 1 -100 microns). • In such a frame we would like to deeply investigate the experimental scale rules within the possibilities offered by the FLAME facility. The experimental activities, moreover, will provide the opportunity to gain experience in the development of diagnostic techniques and in target optimization. • • After the first year of experimental experience our activities will be focused on the possibility to produce a real proton beam able to be driven for significant distances (50 -75 cm) away from the interaction point and which will act as a source for further accelerating structures. LNF 15 marzo 2011 3

Come si sta procedendo… 1. modellizzazione dell’interazione lasertarghetta sulla base dei parametri attesi da FLAME in questa fase. Simulazioni START to END…… 2. portatarghetta per targhette multiple. 3. supporti e movimentazioni dei rivelatori passivi 4. spettrometro magnetico e rivelatori di piano focale LNF 15 marzo 2011 4

Valutazione del d. N/d. E • Bisogna partire da due considerazioni : • Le simulazioni 3 D non si possono fare per le tg solide. • Per valutare la carica totale dobbiamo affidarci ai dati sperimentali basandosi sul fatto che l’energia totale dei protoni accelerati è dell’ordine del 10% dell’energia del laser - Possiamo simulare l’energia max (scaling in 2 D) e la distribuzione angolare (unita’ arbitrarie) LNF 15 marzo 2011 5

TNSA Parametro adimensionale (intensità normalizzata dei campi laser) a 0 = e. A mc 2 = 8. 5 10 -10 I 1/2(W/cm 2) l(mm) Per impulsi lunghi (300 fs-1 ps) la legge di scala dell’energia massima dei protoni ottenuta sperimentalmente è Emax (Me. V) ~ a 0 Esperimenti recenti (Dresda) con impulsi molto corti 30 fs FLAME-like trovano una legge di scala che va con a 02 ossia Emax proporzionale Ilaser. Lo spettro di energia rimane esponenziale LNF 15 marzo 2011 6

Valutazione carica Spettro esponenziale Considerando la distribuzione d. N/d. E = N 0/E 0 e –E/E 0 Ntot= ∫ d. N/d. E = N 0 La media è Etot= ∫ E d. N/d. E = N 0 E 0 <E>= Etot / Ntot= E 0 Il numero di protoni in un piccolo intervallo N [E, E+DE] = N 0 DE [E, E+DE] è e -E/E 0 12 protoni Dove N 0 si conferma attorno. LNF 10 15 marzo 2011 7

Dati recenti (Dresda) quadrati rossi scaling lineare in I. Con impulsi lunghi lo scaling è come la I 1/2 I LNF 15 marzo 2011 New Journal of Physics 12 (2010) 045015 (16 pp) 8

Accelerazione laser di protoni Spettro di protoni ottenuti con il laser Ti: Sa di Dresda da 100 TW (simile a FLAME) fortemente focalizzato I=1021 W/cm 2 a 0 =22 Il fit dà d. N/(d. E d. W)= 3 1011 e – E/E 0 E 0=1. 7 Me. V LNF 15 marzo 2011 9

FLAME a Frascati cosa ci aspettiamo nella prima fase FLAME: Ti: Sa 300 TW, 25 fs, 5 -6 J. Draco (Dresda): Ti: Sa 150 TW 30 fs, 3 J 1 a parabola FLAME: waist ~15 mm (Dresda 2, 5 mm) -> I = 5 1019 W/cm 2, a 0 = 5 Emax attesa: 5 Me. V/10 Me. V? Il grande valore del waist giustifica un valore di energia maggiore rispetto a 2 Me. V come da scaling lineare con a. Ipotesi confermata da simulazioni PIC. LNF 15 marzo 2011 10

Accelerazione laser di protoni Ai protoni viene trasferita circa 10% della energia del laser. Se Elaser = 3 J e E 0=2 Me. V si trova N= 0. 1 Elaser/E 0 ~1012 I protoni di 10 Me. V con DE=0. 1 Me. V sono circa 3 108. Dopo il trasporto 107 protoni possono essere post-accelerati. L’ intensità è importante per le applicazioni LNF 15 marzo 2011 11

Diagnostica per LILIA • Film radiocromici • Parabola di Thomson • Silicon diode arrays LNF 15 marzo 2011 12

Radiochromic films To analyze the films we are developing a system based on a good quality plane scanner along with a custom designed Lab. VIEW based image processing code. Epson V 750 Pro (6400 dpi, white cold cathode fluorescent lamp, max 4. 0 OD) ISO-21550 Dynamic Range Film Used to Determine Optical Density Range of Transmission Scanners LNF 15 marzo 2011 13

Radiochromic films LNF 15 marzo 2011 14

Thomson parabola LNF 15 marzo 2011 15

FLAME Target Area LNF 15 marzo 2011 16

Thomson parabola LNF 15 marzo 2011 17

Thomson parabola VERY UNIFORM MAGNETIC FIELD (DB/B~5· 10 -4 over a spot size of 40 mm diameter) LNF 15 marzo 2011 18

Silicon diode arrays Develop a position sensitive silicon detector according to a matrix scheme based on simple PIN diodes Advantages of a Si-PINarray over a MCP+CCD detector: • The Si-PINarray operate without any requirement about high and clean vacuum conditions • The Si-PINarray is cheaper and simpler • The Si-PINarray is much more robust and reliable • The Si-PINarray solution allows to design detector geometries according to the specific requirements of the experiment (i. e. parabola shapes of the ion trajectories after a TP) LNF 15 marzo 2011 19

Silicon diode arrays Different possible sources for Si-PINArrays: • Custom designs • Micron Semiconductor • Hamamatsu For the first tests we chose to start with Hamamatsu products (although Hamamatsu does not provide any information about the geometry of the detector in term of the PN junction thickness). The commercially available packages provides up to 46 elements (model S 4114 -46 N) or a basic architecture which will allow to grow simply stacking more packages (S 5668 -021/SPL) The active area of each element is of the order of 1. 5 x 0. 9 mm LNF 15 marzo 2011 20

Silicon diode arrays LNF 15 marzo 2011 21

Silicon diode arrays LNF 15 marzo 2011 22

July 2010 proton beam tests at INFN LNS Preliminary tests have been carried out using a well defined 60 Me. V proton beam at the CATANA proton therapy beam line at INFN-LNS The maximum energy of the beam has been reduced using aluminum and Perspex calibrated thickness materials (TRIM code) The minimum detected energy has been of the order of 1 Me. V LNF 15 marzo 2011 23

Silicon diode arrays LNF 15 marzo 2011 24

Silicon diode arrays LNF 15 marzo 2011 25

Silicon diode arrays Energy spectrum from a MCA (arbitrary units) Dose delivered: 825 c. Gy LNF 15 marzo 2011 26

Attivita’ 2011 (prima meta’) in attesa di poter accedere alla sperimentazione con il laser • Controllo posizionamento della targhetta durante il movimento • Parabola di Thomson. Sistema di posizionamento, e allineamento in vuoto • Array di rivelatori di piano focale. Sistema di lettura. Posizionamento in vuoto. Test di funzionamento nella zona sperimentale. • Calibrazione della parabola di Thomson e dei rivelatori di piano focale con fasci di protoni LNF 15 marzo 2011 27

il futuro…. . • Focalizzazione e trasporto del fascio: Pulsed Solenoid Bz=5. 5 T fi=55 mm, Length=250 mm, distance from source 25 mm Picture from “A PULSED SOLENOID FOR INTENSE ION BEAM TRANSPORT” D. Shuman et al. –PAC 2005, LNF 15 marzo 2011 28

Prime simulazioni di trasporto nel solenoide LNF 15 marzo 2011 29

Portatarghette LNF 15 marzo 2011 30

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