Consegna automatizzata di bersagli microfabbricati per intensi esperimenti di irradiazione laser

L’irradiazione laser ad alta intensità di bersagli solidi genera molteplici forme di radiazione. Uno di questi è l’emissione di ioni energetici con energie al livello mega elettronvolt (MeV)¹. Una sorgente compatta di ioni MeV ha un potenziale per molte applicazioni, come l’accensione rapida dei protoni^2,la radiografia^{protonica 3,}la radioterapia^{ionica 4}e la generazione di neutroni⁵.

Una sfida importante nel rendere pratica l’accelerazione degli ioni laser è la capacità di posizionare con precisione i bersagli su scala micrometrica all’interno della messa a fuoco del laser ad alta velocità. Per rispondere a questa sfida sono state sviluppate poche tecnologie di consegna target. I più comuni sono i sistemi di destinazione basati su nastri spessi su scala micrometrica. Questi bersagli sono semplici da reintegrare e possono essere facilmente posizionati all’interno del fuoco del laser. Il bersaglio a nastro è stato realizzato utilizzando nastri VHS^6,copper^7,Mylar e Kapton^8. Il sistema di unità nastro è in genere costituito da due bobine motorizzate per l’avvolgimento e lo srotolamento e due perni verticali posizionati tra di loro per mantenere il nastro in^{posizione 9}. La precisione nel posizionamento della superficie del nastro è in genere inferiore alla gamma Rayleigh del fascio di messa a fuoco. Un altro tipo di bersaglio laser ricostituibile sono i fogli^{liquidi 10}. Questi obiettivi vengono consegnati rapidamente nella regione di interazione e introducono una quantità molto bassa di detriti. Questo sistema comprende una pompa per siringhe ad alta pressione fornita continuamente con liquido da un serbatoio. Recentemente, nuovi getti criogenici di idrogeno¹¹ sono stati stabiliti come mezzi per fornire bersagli ultrathin, a bassa debris e ricostituibili.

Lo svantaggio principale di tutti questi sistemi target rimintegrabili è la scelta limitata di materiali e geometrie target, che sono dettati da requisiti meccanici come resistenza, viscosità e temperatura di fusione.

Qui viene descritto un sistema in grado di portare bersagli micromacchinato al centro di un laser ad alta intensità ad una velocità di 0,2 Hz. La micromacchinizzazione offre un’ampia scelta di materiali target in geometrie versatili^12. Il posizionamento del bersaglio viene eseguito da un feedback a circuito chiuso tra un sensore di spostamento commerciale e un manipolatore motorizzato.

Il sistema di erogazione del bersaglio è stato testato utilizzando un sistema laser a contrasto elevato da 20 TW che fornisce impulsi laser lunghi 25 fs con 500 mJ sul bersaglio. Una revisione dell’architettura del sistema laser è fornita in Porat et^al. Questo documento presenta un metodo dettagliato per la realizzazione e l’utilizzo di questo tipo di sistema e mostra i risultati rappresentativi dell’accelerazione degli ioni laser da bersagli in lamina d’oro ultrathin.

Lo spettrometro ionico Thomson Parabola (TPIS)^15,16 mostrato nella figura 1 è stato utilizzato per registrare gli spettri energetici degli ioni emessi. In un TPIS, gli ioni accelerati passano attraverso campi elettrici e magnetici paralleli, il che li posiziona su traiettorie paraboliche nel piano focale. La curvatura parabolica dipende dal rapporto carica-massa dello ione, e la posizione lungo la traiettoria è impostata dall’energia dello ione.

Una piastra di imaging BAS-TR (IP)¹⁷ posizionata sul piano focale del TPIS registra gli ioni imping. L’IP è collegato a un feedthrough meccanico per consentire la traduzione in una nuova area prima di ogni scatto.