Accelerazione ponderomotiva di ioni da interazione laser-plasma

Uno dei più importanti risultati ottenuti nell'interazione tra impulsi laser di intensità superiore a 10^(18) W/cm^(2) e durate minime di decine di femtosecondi è la produzione di fasci di ioni con energie massime di numerose decine di MeV e buon grado di collimazione. Queste caratteristiche hanno suscitato interesse in vista di possibili applicazioni dei fasci in ambito energetico, medico ed industriale. La spiegazione più accreditata dei risultati sperimentali è data in temini di "target normal sheath acceleration" (TNSA): mediante processi di assorbimento l'interazione considerata comporta la generazione di elettroni con energie massime di numerose decine di MeV e si ha consistente espansione del plasma prodotto; una frazione di elettroni fortemente energetici è capace di fuoriuscire dalle superfici del mezzo, in prossimità delle quali forma una "nuvola" di plasma elettronico. In queste regioni di interfaccia tra gli elettroni e la materia positivamente carica si costruiscono dei campi elettrici longitudinali che possono raggiungere valori massimi del TV/m. Tali campi ionizzano gli atomi superficiali del bersaglio ed accelerano ioni, i quali avanzano nel vuoto avvolti da una guaina ("sheath") elettronica; dopo questa fase iniziale i campi decrescono fino ad annullarsi quando le due specie cariche si compensano localmente, il che è possibile se le velocità sono le stesse, e cessa ulteriore accelerazione di particelle. In vista delle possibili applicazioni TNSA presenta comunque dei limiti legati alla scarsa monocromaticità del fascio e alla bassa efficienza di conversione dell'energia della radiazione in energia delle particelle accelerate. In tempi recenti previsioni teoriche supportate da simulazioni numeriche hanno indicato un ulteriore processo di accelerazione di ioni, noto come accelerazione ponderomotiva (PA), che costituisce l'oggetto di studio di questo elaborato. Si tratta di un processo qualitativamente diverso da TNSA perché non basato su assorbimento elettronico, e sulla conseguente presenza di campi elettrici alle interfacce con il vuoto, ma imputabile alla forza ponderomotiva, la quale riveste un ruolo di primo piano nell'interazione tra impulsi laser ultraintensi ed ultrabrevi e bersagli solidi. Allo stato attuale non esistono esperimenti in cui accelerazione ionica è stata indicata come PA ma simulazioni numeriche condotte in questo elaborato indicano che essa si pone come meccanismo sovrapponibile a TNSA dal punto di vista delle energie ottenibili per le particelle e del grado di monocromaticità del fascio. Inoltre il trasferimento di energia dal laser agli ioni può essere ottimizzato mediante l'utilizzo di radiazione incidente con polarizzazione circolare, in quanto in tal caso i processi di assorbimento di energia della radiazione da parte degli elettroni vengono fortemente inibiti. Alla luce di quanto sostenuto il primo capitolo di questo lavoro è dedicato ad una breve descrizione delle sorgenti laser di ultima generazione ed allo stato dell'arte della ricerca attuale riguardo la produzione di ioni ed il loro utilizzo in ambito energetico, medico ed industriale. Il secondo capitolo indaga gli aspetti teorici essenziali dell'interazione radiazione-materia ad elevate intensità, con particolare riguardo agli effetti relativistici, al concetto di forza ponderomotiva ed al suo legame con la pressione di radiazione. Attenzione viene prestata alle differenze nell'interazione dipendenti dal tipo di polarizzazione utilizzata ed è fornita una descrizione qualitativa dei fenomeni di assorbimento che portano all'accelerazione di elettroni nel caso di polarizzazione lineare. Inoltre vengono descritte le soluzioni stazionarie per i campi autoconsistenti nel caso di interazione tra radiazione circolarmente polarizzata ed un plasma "freddo" e non collisionale. Nel capitolo successivo viene condotta, mediante simulazioni particle in cell, una analisi numerica comparativa tra i due tipi di polarizzazione lineare (LP) e circolare (CP) ad incidenza normale su un plasma. Viene evidenziata la compresenza di ioni accelerati da TNSA e PA nel caso LP e la sola presenza di PA nel caso CP. I risultati numerici servono proprio come punto di partenza per il modello analitico fluido unidimensionale che, nel quarto capitolo, viene proposto per l'accelerazione ponderomotiva allo scopo di elucidarne la fisica e fornire predizioni, sperimentalmente utili in un prossimo futuro, sullo spessore di pelle del mezzo, le velocità e le energie ioniche in funzione dell'intensità dei campi incidenti e della densità del plasma. Nell'ultimo capitolo vengono discusse tre serie di simulazioni particle in cell. La prima è intesa al confronto tra le osservazioni numeriche e le previsioni del modello. I valori estrapolati dalle simulazioni mostrano una diretta proporzionalità tra la velocità massima degli ioni accelerati e l'ampiezza adimensionale dei campi, incoraggiante dal punto di vista delle applicazioni; inoltre l'efficienza di conversione in energia ionica risulta, a parità di condizioni di interazione, un ordine di grandezza superiore rispetto ai corrispondenti dati sperimentali per TNSA. Una seconda serie di simulazioni, condotta al valore di intensità incidente per il quale la teoria dell'interazione tra laser e plasmi sovradensi prevede il passaggio al regime di trasparenza relativistica indotta, mostra la presenza di oscillazioni elettroniche longitudinali all'interno del mezzo, da imputarsi a radiazione trasmessa. Infine l'ultima serie di simulazioni si restringe al caso, più aderente alle reali condizioni sperimentali, di impulso incidente pari a qualche ciclo ottico. Si evidenzia che la finitezza temporale della radiazione pone un limite al numero di ioni soggetti a PA e alla velocità e alle energie da essi raggiungibili. Inoltre la velocità massima e l'efficienza del processo mostrano una saturazione in funzione della durata dell'impulso incidente. Il raggiungimento del plateau si ha quando l'impulso ha una durata comparabile al tempo numericamente stimato per la formazione del "bunch" di ioni accelerato in avanti via PA, ed è in buon accordo con il corrispondente tempo di rottura idrodinamica della modellizzazione teorica