Advanced time-of-flight diagnostics for real-time characterization of ions accelerated by high energy lasers

Time-Of-Flight (TOF) methods are very effective to detect ions accelerated in laser plasma interactions, but they show significant limitations when used in experiments with high energy and intensity lasers, where both high-energy ions and remarkable levels of Electro Magnetic Pulses (EMPs) in the radiofrequency-microwave range are generated. In this joined-doctoral thesis, performed at the La Sapienza University in Rome, at the institut national de la recherche scientifique (INRS) in Montréal and at ENEA Centro Ricerche Frascati, an advanced diagnostic technique for the characterization of protons accelerated by intense laser-matter interactions with high-energy and high-intensity lasers has been implemented. The proposed method exploits and improves the advantages given by TOF technique coupled to Chemical Vapor Deposition diamond detectors and features high sensitivity, high energy resolution and high radiation hardness. Thanks to the optimization of the acquisition system and to the careful setup of the TOF line, high signal-to-noise ratios in environments heavily affected by remarkable EMP fields have been achieved. In the first part of the work a brief overview of laser-matter interaction is given, with particular emphasis to processes leading to particle acceleration. Then, the main diagnostic techniques available for the characterization of secondary sources produced by laser-matter interaction are presented. Here the TOF technique is introduced and analyzed when coupled with different kinds of detectors, including diamonds. The choice of the latter is justified by their physical properties. Various types of diamond structures and electrode layouts have been tested and their performances characterized for application as detectors to be employed in TOF lines. The second part of the work is dedicated to a detailed description of the proposed advanced technique and to examples of its effectiveness in reducing the EMP noise and in enhancing the dynamic range, when employed in real experimental scenarios. A novel procedure to retrieve a calibrated proton spectrum from the performed measurements is here also proposed and discussed. Eventually, the developed technique is applied for detecting laser-plasma accelerated particles produced in different application scenarios and in the most variable laser-matter interaction conditions and the concept of a new multi-layer detector is also described.Les méthodes de temps de vol (TOF) sont très efficaces pour détecter les ions accélérés dans les interactions laser-plasma, mais elles présentent des limites importantes lorsqu’elles sont utilisées dans des expériences avec des lasers à haute énergie et à haute intensité, où sont générés à la fois des ions à haute énergie et des niveaux remarquables d’impulsions électromagnétiques (EMP) dans la gamme radiofréquence-micro-ondes. Dans cette thèse de doctorat en cotutelle, réalisée à l’Université La Sapienza de Rome, à l’institut national de la recherche scientifique (INRS) de Montréal et à l’ENEA Centro Ricerche Frascati, une technique de diagnostic avancée pour la caractérisation des protons accélérés par des interactions laser-matière intenses avec des lasers de haute énergie et de haute intensité a été mise en oeuvre. La méthode proposée exploite et améliore les avantages donnés par la technique TOF couplée à des détecteurs diamantés à dépôt chimique en phase vapeur et se caractérise par une grande sensibilité, une résolution énergétique élevée et une grande dureté de rayonnement. Grâce à l’optimisation du système d’acquisition et à la mise en place minutieuse de la ligne TOF, des rapports signal/bruit élevés ont été obtenus dans des environnements fortement affectés par des champs EMP remarquables. Dans la première partie du travail, un bref aperçu de l’interaction laser-matière est donné, avec un accent particulier sur les processus conduisant à l’accélération des particules. Ensuite, les principales techniques de diagnostic disponibles pour la caractérisation des sources secondaires produites par l’interaction laser-matière sont présentées. Ici, la technique TOF est introduite et analysée lorsqu’elle est couplée à différents types de détecteurs, y compris les diamants. Le choix de ces derniers est justifié par leurs propriétés physiques. Différents types de structures de diamant et d’agencements d’électrodes ont été testés et leurs performances ont été caractérisées en vue d’une application en tant que détecteurs à utiliser dans les lignes TOF. La deuxième partie du travail est consacrée à une description détaillée de la technique avancée proposée et à des exemples de son efficacité pour réduire le bruit EMP et améliorer la gamme dynamique, lorsqu’elle est utilisée dans des scénarios expérimentaux réels. Une nouvelle procédure permettant de récupérer un spectre de protons calibré à partir des mesures effectuées est également proposée et discutée ici. Enfin, la technique développée est appliquée pour détecter les particules accélérées par laser-plasma produites dans différents scénarios d’application et dans les conditions d’interaction laser-matière les plus variables, et le concept d’un nouveau détecteur multicouche est également décrit