Figura 3.6: Simulazione bidimensionale dell’ignizione veloce e combustione termonucleare del bersaglio. Il bersaglio compresso con un impulso laser di lunghezza d’onda λ = 0.35µm e energia E = 132 kJ, viene irraggiato da un fascio di particelle veloci che depositano 20 kJ in 16 ps in una regione di raggio di circa 20 µm
3.2 Fisica di base e applicata
L’accelerazione di ioni da interazione laser-materia presenta possibili appli-cazioni anche in campo medico, industriale e nella ricerca scientifica. In medicina le prospettive di applicazione consistono nell’imaging diagnostico e nell’adronterapia oncologica [13].
I fasci di protoni prodotti da interazione laser-plasma sono caratterizzati da notevoli laminarità e direzionalità e inoltre hanno la proprietà di rilasciare l’energia principalmente alla fine del proprio cammino. Per questo motivo gli ioni sono più adatti di elettroni e fotoni, per applicazioni in cui è richiesta una deposizione precisa e il più possibile localizzata dell’energia all’interno di un corpo. Alcuni esperimenti hanno dimostrato che l’utilizzo di protoni in campo radiografico risulta efficace con fasci di particelle tra i 5 e i 10 MeV, verificando l’effettiva possibilità di ottenere un immagine negativa
del-la densità areale di un bersaglio macrosopico. Per quanto riguarda il campo dell’adronterapia oncologica, già praticata in centri specifici che utilizzano come sorgente acceleratori tradizionali, la prospettiva di utilizzo di sorgenti laser-plasma è legata alla possibilità di raggiungere energie tra i 60 e i 250 MeV e un adeguato grado di monoenergicità sullo spettro.
Il vantaggio di utilizzare metodi di accelerazione di questo tipo è sia eco-nomico che terapeutico: ecoeco-nomico, perché sistemi laser compatti e ad alta frequenza di ripetizione garantiscono significativi risparmi in termini di costi e di ingombro rispetto agli acceleratori tradizionali, terapeutico, perché fasci collimati di protoni o ioni sono in grado di ditruggere cellule tumorali con pre-cisione millimetrica e quindi risultano adatti al trattamento di tumori vicini ad organi critici, che non devono assolutamente essere sottoposti a radiazio-ne. Per quanto riguarda l’applicazione in campo industriale l’accelerazione di ioni da interazione laser plasma ha interessanti ricadute tecnologiche nel campo della microelettronica, in quanto la produzione di ioni più energetici consentirebbe l’impiantazione di questi negli strati più profondi di materiali come il silicio, risultando quindi utile per la fabbricazione di dispositivi a seminconduttore [13].
Per concludere analizziamo le prospettive di applicazione nel campo della ricerca scientifica non direttamente finalizzata allo studio dei fenomeni da interazione laser-materia.
Innanzitutto un primo possibile utilizzo è nel campo della fisica delle parti-celle elementari: il principale limite in questo ramo di ricerca è rappresentato dal gigantismo degli attuali complessi di accelerazione, che comportano costi di costruzione e mantenimento difficilmente sostenibili. Questo è dovuto al fatto che i massimi campi elettrici applicabili nei materiali senza oltrepassare la soglia di breakdown sono dell’ordine dei 106 V e quindi, per poter accelerare particelle a energie dell’ordine del TeV, si rende necessaria la costruzione di complessi dalle enormi dimensioni. Il vantaggio dei plasmi è che questi non presentano la limitazione della soglia di breakdown, consentendo al proprio interno l’esistenza di campi elettrici milioni di volte più intensi rispetto a quelli tollerabili negli acceleratori convenzionali. Per questo motivo i plasmi sono da tempo considerati come la sede ideale in cui accelerare particelle cariche (soprattutto elettroni) su distanze dell’ordine del metro, irrisorie se paragonate a quelle attualmente necessarie. L’utilizzo di sistemi di accele-razione di questo tipo, comporterebbe quindi un drastico abbattimento dei costi di ricerca e un’estensione delle possibili frontiere di questa.
Altre possibili applicazioni nel campo della ricerca scientifica derivano dalla possibilità di disporre di laser ultraintensi per studi di fisica delle alte ener-gie, di stati condensati della materia, di relatività generale, di cosmologia e di fisica dei campi super-intensi.
3.2 Fisica di base e applicata 43 In questo senso è attualmente in fase di progettazione la facility europea di ELI (Extreme Light Infrastructure) [6], che sarà caratterizzata da più linee di impulsi di durata intorno ai 15 femtosecondi e regime ultrarelativistico di intensità sul bersaglio dell’ordine di 1025W/cm2, mai raggiunto prima. Rispetto ad HiPER e ad altri grandi laser per ricerche fusionistiche, ELI sarà quindi caratterizzato dall’estrema brevità degli impulsi e da altissime intensità. Le ricerche connesse ad ELI si articoleranno su tre linee, ovvero la fisica degli alti campi e della QED non lineare, la generazione e l’applicazione di impulsi nel regime degli attosecondi (10−18 s) e lo sviluppo ed utilizzo di impulsi ultra-corti di elettroni, ioni e radiazione di grande energia.
Un plasma è un mezzo otticamente attivo caratterizzato da quattro para-metri fondamentali che ne determinano le proprietà e il comportamento: la densità di particelle cariche, la lunghezza di Debye, la frequenza di plasma e l’indice di rifrazione.
L’interazione tra un impulso laser ultrabreve (fs ≤ τL ≤ ps) e ultraintenso (di intensità ILfino a 1021W/cm2) con un bersaglio solido di spessore micro-metrico, produce una ionizzazione istantanea sulla superficie del target e fa sì che si generino al suo interno campi elettrici elevatissimi. Questa dinami-ca può essere sfruttata per accelerare gli ioni presenti nel bersaglio, in due regimi distinti a seconda della polarizzazione della luce incidente: il TNSA per polarizzazione lineare e il RPA per polarizzazione circolare.
Il TNSA, o target normal sheath acceleration, è un regime caratterizzato dalla produzione di elettroni relativistici con energia cinetica T dell’ordine del M eV e in cui l’accelerazione degli ioni è di tipo elettrostatico: questo meccanismo accelera principalmente protoni presenti come impurezze sulle facce del bersaglio a energie KM AX(M eV ) fino a 60 M eV [7] (massimo va-lore raggiunto finora). I fasci di ioni sono prodotti con efficienza piuttosto bassa 1% ≤ ηK ≤ 10% e si distribuiscono con dispersione superiore al 20% su uno spettro energetico di tipo esponenziale. Allo stato attuale questo mec-canismo è considerato come la spiegazione teorica più accreditata dei dati sperimentali.
Nel regime RPA, o radiation pressure acceleration, la produzione di elettroni caldi risulta quasi totalmente inibita e il meccanismo di accelerazione è domi-nato dalla pressione di radiazione. L’accelerazione da pressione di radiazione diventa dominante per intensità ILsuperiori a 1023− 1024W/cm2 anche in re-gime di polarizzazione lineare; intensità di questo tipo però non sono ancora disponibili. In configurazione di bersaglio spesso (hole-boring) gli ioni sono prodotti con efficienza maggiore e si distribuiscono con bassa dispersione su uno spettro energetico di tipo gaussiano, con un picco ben definito dell’or-dine della decina di M eV . Nonostante la maggiore efficienza di conversione, il regime RPA hole-boring, non presenta però vantaggi rispetto al TNSA in
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termini di energia degli ioni prodotti. Sempre in regime di polarizzazione circolare, la configurazione più promettente in termini di energia acquistata dagli ioni (fino al GeV per nucleone), risulta essere quella di bersaglio sottile, che presenta l’efficienza di conversione più alta grazie all’assenza di elettroni caldi. In questo regime, nonostante la pressione di radiazione agisca solo sugli elettroni, il bersaglio viene accelerato come uno specchio relativistico rigido e totalmente riflettente.
Le interazioni superintense tra laser e materia e i meccanismi di accelerazio-ne di ioni, oltre ad avere grande importanza scientifica, presentano numero-se possibili ricadute tecnologiche in vari numero-settori, dalla produzione di energia elettrica da fusione nucleare alla medicina, diagnostica e terapeutica, allo svi-luppo dell’industria microelettronica. Poter disporre di impulsi laser sempre più brevi e intensi offre inoltre la possibilità di studiare regimi di interazione a energie sempre più alte, consentendo quindi il progresso della ricerca scien-tifica fondamentale.
L’aspetto forse più peculiare di questo campo di ricerca è la spiccata in-terdisciplinarietà che lo caratterizza, che fa sì che risultino coinvolti esperti provenienti da diversi rami d’interesse: dai fisici del plasma ai fisici nuclea-ri e delle particelle elementanuclea-ri, dagli astrofisici agli scienziati interessati alle possibili applicazioni tecnologiche.
[1] http://personalpages.to.infn.it/ ferrari/FPA
[2] Dr. L. Conde López: An Introduction to Plasma Physics and its Space Applications, Escuela de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio Universidad Politécnica de Madrid (2010)
[3] G. Turchetti: Dinamica classica dei sistemi fisici, Zanichelli Editore [4] G. Menichetti: Accelerazione di ioni nell’interazione laser-plasma:
mo-delli e simulazioni, tesi di Laurea Triennale in Fisica, Università degli Studi di Bologna, Anno Accademico 2007/2008
[5] G. A. Mourou, T. Tajima, S. V. Bulanov: Optics in the relativistic regime, REVIEWS OF MODERN PHYSICS, VOLUME 78, APRIL-JUNE 2006
[6] D. Giulietti, A. Macchi: Laser superintensi per tutti, Il Nuovo Saggiatore [7] V. T. Tikhonchuk: Physics of laser-assisted ion acceleration
[8] M. Passoni, M. Lontano: One-dimensional model of the electrostatic ion acceleration in the ultraintense laser-solid interaction, Laser and Particle Beams (2004), 22, 163-169
[9] A. Macchi, T. V. Liseikina, S. Tuveri, S. Veghini: Theory and simulation of ion acceleration with circularly polarized laser pulses, C. R. Physique 10 (2009) 207-215
[10] T. V. Liseykina, D. Prellino, F. Cornolti, A. Macchi: Ponderomotive acceleration of ions: circular vs linear polarization
[11] G. Turchetti, A. Sgattoni, C. Benedetti, P. Londrillo, L. Di Lucchio: Comparison of scaling laws with PIC simulations for proton accelera-tion with long wavelength pulses, Nuclear Instruments and Methods in
Bibliografia 47 Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, Volume 620, Issue 1, 1 August 2010, Pages 51-55 [12] S. Atzeni, D. Batani, L. A. Gizzi: HiPER: un laser europeo per studi di
fusione inerziale, Il Nuovo Saggiatore
[13] M. Borghesi, J. Fuchs, S. V. Bulanov, A. J. Mackinnon, P. K. Patel, M. Roth: Fast ion generation by high-intensity laser irradiation of solid targets and applications