Experimental and numerical investigations on ion acceleration from near-critical gas targets

Resumen

Las fuentes de iones rápidos generados por láseres intensos son un tema de estudio prometedor para múltiples campos de la investigación. Si bien la aceleración de iones por interacción láser-sólido se ha estudiado exhaustivamente, los plasmas de densidad cuasicrítica (es decir, una densidad de electrones del orden de 1e21 cm-3 para una longitud de onda láser de aproximadamente 1 um) han sido poco discutidos, debido a las dificultades relacionadas con la generación controlada de densidades críticas (a partir de un blanco sólido, líquido o gaseoso). Sin embargo, estos plasmas podrían dar lugar a varios mecanismos de aceleración, como la "target normal sheath acceleration" o la aceleración por choques electrotáticos no colisionales ("collisionless shock acceleration" - CSA), así como a la generación de poblaciones de electrones energéticos, llamados superponderomotores. Esta tesis se enmarca en el desarrollo de fuentes de iones producidas por un láser intenso con una alta tasa de repetición (HTR, por sus siglas en inglés), necesaria para la mayoría de las aplicaciones. Las nuevas instalaciones láser con pulsos del orden del femtosegundo producidos cada segundo, y de muy alta potencia (del orden de un petavatio) e intensidad (IL = 1e20 W/cm2) como VEGA-3, Apollon, L4 Aton o BELLA PW, se adaptan perfectamente a este objetivo. Además, las boquillas de gas de tipo choque ("shock nozzle") recientemente desarrolladas, conectadas a sistemas de gas de alta presión, se eligen por su compatibilidad con los sistemas láser HTR y debido al fuerte acoplamiento láser-gas al que pueden dar lugar. En primer lugar, se realizó un estudio paramétrico basado en simulaciones 1-D de tipo "particle-in-cell" (PIC) para comprender la interacción entre un láser intenso y un jet de gas cuasicrítico y no uniforme. Se buscó determinar un conjunto óptimo de parámetros experimentales relacionados con la interacción de un pulso láser lL = 0.8 µm, tL = 100 fs, IL = 1e20 W/cm2, con un jet de gas cuasicrítico similar al producido por una boquilla de choque no comercial, desarrollada dentro de nuestro grupo de colaboración. Para ello se utilizó el código PIC Calder desarrollado por el CEA. Los datos experimentales analizados en esta tesis se obtuvieron durante dos campañas en las instalaciones láser VEGA-2 (200 TW) y VEGA-3 (1 PW), en el CLPU, Universidad de Salamanca. La primera tenía como objetivo estudiar el potencial de aceleración de iones de un pulso láser ultraintenso con una duración de femtosegundo interactuando con un jet de gas supersónico. La segunda, que constituyó la campaña principal, permitió destacar, a través de medidas de tiempo de vuelo, la aceleración frontal de partículas alpha de energía ~0.6 MeV/amu a una tasa de repetición moderada (20 min-1), exhibiendo una energía y una dispersión angular relativamente moderadas. También confirmó la abundante generación de electrones energéticos predicha por simulaciones numéricas, hasta energías de alrededor de ~50 MeV. Además, la interferometría reveló la formación de un canal de plasma, que se extendía a ambos lados del pico de densidad del jet de gas. Varias simulaciones en 2-D, realizadas para explicar algunos de estos resultados, están en concordancia cualitativa con las mediciones, lo que permite identificar los mecanismos de aceleración de iones y de electrones, así como describir el fenómeno de formación del canal láser. El trabajo realizado durante la elaboración de esta tesis ha arrojado luz sobre la física de la interacción entre un pulso láser ultraintenso y un gas denso, una configuración aún poco explorada en el régimen de femtosegundo. Al mismo tiempo, se debieron afrontar numerosos retos técnicos, como el desarrollo de una metodología experimental adaptada, así como de un conjunto de diagnósticos compatibles con la operación a alta tasa de repetición. Aunque los rendimientos obtenidos en términos de energía iónica pueden considerarse modestos, son alentadores e invitan a perseverar en esta línea de investigación, teniendo en cuenta que las aplicaciones de la interacción láser-gas son numerosas y van desde la producción de radioisótopos médicos hasta estudios de física fundamental. Desde el punto de vista numérico, nuestro estudio de las condiciones más favorables a la aceleración de iones por choque electrostático mediante un pulso de femtosegundo proporciona condiciones óptimas de la interacción láser-gas para la producción de choques electrostáticos, de tal forma que se dejan claros los objetivos experimentales para trabajos futuros con énfasis en la importancia de mejorar las técnicas de fabricación de las boquillas de gas.