DYNAMICAL ASPECTS OF OPTICAL ACCELERATION AND TRANSPORT OF PROTONS

1. Candidato: Stefano Sinigardi Relatore: Chiar.mo Prof. Giorgio Turchetti DYNAMICAL ASPECTS OF OPTICAL ACCELERATION AND TRANSPORT OF PROTONS

2. Cos’è un plasma? Accelerazione laser-plasma • Plasma TEMPERATURA Gas • Liquido • Solido

3. Accelerazione laser-plasma • Interazione laser - materia Pressione di radiazione:

4. Il regime detto «target normal sheath acceleration» consiste nella creazione di una nuvola di elettroni caldi che si muovono in avanti creando un campo elettrostatico che accelera i protoni. La legge di scala è Regime TNSA

5. Il regime noto come «radiation pressure acceleration» lascia gli elettroni freddi grazie all’uso di luce polarizzata circolarmente I protoni sono accelerati direttamente dalla pressione di radiazione. Legge di scala: Regime RPA

6. Come studiare teoricamente questi fenomeni? • Risultati analitici solo 1D • Simulazioni numeriche • Confronto simplettico e leapfrog di ordine 2 • stesso ordine di accuratezza! • Integratori equazioni del moto per codice PIC • Runge-Kutta (2° e 4° ordine) • Leapfrog (2° e 4° ordine) • Algoritmi esattamente simplettici (2° ordine) Simulazioni analitiche e numeriche

7. Una singola particella investita da un pacchetto elettromagnetico ritorna ferma! Simulazioni numeriche • È l’onda di densità a costruire l’«effetto cavità» • Sono quindi gli effetti non lineari di accoppiamento onda elettromagnetica - plasma a causare l’accelerazione

8. Esperimento Lilia (Frascati) • Studio di fattibilità Prometheus (Bologna) • Esigenze • Trasportare protoni accelerati lontano dal bersaglio • Contenere la crescita di emittanza • Mantenere correnti sufficientemente intense • Scrittura di un codice di trasporto: Propaga • Prima configurazione provata: FODO Trasporto di protoni

9. Il solenoide come elemento focalizzante • Laser Phelix e beamline del GSI • Studio dei fringe fields Esperienza a Francoforte Nel modello iniziale B non focalizzava particelle con v parallela all’asse del solenoide In realtà, la struttura del campo magnetico al bordo dovrebbe garantire la focalizzazione Velocità Forza Campo B

10. Esperienza a Francoforte OK! Senza fringing fields il bunch di test resta invariato. Non c’è la focalizzazione che sperimentalmente SI VEDE

11. Confronto codice Propaga con LORASR e Trace-3D (trusted codes) • Creazione di un generatore di pacchetti per il confronto • Studio parametri di Twiss e distribuzioni KV • NB: Alla Goethe Universitat di Francoforte stanno studiando un dispositivo di post-accelerazione. Molto interessante per i nostri studi futuri! Esperienza a Francoforte

12. In settembre ho lavorato anche alla rimozione del modello hard-edge, che ci ha permesso di ottenere anche un modello migliore per i fringing fields Esperienza a Francoforte

13. Soluzioni ottenute con Propaga Esperienza a Francoforte

14. Soluzioni ottenute con Propaga • è possibile contenere l’emittanza • notevole miglioramento modello solenoide • Problemi aperti • effetti di carica spaziale • inclusione popolazione elettronica • studio della post-accelerazione Esperienza a Francoforte

15. Innalzamento energia con bersagli di natura diversa (simulazioni ed esperimenti) Trasporto: avere un fascio con caratteristiche migliori Implementazione effetti carica spaziale Futuro lontano: interfacciamento con dispositivi di post-accelerazione Prospettive e lavoro futuro

16. Grazie per l’attenzione Stefano Sinigardi

18. From my thesis, page 24 THE MIRROR PROBLEM – RPA REDSHIFT

19. From my thesis, pages 62-63 THE FRINGING FIELDS MAP – HARD EDGE GOING IN GOING OUT

20. From my thesis, page 70 THE FRINGING FIELDS MAP – SMOOTH FIELD

21. CHIRPED PULSE AMPLIFICATION

22. Rpa regime

23. PRIME INTEGRALS – GRAPH ANALYSIS c1 c2 c3