La tesi descrive un esperimento nel quale per la prima volta è stata impiegata una radiografia protonica a larga banda nella diagnosi delle strutture di campo elettrico, indotte dall’interazione tra un bersaglio e un laser, potendo contare su una elevata risoluzione spaziale e temporale.
Lo scopo dell'esperimento è stato di caratterizzare le onde di shock non collisionali che si propagano in condizioni controllate in un plasma tenue di Azoto (N2) totalmente ionizzato.
Il presente lavoro di tesi si basa principalmente sui dati raccolti nei mesi di Marzo e Aprile 2010 nel centro di ricerca Rutherford Appleton Laboratory, Oxfordshire UK. L'esperimento, nel quale ho preso parte attivamente, è stato portato avanti dal gruppo di ricerca della Queen's University of Belfast del Prof. Marco Borghesi supportato dal gruppo di ricerca del Prof. Oswald Willi dell'University of Düsseldorf.
Il sistema laser multi fascio ad infrarosso utilizzato è stato il “Vulcan Laser System” con una potenza di 100 TW. Il mio contributo all’esperimento è stato l’allestimento del setup, la raccolta e l’elaborazione dei dati.
A seguito dell'interazione tra un bersaglio d'oro e un impulso laser di durata 1 ns , l'atmosfera circostante di Azoto rarefatto, presente in una cella a gas, è stata completamente ionizzata a causa delle intense radiazioni X generate. L'intenso rilascio di energia del laser in un breve intervallo di tempo ha portato all'ablazione del bersaglio diffondendo nelle sue prossimità un plasma caldo di densità molto superiore rispetto al plasma circostante.
Dal punto di interazione si sono generate delle onde che si sono propagate con simmetria sferica all’interno del plasma tenue.
In assenza di campi esterni e in regime elettrostatico, è noto che in un plasma possono propagarsi onde iono-acustiche simili alle onde sonore in gasdinamica ordinaria. In regime non lineare e condizioni appropriate compaiono soluzioni sia di tipo solitonico che di tipo shock, cioè caratterizzate da un fronte propagante di discontinuità della velocità e densità ionica e del campo elettrico.
Per distinguere il tipo di onda sono state misurate, lungo la direzione di propagazione dell’onda, le distribuzioni di densità e del campo elettrico, la velocità e l’ampiezza.
Nella fase iniziale sono stati identificati per ciascuno dei parametri relativi al setup (l’energia dell’impulso laser, lo spessore del bersaglio e la finestra temporale nella quale acquisire i dati) quei valori che rendessero le misure più accurate e rilevanti possibili . E’ stato quindi studiato come le caratteristiche delle onde rispondevano al variare della pressione all’interno della cella a gas.
La principale diagnostica utilizzata per lo studio delle onde di shock è stata la tecnica del “proton probing”. Un fascio di protoni accelerati dal laser, aventi energie dell’ordine del MeV, vengono utilizzati come sonde in quanto attraversando il plasma tenue sono deviati dal campo elettrico trasversale che incontrano nel plasma. I protoni una volta raggiunto il rivelatore vengono raccolti da una pila multistrato di film radio cromici (RCFs) che sono mezzi sensibili alle radiazioni ionizzanti per assorbimento. Il multistrato consente di risolvere lo spettro del fascio in quanto ogni film assorbe protoni monocromatici ad una specifica energia. E’ stato così possibile avere le immagini dell’onda nel plasma per tempi diversi in quanto i protoni monocromatici assorbiti da ciascun film hanno il proprio tempo di volo. La variazione relativa della densità dei protoni incidenti sul rivelatore è stata utilizzata per calcolare il campo elettrico trasversale, la velocità e l’ampiezza delle onde nel plasma.
Tramite le tecniche di shadowgrafia e di interferometria è stato possibile ricostruire il profilo a piuma della distribuzione di densità elettronica del plasma caldo, generato dall’ablazione del bersaglio, nelle fasi successive lo sparo. Queste diagnostiche utilizzano come sonda un fascio di luce verde coerente proveniente da un laser ad infrarosso che passando attraverso un cristallo 2ω raddoppia la frequenza. Il fascio attraversa la zona del bersaglio e tramite un sistema ottico viene condotto ad un rivelatore CCD capace di riprodurre l’immagine del plasma caldo. Le frange di interferenza raccolte dal rivelatore sono state ottenute tramite la tecnica interferometrica di Nomarski. E’ stato così possibile, sfruttando la relazione che intercorre tra densità e indice di rifrazione del plasma e conoscendo la magnificazione del sistema ottico, ricavare il profilo della densità elettronica del plasma.
Come ulteriore diagnostica è stato utilizzato uno ion-detector per rilevare la velocità delle particelle cariche provenienti dal centro d'origine delle onde di shock. Il segnale della radiazione a raggi X, generata dall’interazione del laser con il bersaglio, rappresenta il tempo zero dopo il quale vengono osservati gli ioni provenienti dell’ambiente circostante il bersaglio. E’ stato possibile, conoscendo la risoluzione temporale del rivelatore e la distanza del rivelatore dal punto di interazione da dove hanno origine gli ioni, risalire alle velocità degli ioni.
Infine sono state riprodotte le condizioni del plasma tramite un codice di simulazione idrodinamico unidimensionale che tenendo conto delle condizioni iniziali del bersaglio, del laser e del gas ha simulato l’evoluzione temporale della temperatura degli elettroni
