DYNAMICAL ASPECTS OF OPTICAL ACCELERATION AND TRANSPORT OF PROTONS

DYNAMICAL ASPECTS OF OPTICAL ACCELERATION AND TRANSPORT OF PROTONS

Relatore:Chiar.mo Prof. Giorgio Turchetti

Candidato:Stefano Sinigardi

Stefano Sinigardi Tesi di laurea

ACCELERAZIONE LASER-PLASMA

Cos’è un plasma?

Gas

SolidoLiquido

Plasma

TEM

PERA

TURA


Interazione laser - materia

ACCELERAZIONE LASER-PLASMA

Pressione di radiazione:


REGIME TNSA

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 𝑑2𝑉

𝑑𝑧 2=4𝜋 𝑒𝑛0 exp ¿


REGIME RPA

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: �̈�=

𝑑𝑝𝑧

𝑑𝑡 =− 𝜕𝜕𝑧 ⟨𝐴𝑦

2 (𝑧 ) ⟩


SIMULAZIONI ANALITICHE E NUMERICHE

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 NUMERICHE

Una singola particella investita da un pacchetto elettromagnetico ritorna ferma!

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

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000E+00

5E+00

1E+01

2E+01

tempo

Py

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 5000

2

4

6

8

10

12

tempo

py


TRASPORTO DI PROTONI

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


ESPERIENZA A FRANCOFORTE

Il solenoide come elemento focalizzante Laser Phelix e beamline del GSI Studio dei fringe fields

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

VelocitàForzaCampo B



Senza fringing fields il bunch di test resta invariato. Non c’è la focalizzazione che sperimentalmente SI VEDE

OK!



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!



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



Soluzioni ottenute con Propaga



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


PROSPETTIVE E LAVORO FUTURO

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

GRAZIE PER L’ATTENZIONE

Stefano Sinigardi



THE MIRROR PROBLEM – RPA REDSHIFT

From my thesis, page 24


THE FRINGING FIELDS MAP – HARD EDGE

From my thesis, pages 62-63

GOING IN

GOING OUT


THE FRINGING FIELDS MAP – SMOOTH FIELD

From my thesis, page 70


CHIRPED PULSE AMPLIFICATION


RPA REGIME


PRIME INTEGRALS – GRAPH ANALYSIS

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