Caratterizzazione e diagnostica di target gassosi in esperimenti laser-plasma mediante tecniche interferometriche
Recenti progressi della tecnica di accelerazione laser wakefield (LWFA) aprono alla possibilità dei sviluppare nuovi e compatti acceleratori con potenziali applicazioni sia in terapia e diagnostica biomedicale, sia in innovativi acceleratori di particelle. Per qualsiasi applicazione pratica di tali sorgenti il controllo completo del processo è indispensabile. Tra I parametri fondamentali per il processo di accelerazione ci sono la densità di particelle del bersaglio gassoso (ad esempio, celle, jet e capillari) e la densità elettronica del plasma creato dal laser, entrambe le quali possono essere accuratamente misurate mediante tecniche interferometriche.
Due distinte e complementari tecniche interferometriche sono usate per la caratterizzazione di: 1) un gas jet pulsato; 2) una cella a flusso di gas.
1) Un interferometro tipo Nomarski è usato per studiare la distribuzione spaziale della densità di particelle in un gas jet pulsato durante l’espansione libera in vuoto. La valvola ha un ugello con un orifizio rettangolare lungo 10 mm e largo 1.2 mm, ed una sezione di tipo de Laval. La valvola è operata in vuoto a 10 mbar, con argon, azoto e biossido di carbonio. Le misure sono effettuate lungo il lato lungo dell’orifizio al variare della pressione a monte della valvola per determinare l’evoluzione temporale della densità di particelle per ogni impulso di gas. Come esempio, in Figura 1 è riportato un interferogramma ottenuto usando argon ad una pressione di 30 bar dopo 1 ms dall’apertura della valvola. Risulta quindi che l’interferometria tipo Nomarski è un ottimo metodo per la misura della densità di particelle in un gas jet pulsato usato per LWFA.
2) Uno speciale interferometro a singolo braccio e due colori, chiamato interferometro di seconda armonica (SHI), è usato per monitorare l’evoluzione della densità di particelle di argon in una cella a flusso posta in vuoto. Tale cella è prodotta e commercializzata dalla ditta SourceLAB (FR) che sviluppa specificatamente target per LWFA. Le misure sistematiche sono effettuate al variare della pressione a monte della cella (0.2 bar, 0.4 bar, 0.6 bar e 0.8 bar) usando 3 orifizi di diverse dimensioni (0.2 mm, 0.5 mm e 2 mm). Come esempio, in Figura 2 è riportata l’evoluzione della densità dentro la cella dal momento dell’apertura del flusso di gas, controllato da un’elettro-valvola, per una pressione di 0.8 bar e per le tre diverse dimensione degli orifizi. Il SHI soddisfa quindi le richieste per una misura accurata in tempo reale, essendo un interferometro ultra-stabile a singolo braccio con elevata sensibilità e risposta temporale.
L'interferogramma ottenuto mediante interferometeria Nomarski di un gas jet do argon a 30 bar dopo 1 ms dall'apertura della valvola. L'ugello di 1.2 mm è visibile sulla sinistra ed il gas si espande in vuoto verso destra.
Misura dell'evoluzione temporale della densità di particlelle di argon a 0.8 bar in una cella a flusso con ugelli di 0.2 mm (linea nera), 0.5 mm (linea rossa) and 2 mm (linea verde).