Development and characterization of thin films for laser-induced proton beams

Vicente, Afonso João Simões dos Santos

http://hdl.handle.net/10400.5/100112

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Authors

Vicente, Afonso João Simões dos Santos

Advisor(s)

Galaviz Redondo, Daniel

Alejo, Aarón

Abstract(s)

A aceleração de iões induzida por laser tem-se destacado como uma alternativa a aceleradores convencionais por radiofrequência, devido aos recentes avanços tecnológicos de lasers de alta intensidade e pulsos ultracurtos. Embora os avanços dos parâmetros dos lasers sejam importantes, o desenvolvimento de novos e melhores alvos é igualmente determinante para impulsionar as capacidades das infraestruturas dedicadas a aceleração de iões induzida por laser. O objetivo deste trabalho é desenvolver e implementar uma metodologia dedicada à produção de filmes finos de Formvar, capazes de melhorar a energia de corte e o fluxo de iões dos feixes gerados por aceleração induzida por laser. O presente trabalho foi realizado em colaboração com o Laboratório de Lasers para Aceleração e Aplicações (L2A2) da Universidade de Santiago de Compostela (USC), em Santiago de Compostela, Espanha. No L2A2-USC existe o sistema laser STELA, isto é, um sistema laser titânio-safira de 50 TW, e uma sala de radioprotecção dedicada a aplicações para lasers com pulsos de femtosegundos. Até ao momento, o L2A2-USC tem utilizado folhas de alumínio com espessuras de poucos (8 a 12) micrómetros como alvos nas suas experiências, chegando a energias até 2 MeV. De forma a ultrapassar este limite, é proposto o desenvolvimento de filmes de plástico para substituir os alvos metálicos antes usados. Mais especificamente, é proposto a produção e consequente caracterização de três tipos de filmes como alvos: filmes de Formvar simples, de Formvar revestidos com alumínio e revestidos com prata. O trabalho foi então organizado em três etapas. A primeira etapa focou-se na produção dos três tipos de filme proposto. Os filmes foram produzidos nas instalações do Laboratório de Desenvolvimento de Alvos (TDL) do grupo NUC-RIA do LIP, situado na FCUL. Vários parâmetros foram testados durante esta etapa, como por exemplo as concentrações das soluções de Formvar e o número de mergulhos na solução, avaliando-se o impacto de cada um nas espessuras e uniformidade resultantes. Com base nos testes executados, dois protocolos distintos são aqui estabelecidos e discutidos em detalhe. É também proposta uma técnica simples para a extração de filmes mais espessos das lamelas, como complemento aos protocolos. O protocolo para a deposição de camadas metálicas por evaporação térmica em vácuo foi revisado, recorrendo à evaporadora térmica das instalações do TDL. Esta etapa foi de grande importância para futuros trabalhos, uma vez que dois protocolos diferentes para a produção de filmes finos de Formvar são estabelecidos pela primeira vez neste laboratório. A segunda etapa foi dedicada à caracterização dos filmes. Por um lado, os filmes produzidos foram caracterizados por duas técnicas bem-definidas, a espetroscopia de retro-dispersão de Rutherford (RBS) e a perda de energia de partículas alfas (AEL). Os espetros de perda de energia das partículas alfas são medidos numa câmara de vazio associada a um detetor SSBD, existente no laboratório de Física Nuclear da FCUL. Devido à sensibilidade das partículas alfas, os resultados obtidos por este sistema permitem medir apenas a espessura de alvos simples de Formvar finos, tendo incertezas associadas bastante elevadas (na ordem dos 60 nm). Já os resultados obtidos por RBS oferecem uma maior exatidão, embora esta técnica tenha algumas dificuldades na caracterização de materiais com uma estrutura não-elementar, como é o caso dos polímeros. Por este motivo, a técnica RBS foi direcionada principalmente para a caracterização das camadas metálicas evaporadas. Para executar esta técnica, foi necessário o uso do Van de Graaff do Laboratório de Aceleradores e Tecnologias de Radiação (LATR) do CTN/IST, o que dificulta o seu acesso e execução. Como tal, por outro lado, parte desta etapa foi ocupada pelo desenvolvimento de uma nova técnica de caracterização de alvos. Esta nova técnica consiste no uso da atenuação de raios-X de baixa energia (XRA) para estimar a espessura das camadas metálicas. Para a desenvolver, implementou-se simulações de Monte Carlo para determinar a sua viabilidade e também os seus limites. Estas simulações tiveram em conta as características físicas dos vários componentes a serem utilizados, nomeadamente um detetor SDD, o alvo e uma fonte variável de raios-X. Uma vez caracterizada a fonte de raios-X e a função de resposta do detetor SDD, várias simulações realizadas permitiram confirmar que o facto de a técnica ser realizada em ar não afeta significativamente os resultados obtidos. Isto oferece uma grande vantagem face a outras técnicas pois não exige o uso de vazio. Os resultados obtidos das simulações também permitiram averiguar que esta técnica consegue caracterizar a espessura de filmes simples e de camadas de revestimento metálico dos filmes de Formvar, sem alterações significativas aos resultados. Dos dois metais testados, a prata provou ser o material que conduz a melhor resultados por ter o maior coeficiente de atenuação mássico. Assim, é de facto possível caracterizar camadas ultra-finas (menos de 100 nm) de prata em filmes espessos de Formvar (mais de 1000 nm) com um erro relativo menor de 10%. Já o alumínio oferece uma sensibilidade menor, sendo necessário uma camada com mais de 500 nm de espessura para ser corretamente caracterizada num filme de Formvar de 700 nm. Com base nas simulações, partiu-se para a impressão 3D de uma montagem experimental, projetada com uma ferramenta de Desenho Assistido por Computador, e mediram-se filmes de Formvar previamente caracterizados. Estes resultados foram corroborados pelos resultados das medições por RBS, validando então a técnica desenvolvida para este trabalho. Como nenhum registo de uma técnica que faça uso da mesma radiação, de acessibilidade local e sem necessitar de uma câmara de vazio foi encontrada, esta técnica ganha um destaque único. Na terceira etapa, 22 filmes foram transportados da FCUL para as instalações do L2A2-USC, e nelas testados. A análise dos dados resultantes incidiu-se na avaliação da energia de corte e no fluxo de iões alcançados, o que permitiu verificar que os filmes produzidos tiveram um bom sucesso em concretizar os objetivos propostos. Particularmente, os filmes de Formvar simples foram os que obtiveram maior sucesso, apresentando os maiores fluxos e tendo atingindo uma energia máxima de (3.7±0.4) MeV. Os resultados obtidos demonstram que a espessura dos filmes é um fator importante no seu desempenho relativamente à aceleração de protões, uma vez que foram os filmes de Formvar mais finos que sistematicamente proporcionaram melhores resultados. Ao contrário do que era esperado, os resultados obtidos indicam que o revestimento metálico dos filmes não favoreceu, mas antes prejudicou o mecanismo de aceleração. Em específico, o revestimento de alumínio foi o que obteve os piores resultados, equiparáveis às folhas de alumínio usadas pelo L2A2-USC. Um estudo mais aprofundado é necessário para entender as causas destes resultados. Da análise retirou-se ainda a conclusão de que a qualidade da superfície dos filmes é um fator fundamental e mais sensível do que a espessura para um melhor desempenho dos filmes, afetando a estabilidade e reprodutibilidade dos resultados. Uma análise detalhada ao fluxo de protões revelou a presença de saturação do cintilador usado pelo L2A2 e levou a concluir que a sua substituição possa ter de ser estudada para futuros trabalhos. Em suma, este trabalho de mestrado exigiu a aplicação de um amplo leque de técnicas e conhecimentos. Várias simulações Monte Carlo e testes experimentais foram realizados de forma a desenvolver uma nova técnica de caracterização de filmes, capaz de medir a espessura de camadas de revestimento metálicas em filmes de plástico através do uso de raios-X de baixa energia. Para além disso, dois protocolos para a produção de filmes de Formvar foram implementados, estabelecendo metodologias de grande utilidade para futuros trabalhos. O trabalho levou também a um estudo aprofundado e a uma melhor compreensão dos mecanismos de aceleração de iões por laser, uma nova área emergente da Física. Este estudo resulta da análise dos resultados obtidos, que nunca antes foram alcançados nas instalações do L2A2-USC. Várias propostas foram colocadas para um redobrado melhoramento destes resultados, com claras implicações para outros futuros trabalhos nestas instalações.

Laser-driven ion acceleration has gained an increasing interest as an alternative to conventional accelerators, due to recent laser technology developments. To further advance the capabilities of laser-driven acceleration facilities, the development of new and better targets is paramount. This work aims to develop and benchmark a methodology to produce thin Formvar films capable of improving laser-driven ion acceleration in terms of cut-off energy and ion flux. Three types of films, aluminium-coated, silvercoated and plain Formvar films, are produced and characterised to achieve these goals. This work is done in collaboration with the Laser Laboratory for Acceleration and Applications (L2A2) facility of the University of Santiago de Compostela (USC). Two distinct protocols for thin Formvar foil production were benchmarked and discussed. In addition, the protocol used for the metal-coating layers is also reviewed. Two different methods, Rutherford Backscattering Spectroscopy (RBS) and alpha energy-loss (AEL), were used for target characterisation. Furthermore, a novel method which uses soft X-ray attenuation (XRA) was created and validated for this work. This technique allows the characterisation of ultra-thin metal-coatings in situ without requiring vacuum, with no record or report having been found of a similar technique. To implement, optimise and define the limits of this innovative technique, Monte Carlo simulations were performed in TOPAS. Based on these simulations, a custom experimental set-up was design by CAD and 3D-printed at FCUL. Experiments conducted at the L2A2-USC facility revealed that the produced films significantly improved proton acceleration, especially plain Formvar films, which outperformed metal-coated targets in terms of proton cut-off energy and flux. The results highlight the importance of target thickness and surface quality in laser-driven acceleration, and offer valuable insights for future experimental campaigns.