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Sono passati 30 anni da quando Tajima e Dawson proposero di utilizzare fasci laser focalizzati per eccitare onde di plasma lungitudinali adatte all'accelerazione di elettroni. Il rapido sviluppo nel campo delle interazioni laser-materia ad alte intensità ha consentito già
nei primi anni 90' la realizzazione sperimentale dell'intuizione avuta da questi due fisici.
Oggi le energie raggiungibili con gli acceleratori di elettroni convenzionali sono limitate dal massimo campo elettrico sostenibile dalle cavità a radiofrequenza. Infatti non è possibile spingersi al di sopra di 100 MeV/m a causa del breakdown dei materiali metallici cosituenti la cavità. Questo problema rende necessario progettare delle macchine sempre più grandi e complesse (LEP aveva una circonferenza di 27 km) con la conseguente crescita dei costi
di costruzione, gestione e manutenzione, ormai insostenibili anche per enti sovranazionali
quali il CERN.
Per progettare acceleratori più compatti è, dunque, necessario pensare a campi elettrici
molto più elevati. Il plasma è il mezzo naturale nel quale è possibile produrre campi tanto
intensi. Per sua natura esso è già ionizzato e quindi può sostenere campi di ampiezza
arbitraria senza alterare le proprie caratteristiche.
Così come accade per le cavità a radiofrequenza, un plasma può sostenere delle onde di
campo elettrico longitudinali che si propagano ad una velocità prossima a quella della luce
nel vuoto. Un bunch di elettroni, iniettato con la giusta fase e le giuste dimensioni lungo la
direzione di propagazione di tali onde, può ricevere in pochi millimetri una "spinta" tanto
intensa da divenire relativistico. Opportunamente estratto, il pacchetto può contenere una carica maggiore di 1 nC ed avere un energia media di centinaia di MeV.
D'altra parte, diversamente da quanto accade nelle cavità RF, nel plasma le ampiezze di
campo ottenibili possono essere tre ordini di grandezza maggiori della soglia di "breakdown"
dei materiali, consentendo la riduzione della lunghezza di accelerazione dello stesso fattore.
Per generare oscillazione di campo tanto ampie si deve perturbare il plasma in modo molto
intenso e mirato. Questo di solito si effettua utilizzando due possibili forze: la forza di car-
ica spaziale associata ad un bunch di elettroni prodotto da un acceleratore convenzionale
oppure la forza ponderomotrice corrispondente ad un impulso laser ultra-corto ed ultra-
intenso.
La maggior parte degli esperimenti di LWFA (Laser Wake-Field Acceleration) riportati in letteratura fanno uso di sorgenti laser che, grazie al costante sviluppo tecnologico del settore, hanno ormai superato la soglia del PW.
Questo traguardo è stato reso possibile dall'introduzione di un complesso processo di stretching, amplicazione e ricompressione
(CPA) di un impulso mode-locked da pochi femtosecondi.
Frequentemente un impulso così amplicato viene focalizzato in un bersaglio gassoso (gas-
jet) nel quale esso crea il plasma entro i primissimi cicli ottici. Il plasma appena formato
costituisce, quindi, il mezzo in cui la restante parte della radiazione laser, propagandosi,
genera un'onda di scia (wake-field) con velocità pari alla velocità di gruppo dell'impulso.
E' proprio questa onda di scia che, rompendosi, auto-inietta un bunch di elettroni con la giusta fase e le giuste dimensioni per poter essere accelerato.
In questo modo è stato recentemente prodotto il primo pacchetto di elettroni da 1 GeV con spread energetico dell'ordine di qualche percento e divergenza inferiore ai 2 mrad.
Il percorso verso energie più elevate passa attraverso l'incremento della potenza dei sistemi
laser. E' verosimile aspettarsi, nei prossimi anni, un'ulteriore riduzione della durata degli
impulsi ed un incremento della loro energia. In questo modo sarà possibile superare ampiamente il PW incrementando, di conseguenza, l'energia e la carica degli elettroni accelerati di altri ordini di grandezza, avvicinandosi sempre di più alle caratteristiche ottimali che permetterebbero di utilizzare questi acceleratori al plasma per ricerche di "alte energie".
Questo traguardo, come già sottolineato, prevede l'utilizzo di laser sempre più potenti e di misure di radioprotezione sempre più stringenti. D'altra parte esistono applicazioni di estrema utilità anche per i fasci di alta emittanza, purché abbastanza intensi.
In questa categoria rientrano applicazioni di tipo medicale quali la IORT (Intra-Operatory
Radio Terapy) che sta avendo un discreto successo in Europa nella ripulitura del "letto tumorale" dopo che il tumore stesso è stato rimosso per mezzo chirurgico.
In tale contesto si inserisce il lavoro sperimentale oggetto della tesi:la produzione di
elettroni multi-MeV con un sistema laser da pochi TW. La criticità delle condizioni sperimentali ha richiesto un accurato lavoro di ottimizzazione dei parametri svolto con l'ausilio di una diagnostica interferometrica (di tipi Nomarski) e di una diagnostica per la luce Thomson (scatterata a 90 gradi rispetto al piano defnito dal vettore di propagazione e dal vettore di polarizzazione). Questi due strumenti sono stati utilizzati anche per ottenere delle informazioni semi-quantitative sulla qualità dell'interazione e sulle caratteristiche del plasma formato dall'impulso laser. Il pacchetto di elettroni accelerati è stato quindi rivelato e caratterizzato mediante uno spettrometro magnetico, che ha consentito di mettere in
evidenza una distribuzione maxwelliana caratterizzata da due temperature effettive. Per
alcuni "shots" sono stati osservati spettri energetici quasi-monocromatici, con massimo intorno ai 6 MeV e spread energetico inferiore al 30%.

Sebbene la ricerca sui meccanismi di accelerazione laser-plasma sia molto diffusa nei laboratori di tutto il mondo, quello che viene presentato in questa Tesi è il primo esperimento
del genere condotto in Italia.
Il lavoro di Tesi, svolto presso l'Istituto per i Processi Chimico Fisici (IPCF) del C.N.R.-Pisa, si inserisce nelle attività di un Progetto Speciale denominato PlasmonX. Il progetto, finanziato dall'INFN nell'ambito delle ricerche su Nuove Tecniche di Accelerazione, è finalizzato alla realizzazione di un primo acceleratore basato su plasmi-laser e allo sviluppo di nuove sorgenti X monocromatiche basate sullo Scattering Thomson.