Sviluppata una tecnica innovativa per l’analisi quantitativa non-distruttiva dei materiali in aria basata su di un acceleratore di protoni laser-plasma compatto

La tecnica di amplificazione degli impulsi laser denominata Chirped Pulse Amplification (premio Nobel 2018 a Gérard Mourou e Donna Strickland) ha portato a importanti e significativi progressi nello studio dell’interazione laser-materia ad intensità molto elevate, come ad esempio l’efficiente generazione di armoniche ottiche di ordine elevato consentendo successivamente la nascita della cosiddetta attosecond science (premio Nobel 2023 a Pierre Agostini, Ferenc Krausz e Anne L’Huillier).

Nel Laboratorio di Irraggiamento con Laser Intensi presso la sezione di Pisa dell’Istituto Nazionale di Ottica, l’interazione laser-materia ultra-intensa e’ attualmente usata per generare fasci di particelle energetiche mediante la tecnica denominata accelerazione laser-plasma, e studiarne le applicazioni pratiche. L’accelerazione laser-plasma è infatti oggi riconosciuta come una metodologia competitiva per ottenere fasci di particelle pulsate ad alta energia grazie principalmente alla sua compattezza, ai ridotti requisiti di schermatura delle radiazioni ionizzanti e al flusso di picco molto elevato.

In questo contesto, e’ stata concepita, sviluppata e validata un’innovativa tecnica per l’analisi accurata quantitativa non distruttiva di campioni in aria, denominata External Beam Laser-driven Particle-Induced X-ray Emission (EBL-PIXE). La nuova tecnica si basa su di un fascio di protoni accelerati ottenuti con un laser compatto da 10 TW. La dimostrazione della metodologia EBL-PIXE favorirà in prospettiva ulteriori utilizzi degli acceleratori laser-plasma non solo per l’analisi dei materiali ma anche per altre applicazioni come ad esempio “seeder” per laser a elettroni liberi, e sorgenti per la radioterapia flash.

La tecnica EBL-PIXE e’ stata sviluppata nell’ambito del progetto “Laser-PIXE” (responsabile scientifico Dr. Fernando Brandi) parte del programma di ricerca ARCO-CNR, cofinanziato da Regione Toscana (POR FSE 2014-2020) e VCS S.r.l. un’azienda specializzata nella produzione di sistemi e componenti per il vuoto. I risultati di questo sviluppo sono stati pubblicati nell’articolo “Quantitative elemental analysis of a specimen in air via external beam laser-driven particle-induced x-ray emission with a compact proton source” Phys. Rev. Applied 21, 064020, che può’ essere trovato qui.