During the three years of doctorate, the plasma X soft radiation generation system, developed by the Engineering Faculty, Enterprise Engineering Department of the University of Rome "Tor Vergata", has been studied and used from me for numerous applications. Generally a plasma comes created sending focused laser radiation with opportune wavelength λ and intensity I (I ≥ 107W/cm2, where 107W/cm2 it represents the threshold intensity for the plasma generation) on a solid or liquid or gaseous target placed to the inside of a chamber (commonly called X–rays chamber and that works in vacuum) and that has a distance from the focalization lens approximately equal to the focal distance f of the same lens. In the case of the system that we use for the generation of X soft radiation from plasma, the laser source used for the plasma creation is constituted from a solid state Nd:Yag/Glass laser that can emit infrared impulses with wavelength λ = 1064nm, with duration τ = 15ns and with maximum theoretical energy Emax=20J (the maximum effective energy is, instead, equal exactly to the half). The target that we used and on which the laser beam comes focused is a solid target usually constituted from metallic tapes that can rotate on an appropriate mechanical support. With our plasma X soft radiation generation system, it is possible to obtain laser beam intensities on the focal plane of the focalization lens comprised between 1011W/cm2 and 8,49 × 1012W/cm2, with the laser spot dimensions on the target approximately equal to 100µm. This system has been developed for: 1) the survey, the study and the analysis of the X emission spectra from laser induced plasma (X spectroscopy); 2) the microlithography applications in that the X soft radiation is used; 3) X microscopy; 4) the radiographs of biological samples; 5) the use of crystals or of LiF (lithium fluorine) films like X–rays detectors, in order to produce images of samples (as for example test reticulums or biological systems) with elevated spatial resolution that is inferior to the micron (exactly is of the order of 400nm); 6) calibrated measures of energy for the X radiation emitted from a laser induced plasma in the near of a specific wavelength. Moreover, because the laser source plays a fundamental role in the plasma X radiation generation process, we have tried to optimize its performances to the aim to maximize the efficiency of X–rays generation. Finally, always in our laboratories, we are putting to point a laser system for UV ultrashort pulses with wavelength λ = 248nm, with duration τ = 100fs, with energy equal to E = 100mJ and with a repetition frequency of 100Hz, based on a Titanium:Sapphire oscillator in mode locked regime, with which we hope to reach a laser beam intensity on the focal plane at least 1016W/cm2 (in truth, we hope to reach a intensity value of 1018W/cm2 for being able to generate relativistic plasmas) and to obtain a UV – X generation efficiency equal to 10% at least, advanced to that obtainable currently with our Nd:Yag/Glass laser source (inferior to 1%).

Durante il triennio di dottorato, il sistema di generazione di radiazione X soft (o molle) da plasma, sviluppato presso la Facoltà di Ingegneria, Dipartimento di Ingegneria dell’Impresa dell’Università di Roma “Tor Vergata”, è stato da me studiato ed utilizzato per numerose applicazioni. In generale, un plasma viene creato inviando della radiazione laser focalizzata di lunghezza d’onda λ e di opportuna intensità I (I ≥ 107W/cm2, dove 107W/cm2 rappresenta l’intensità di soglia per la generazione di un plasma) su un target (bersaglio) solido, liquido o gassoso posto all’interno di una camera (chiamata comunemente camera per i raggi X e che lavora sotto vuoto) ad una distanza dalla lente di focalizzazione approssimativamente uguale alla focale f della lente stessa. Nel caso del sistema da noi usato per la generazione di radiazione X soft da plasma, la sorgente laser utilizzata per la creazione di un plasma è costituita da un laser a stato solido Nd:Yag/Glass in grado di emettere impulsi nell’infrarosso di lunghezza d’onda λ = 1064nm, di durata τ = 15ns e con un’energia massima teorica Emax = 20J (quella effettiva è, invece, pari esattamente alla metà). Il target da noi usato e su cui viene focalizzato il fascio laser è un target solido solitamente costituito da nastri metallici in grado di ruotare su un apposito supporto meccanico. Con il nostro sistema di generazione di radiazione X soft da plasma, si sono raggiunte intensità I del fascio laser sul piano focale della lente di focalizzazione comprese tra 1011W/cm2 e 8,49×1012W/cm2, con dimensioni dello spot laser sul target di circa 100µm. Questo sistema è stato sviluppato con lo scopo di poter effettuare: 1) rilevazione, studio e analisi degli spettri di emissione X da plasma indotto da laser (spettroscopia X); 2) applicazioni di microlitografia a raggi X soft; 3) microscopia X; 4) radiografie X di campioni biologici; 5) uso di cristalli o films di LiF (fluoruro di litio) come rilevatori di radiazione X, per produrre immagini di campioni (come ad esempio griglie di prova oppure sistemi biologici) con elevata risoluzione spaziale tale da essere inferiore al micron (per l’esattezza è dell’ordine di 400nm); 6) misure calibrate dell’energia della radiazione X emessa da un plasma indotto da laser attorno ad una specifica lunghezza d’onda. Inoltre, poichè la sorgente laser gioca un ruolo fondamentale nel processo di generazione della radiazione X da plasma, si è cercato di ottimizzarne le prestazioni al fine di massimizzare l’efficienza di generazione della radiazione X. Infine, sempre nei nostri laboratori, si sta mettendo a punto un sistema laser a impulsi UV ultracorti di lunghezza d’onda λ = 248nm, di durata τ = 100fs, di energia pari a E = 100mJ e con una frequenza di ripetizione di 100Hz, basato su un oscillatore titanio:zaffiro in regime mode locked, con il quale si pensa di raggiungere un’intensità del fascio laser sul piano focale di almeno 1016W/cm2 (in realtà, si spera di raggiungere un valore dell’intensità pari a 1018W/cm2 per poter generare plasmi relativistici) e di ottenere un’efficienza di generazione UV – X pari ad oltre il 10%, superiore a quella ottenibile attualmente con la nostra sorgente laser Nd:Yag/Glass (inferiore all’1%).

Francucci, M. (2005). Sistemi per la generazione di raggi X da plasma indotto da laser e possibili applicazioni.

Sistemi per la generazione di raggi X da plasma indotto da laser e possibili applicazioni

FRANCUCCI, MASSIMO
2005-12-13

Abstract

During the three years of doctorate, the plasma X soft radiation generation system, developed by the Engineering Faculty, Enterprise Engineering Department of the University of Rome "Tor Vergata", has been studied and used from me for numerous applications. Generally a plasma comes created sending focused laser radiation with opportune wavelength λ and intensity I (I ≥ 107W/cm2, where 107W/cm2 it represents the threshold intensity for the plasma generation) on a solid or liquid or gaseous target placed to the inside of a chamber (commonly called X–rays chamber and that works in vacuum) and that has a distance from the focalization lens approximately equal to the focal distance f of the same lens. In the case of the system that we use for the generation of X soft radiation from plasma, the laser source used for the plasma creation is constituted from a solid state Nd:Yag/Glass laser that can emit infrared impulses with wavelength λ = 1064nm, with duration τ = 15ns and with maximum theoretical energy Emax=20J (the maximum effective energy is, instead, equal exactly to the half). The target that we used and on which the laser beam comes focused is a solid target usually constituted from metallic tapes that can rotate on an appropriate mechanical support. With our plasma X soft radiation generation system, it is possible to obtain laser beam intensities on the focal plane of the focalization lens comprised between 1011W/cm2 and 8,49 × 1012W/cm2, with the laser spot dimensions on the target approximately equal to 100µm. This system has been developed for: 1) the survey, the study and the analysis of the X emission spectra from laser induced plasma (X spectroscopy); 2) the microlithography applications in that the X soft radiation is used; 3) X microscopy; 4) the radiographs of biological samples; 5) the use of crystals or of LiF (lithium fluorine) films like X–rays detectors, in order to produce images of samples (as for example test reticulums or biological systems) with elevated spatial resolution that is inferior to the micron (exactly is of the order of 400nm); 6) calibrated measures of energy for the X radiation emitted from a laser induced plasma in the near of a specific wavelength. Moreover, because the laser source plays a fundamental role in the plasma X radiation generation process, we have tried to optimize its performances to the aim to maximize the efficiency of X–rays generation. Finally, always in our laboratories, we are putting to point a laser system for UV ultrashort pulses with wavelength λ = 248nm, with duration τ = 100fs, with energy equal to E = 100mJ and with a repetition frequency of 100Hz, based on a Titanium:Sapphire oscillator in mode locked regime, with which we hope to reach a laser beam intensity on the focal plane at least 1016W/cm2 (in truth, we hope to reach a intensity value of 1018W/cm2 for being able to generate relativistic plasmas) and to obtain a UV – X generation efficiency equal to 10% at least, advanced to that obtainable currently with our Nd:Yag/Glass laser source (inferior to 1%).
13-dic-2005
2004/2005
Ingegneria dell'impresa
17.
Durante il triennio di dottorato, il sistema di generazione di radiazione X soft (o molle) da plasma, sviluppato presso la Facoltà di Ingegneria, Dipartimento di Ingegneria dell’Impresa dell’Università di Roma “Tor Vergata”, è stato da me studiato ed utilizzato per numerose applicazioni. In generale, un plasma viene creato inviando della radiazione laser focalizzata di lunghezza d’onda λ e di opportuna intensità I (I ≥ 107W/cm2, dove 107W/cm2 rappresenta l’intensità di soglia per la generazione di un plasma) su un target (bersaglio) solido, liquido o gassoso posto all’interno di una camera (chiamata comunemente camera per i raggi X e che lavora sotto vuoto) ad una distanza dalla lente di focalizzazione approssimativamente uguale alla focale f della lente stessa. Nel caso del sistema da noi usato per la generazione di radiazione X soft da plasma, la sorgente laser utilizzata per la creazione di un plasma è costituita da un laser a stato solido Nd:Yag/Glass in grado di emettere impulsi nell’infrarosso di lunghezza d’onda λ = 1064nm, di durata τ = 15ns e con un’energia massima teorica Emax = 20J (quella effettiva è, invece, pari esattamente alla metà). Il target da noi usato e su cui viene focalizzato il fascio laser è un target solido solitamente costituito da nastri metallici in grado di ruotare su un apposito supporto meccanico. Con il nostro sistema di generazione di radiazione X soft da plasma, si sono raggiunte intensità I del fascio laser sul piano focale della lente di focalizzazione comprese tra 1011W/cm2 e 8,49×1012W/cm2, con dimensioni dello spot laser sul target di circa 100µm. Questo sistema è stato sviluppato con lo scopo di poter effettuare: 1) rilevazione, studio e analisi degli spettri di emissione X da plasma indotto da laser (spettroscopia X); 2) applicazioni di microlitografia a raggi X soft; 3) microscopia X; 4) radiografie X di campioni biologici; 5) uso di cristalli o films di LiF (fluoruro di litio) come rilevatori di radiazione X, per produrre immagini di campioni (come ad esempio griglie di prova oppure sistemi biologici) con elevata risoluzione spaziale tale da essere inferiore al micron (per l’esattezza è dell’ordine di 400nm); 6) misure calibrate dell’energia della radiazione X emessa da un plasma indotto da laser attorno ad una specifica lunghezza d’onda. Inoltre, poichè la sorgente laser gioca un ruolo fondamentale nel processo di generazione della radiazione X da plasma, si è cercato di ottimizzarne le prestazioni al fine di massimizzare l’efficienza di generazione della radiazione X. Infine, sempre nei nostri laboratori, si sta mettendo a punto un sistema laser a impulsi UV ultracorti di lunghezza d’onda λ = 248nm, di durata τ = 100fs, di energia pari a E = 100mJ e con una frequenza di ripetizione di 100Hz, basato su un oscillatore titanio:zaffiro in regime mode locked, con il quale si pensa di raggiungere un’intensità del fascio laser sul piano focale di almeno 1016W/cm2 (in realtà, si spera di raggiungere un valore dell’intensità pari a 1018W/cm2 per poter generare plasmi relativistici) e di ottenere un’efficienza di generazione UV – X pari ad oltre il 10%, superiore a quella ottenibile attualmente con la nostra sorgente laser Nd:Yag/Glass (inferiore all’1%).
Yag/Glass laser; radiazione retrodiffusa da plasma; plasma indotto da laser; efficienza di conversione IR−X soft; spettroscopia X; laser al femtosecondo
Settore ING-IND/22 - SCIENZA E TECNOLOGIA DEI MATERIALI
Italian
Tesi di dottorato
Francucci, M. (2005). Sistemi per la generazione di raggi X da plasma indotto da laser e possibili applicazioni.
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