Simulazione della propagazione del pacchetto di elettroni in una streak-camera ultra veloce

This research study aims at providing the guidelines to design a streak camera. Through simulations, developed with the software Simion 3-D, the parameters that most influence this tool were determined. Furthermore, since the evolution of the electron bunch inside a streak camera is influenced by numerous factors, the simulations were organized in order to obtain the trend of the dimensions and characteristics of the bunch according to the function of each parameter and in each part of such tool. The propagation of photo-electrons under the effect of the extraction mesh and later under the focusing electrostatic lens effect was simulated taking into consideration the effects of space-charge, of energy, angular and temporal initial distributions of photo-electrons and the geometrical and constructive characteristics of the photocathode-to-mesh and lens focusing systems. Each passage of light pulse, first, and of photo-electrons, later, was analyzed and carefully investigated in order to elaborate a streak camera prototype for the FASTEST-CAM project. Such detector shall be able to measure the intensity versus time or space, of ultrafast phenomena with a temporal resolution that presumably amounts to 200fs. Among the various uses of this streak camera, there will be the analysis of the radiation coming from the interaction of PLASMONX (PLasma Acceleration at Sparc and MONochromatic X-ray generation project) and SPARC (Sorgente Pulsata Auto-amplificata di Radiazione Coerente) projects: synchronised ultraintense laser pulses and high-quality electron bunches, might interact thus giving the opportunity to explore Thomson scattering physics and applications.

Il lavoro contenuto in questa tesi è volto a fornire le linee guida per la progettazione di una streak camera. Tramite simulazioni, sviluppate con il programma Simion 3-D, è stato possibile determinare quali parametri influenzino maggiormente le performance di questo strumento e, poiché l'evoluzione del pacchetto di elettroni all' interno del canale di una streak camera è influenzata da vari e molteplici fattori, le simulazioni sono organizzate per ottenere l'andamento delle dimensioni e delle caratteristiche del fascio in funzione di ciascuno di questi parametri ed in ognuna delle regioni del canale. Dunque, è stata simulata la propagazione degli elettroni sotto l'effetto dell'accelerazione della griglia e poi sotto l'effetto focalizzante delle lenti elettrostatiche, prendendo in considerazione gli effetti della carica spaziale, della distribuzione di energia, angolare e temporale dei foto-elettroni e le caratteristiche geometriche e costruttive del sistema fotocatodo-griglia e del sistema di focheggiamento. Ciascun passaggio dell'impulso luminoso, prima, e dei foto-elettroni, dopo, è stato analizzato e studiato a fondo per arrivare all'elaborazione di un prototipo di streak camera per il progetto FASTEST-CAM. Questo rivelatore sarà capace di misurare l'andamento dell'intensità , verso il tempo oppure verso lo spazio, di fenomeni ultraveloci con una risoluzione temporale che si suppone possa essere di 200fs. Tra le possibili applicazioni di questa streak camera, ci sarà lo studio della radiazione proveniente dall'interazione dei progetti PLASMONX (Plasma Acceleration at Sparc and Monochromatic X-ray generation project) e SPARC (Sorgente Pulsata Auto-amplificata di Radiazione Coerente): impulsi laser e pacchetti di elettroni di alta brillanza, sincronizzati fra loro, potranno interagire consentendo di realizzare esperimenti di accelerazione a plasma e sorgenti X-gamma basate sullo scattering Thomson.