eli-cz programy základního výzkumu a aplikací
DESCRIPTION
ELI-CZ Programy základního výzkumu a aplikací. 2. schůze Konsorcia ELI-CZ 31. března 2009. Kontext projektu ELI a harmonogram. ELI: jeden z projektů Roadmap ESFRI (European Strategic Forum for Research Infrastuctures) Časový horizont : - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
ELI-CZProgramy základního výzkumu a aplikací
ELI-CZProgramy základního výzkumu a aplikací2. schůze Konsorcia ELI-CZ31. března 2009
Kontext projektu ELI a harmonogram
ELI: jeden z projektů Roadmap ESFRI (European Strategic Forum for Research Infrastuctures)
Časový horizont:
2008 – 2010 Přípravná fáze ELI-PP (Preparatory Phase)Březen 2008 AVČR vyjadřuje podporu záměru umístění ELI v ČRSrpen 2008 Hodnocení velkých projektů OP VaVPI:
MŠMT zařazuje záměr výstavby ELI v ČR do pásma I (projekt obzvláště slibný z hlediska přínosů pro ČR)
20.září 2008 MŠMT zasílá přihlášku s kandidaturou ČR na umístění ELI(další kandidáti: Francie, Velká Británie, Maďarsko, Rumunsko)
Říjen 2008 Dohoda FZÚ AVČR s hejtmanem Středočeského kraje o podpoře ELIListopad 2008 Vláda ČR oficiálně vyjadřuje projektu ELI podporu (usnesení 1514/08)2.polovina 2009 Rozhodnutí EK/EU o hostitelské zemipolovina 2010 Kompletace “stavebních plánů” (TDR -Technical Design Report)2011 - 2014 Stavba, uvádění do provozu
Investiční náklady: 260 miliónů Euro
ELI bude výzkumné centrum s mezinárodním statutem (ECRI):Provozní náklady budou z velké části (až 80%) pokrývány účastnickými zeměmi
ELI Preparatory Phase: Work Package structure
WP1 Management MGT CNRS (F)
WP2 Legal issues SA FORTH (GR)
WP3 GovernanceSA Univ. Salamanca
(E)
WP4A Strategy on EU large-scale facilities SA RISSPO (H)
WP4B Site choice SA Sophia Univ. (BG)
WP5 Finance SA CNRS (F)
WP6 Safety and radio‑protection SA STFC (UK)
WP7A Lasers RTD IoP-PALS (CZ)
WP7B Secondary sources RTD IST Lisbon (PT)
WP7C Infrastructures RTD MPQ (D)
WP8 Trans-national networking COORD INFN (I)
WP9International networking / communication
COORD IST Lisbon (PT)
Type WP leader
Aplikace ultrakrátkých laserových pulsů
ELI: základní výzkum, aplikovaný výzkum, vývoj technologií
Příklady aplikacíPříklady aplikací
- Materiálový výzkum- Femto-chemie: nové zobrazovací techniky pro molekulární studia- Nové diagnostické systémy pro medicínu- Vývoj nových laserových materiálů a technologií - Nové kompaktní zdroje částic a záření- Nanotechnologie a mikrotechnologie- Rentgenová optika, mikrooptika
2
Konstrukčně architektonická studie ELI-CZ
ELI laser: projektované schéma
• Front end: PFS derivative and Ti:Sapphire, CEP stabilized, fully DPSSL pumped• 2 to 5 beamlines at high rep rate: DPSSL boosters 50-100 J/ 5-50 fs @10 Hz• Power amps using advanced flashlamp (possibly ILE-derivative) pumping
• Active mirror• Limited thickness• Energy scalable up to n x10 J
• Avoids problems of active mirror• Engineering is challenging• Energy scalable up to >1 kJ
Technologie repetičních laserů (10 Hz - kHz)
DPSSL: diode-pumped solid state lasers
Thin disk technology
Gas-cooled multislab
Repetiční laser na bázi tenkého diskuMPQ, MBI, Trumf Laser GmbH
Parabolic Mirror
Transformationoptics
Yb:YAG-Yb:YAG-DiskDisk
Pump diode Pump diode ModulesModules
PPpeakpeak = 1.5 kW = 1.5 kWF = 100 HzF = 100 Hz
Fiber
Multi pass mirror set
Multi-diskový repetiční zesilovačLLNL, RAL
He G
as
(cold
)
Window
Pump + Extraction
Pump + Extraction
CeramicYb:YAG
Proposed geometry, similar to Mercury (LLNL)
Concept for 1 kJ Amplifier (K.Ertel, J.Collier, RAL)
Beam size 14 x 14 cm2 5 J/cm2 2 Amplifier heads
Attoscience (using ELI front end)
~1J “on target”; kHz; 5 fs CEP locked
Based on scaled PFS OPCPA technology (MPQ/MBI)
Optimised for primary experimental mission
Running independently
Several target areas / beamlines
Primary Mission Focussed (generation e-, p+, etc)
Working spec of 50 J; 10 Hz; <30 fs
Initial specifications 15 GeV e-, upgradeable)
Ideally pump-probe min per mission
“Beamlines / Applications”
ELI front end and mid-chain (boosters)
Infrastruktura k základnímu a aplikovanému výzkumu:
- Nové generace kompaktních urychlovačů částic (elektrony, protony, ionty)
- Fotonové svazky (VIS, rtg, ) s délkou pulsu ~10 as až ~100 fs (10-17 - 10-13 s)
- Zdroj pulsního keV rtg záření s ultravysokým jasem (srovnatelný s XFEL)
- Vývoj kompaktní hadronové terapie
- Testování základních fyzikálních konceptů nelineární kvantové elektrodynamiky
(rozptyl foton-foton, polarizace vakua, Schwingerův limit, Unruhovo pole, atd…)
- Zkoumání materiálů v ultraintenzivních radiačních polích
- Jaderné technologie (deaktivace odpadu laserem indukovanými částicovými svazky atd.)
Směry výzkumu v infrastruktuře ELI
1) Monochromatické elektronové svazky s laditelnou energií Ekin=100 MeV až 50 GeV, náboj >50 pC v pulsech o délce ~10 fs
2) Monochromatické laditelné zdroje rentgenového záření a) rtg lasery (50 eV až 300 eV), ps pulsy b) generace vyšších harmonických frekvencí (20 eV až 5 keV), <fs pulsy c) až 50 keV (“stolní” XFEL =injekce relativistického e- svazku do undulátoru)
3) Monochromatické protonové svazky Ekin= 10 MeV až 5 Gev, pulsy o délce 10-100 fs
4) Širokopásmové zdroje rtg záření Pásmo 1-100 keV (plazmový betatron), 10-30 keV (spontánní emise, K-hrany)
ELI: sekundární zdroj záření a částic
Pohyb elektronu v poli intenzivního laseru
yz cBE El + mg pole ve fázi BvEq
dtvd
m
0
pro v<<c Lorentzova síla zanedbatelná
pro vc příspěvek E a B srovnatelný
síla působící na elektron (proton) ve směru šíření laserového pulsu
cc
I
m
qvv
dtEm
qvv
laser
e
e
e
e
00
0
2
Při I=1x1018 Wcm-2 je <E>= 2.75x1012 Vm-1
elektron: pro =800 nm v =0.974 c za ½ cyklu optického pole
Při I=1x1024 Wcm-2 je <E>= 2.75x1015 Vm-1
proton: pro =800 nm v =0.92 c za ½ cyklu optického pole
Elektrony plazmatu jsou odvrženy ponderomotorickou silou stranou směru šíření laserového pulsu a vytvářejí nábojovou “bublinu”, uvnitř které je generováno podélné elektrické pole:toto pole urychluje shluk elektronů uvnitř “bubliny”
Analogie: surfař na vysoké Analogie: surfař na vysoké vlněvlně
Experimentální uspořádání:
Číslo 431, září 2004
Elektrony odvrženéze směru pulsu
husto
ta e
lektro
nů
Laser
Monoenergetické relativistické e- svazky
Elektrony ž éěru pulsu
odvr enze sm
W.P.Leemans et al, Lawrence Berkeley National Laboratory (Nature, 2006)
Generace 1 GeV elektronů fs laserem (1J/40 fs)
Prostorově-energetické spektrum: úzce kolimovaný monoenergetický svazek
Elektrony ž éěru pulsu
odvr enze smElektrony ž é
ěru pulsuodvr en
ze sm
Výkon
lase
ru
Délka p
ulsu
Hustota
plaz
mat
u
Velikos
t ohnisk
a
Délka u
rych
lován
í
Energie la
seru
Náboj
Energie e
lektro
nů
Parametry laserem generovaného e- svazku (simulace W. Mori, UCLA)
Možnosti generace e- svazků laserem
ELI
Generace pozitronů
107 positrons/shot
C. Gahn et al. Appl. Phys. Lett., 77, 2662(2000)
Spektrum 20 eV až 5 keVXUV pulsy o délce << fs (současný rekord: 80 as)
Rtg pulsy 1-5 keV (potenciálně zdroj o vyšším jasu než XFEL)
G.Tsakiris, MPQ Mnichov (2005)
Generace attosekundových pulsů
HHG na povrchu pevného terče
Plazmové XUV lasery čerpané 1J /10 Hz, 40 fs
• Average power µW• Peak brightness > 3rd generation synchrotron beamlines• Highly monochromatic pulses with energy higher than any other tabletop source
Gain saturationGain saturation
Colorado State University (2005)
Elektrony ž éěru pulsu
odvr enze sm
Monochromatické zdroje rtg záření (10-100 keV)
A.Rousse, LOA Paříž (2006)
„Stolní“ rtg laser na volných elektronech (stolní XFEL): GeV elektronový svazek generovaný laserem je injektován do undulátoru o délce několik desítek cm -> monochromatický ultraintenzivní svazek 10-50 keV, délka pulsu ~fs
- Vývoj v USA, Británii, Německu, Francii- Je jedním předmětů EU Roadmap projektu ELI (Extreme Light Infrastructure)
Ultrakrátké pulsy + dostupnost: Potenciál zcela zrevolucionalizovat Potenciál zcela zrevolucionalizovat obor laboratorních rentgenových obor laboratorních rentgenových zdrojůzdrojů a a jejich aplikacíjejich aplikací !- nová medicínská diagnostika- nové metody radioterapie nádorů- strukturální mikrobiologie (DNA, proteiny)- mikroelektronika- vývoj nových materiálů
Monochromatické zdroje rtg záření (10-100 keV)
photon energy
# photons/bunch
106..8
1012..13
100 eV 5 keV 25 keV
spontaneousemission
FEL emission1 2
medical phase-contrast imaging
single molecule imaging (6nm → 0.25 nm)
femto-chemistry
(pump-probe)
“femto-slicing”:e.g. ultrafast
demagnetization
2015
2025
2010 2020
(~ 20 nm) coming soon….
medical absorption imaging(mono-energetic, dual energy)
Courtesy F.Grüner, MPQ Garching
Elektrony ž éěru pulsu
odvr enze sm
Laserová generace protonových svazků
Princip:
Relativistický elektronový svazek (nemonochromatický) generovaný průchodem fs laserového pulsu tenkou fólií (např. Au) “vytahuje” elektrostatickým polem protony z povrchu fólie
Laserový puls
Fólie Elektrony
Protony
Ukázka:(energetické spektrum)
Ions
Electrons
Ultra-intenzivní protonové pulsy:až 1013 protonů/puls
Aplikace p+ svazků generovaných fs lasery
Pikosekundové protonové pulsy dostupné “na stole ” s 10-Hz opakovací frekvencí nejspíše přinesou zásadní inovace, např. :
- široce aplikovatelná protonová terapie pro léčbu zhoubných nádorů = kvalitativní inovace v radioterapii- produkce speciálních radioizotopů pro lékařskou diagnostiku, rozšíření dostupnosti PET (produkce izotopů s krátkou dobou života)- jaderné inženýrství, potenciálně revoluční možnosti zpracování vyhořelého jaderného paliva (=“deaktivace” izotopů protonovým urychlovačem)- materiálové inženýrství
Účast českých firemDelong Instruments a.s. (Brno)Crytur s.r.o. (Turnov) Vakuum Praha s.r.o.Neovision s.r.o. (Prague)Rigaku-Reflex RITE (Praha)Foton s.r.o. (Nová Paka)Meopta s.r.o. (Přerov)ON Semiconductor (Rožnov)
Laserové materiály a technologieKompaktní zdroje částic a zářeníNové diagnostické systémy pro medicínuFemtosekundová holografie molekulNanotechnologie a mikrotechnologieRentgenová optika, mikrooptikaRobotické systémyVakuové technologie3D počítačové viděníElektronické a řídící systémy
Intenzivní lasery a vývoj nových technologií
Pracovní skupiny Konsorcia ELI-CZnávrh
1. “Národní“ programy základního výzkumu Obory využívající sekundární zdroje:a) Biologické aplikaceb) Fyzikálně chemické aplikacec) Fyzikální a materiálové aplikaceGenerace sekundárních zdrojů (rtg, e-, p+)
2. Návrh projektů aplikovaného výzkumu v infrastruktuře ELI
3. Technologický vývoj a účast průmyslu při stavbě ELI
4. Studentské programy