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