60 years of laser 60 years of laser 60 years of laser

ELIMAIA

ELIMAIA will be one of the key secondary source target areas of the ELI Beamlines facility. The proposed technological and scientific solutions for the implementation of the ELIMAIA beamline is the result of a complex investigation carried out in the last several years with the main goal of fulfilling the specific requirements that have been coming from the international user community.

ELIMAIA bude jednou z klíčových cílových oblastí sekundárního zdroje zařízení ELI Beamlines. Navrhovaná technologická a vědecká řešení pro implementaci paprskové linie ELIMAIA jsou výsledkem komplexního výzkumu provedeného v posledních několika letech s hlavním cílem splnit specifické požadavky, které vycházejí z mezinárodní uživatelské komunity. Obecná filozofie pro návrh, vývoj a implementaci linky iontových paprsků v budově ELI-Beamlines je založena na třech klíčových funkcích: uživatelsky přívětivý přístup, přesné monitorování a spolehlivost zrychlených iontových paprsků a flexibilita pro budoucí upgrade čáry paprsku. Pro uživatele bude k dispozici kompletní řada paprsků (zdroj iontů, transport iontového paprsku ve vakuu, různé dozimetrické koncové body a koncová stanice pro ozařování vzorků ve vzduchu), které jim umožní aplikovat laserové iontové paprsky v multidisciplinárních oborech. 3D návrh čáry paprsku ELIMAIA v E4 je znázorněn na obrázku výše. Linie paprsků ELIMAIA se nachází v severní části experimentální haly 4 (E4).

Dostupné laserové paprsky jsou L3 a L4 (oba na úrovni výkonu 1 PW) vycházející ze západní stěny. Linie paprsků ELIMAIA se skládá ze dvou hlavních subsystémů: Ionový urychlovač a ELIMED. Další krátký puls 0,1–1 pomocného paprsku na úrovni J, L-aux (například rozdělen od L3), bude také k dispozici pro uživatelské experimenty s pumpou. První subsystém představuje vakuová komora s dvojitým plazmovým zrcadlem a laserová diagnostická sekce a hlavní interakční vakuová komora. V komoře plazmového zrcadla je laserový paprsek vyčištěn od sub-nanosekundových předpulzů. Paprsek poté pokračuje v šíření laserovou diagnostickou částí, kde se měří různé laserové parametry, jako je energie laseru, doba trvání pulzu, kontrastní poměr a vlnoplocha. Po řádné kontrole jejich vlastností jsou laserové paprsky odeslány do interakční komory a zaostřeny na cíle pomocí mimoosých parabolických zrcadel. Hlavní protonový / iontový paprsek produkovaný v bodě interakce laser-cíl se šíří zleva doprava a je odeslán do subsystému ELIMED, který je reprezentován transportem a diagnostikou iontového paprsku ve vakuu a dozimetrií iontového paprsku ve vzduchu a sekce ozařování vzorků. Zrychlené ionty jsou shromažďovány sadou kvadrupólů s permanentními magnety, které se používají pro předběžnou fokalizaci a pro hrubý výběr energie laserových iontových paprsků. Transportní linka paprsku pojme několik diagnostických systémů (vysokoenergetický Thomsonův spektrometr, pole detektorů pro měření vyzařování paprsku, detektory doby letu). Navíc bude muset být zrychlený svazek protonů / iontů formován v prostoru a v energii podle konkrétního požadavku přicházejícího od uživatele. K řešení tohoto problému lze použít sadu čtyřpólových magnetů se zaměřením na paprsek zrychlených částic (obvykle s vysokou úhlovou divergencí) a systém pro výběr energie, který vybírá požadované energetické okno. Paprsek částic poté vstupuje do sekce dozimetrie iontového paprsku ve vzduchu, kde se jeho vlastnosti měří v různých polohách a dále se tvarují, v závislosti na konkrétní aplikaci uživatele. Proto je dávka uvolněná do konečného vzorku (např. Radiobiologická) monitorována relativními a absolutními dozimetrickými systémy, které umožňují řízení dodávaného svazku částic v reálném čase. Cílem ELIMAIA bude ukázat, že celkové náklady na standardní akcelerační zařízení lze drasticky snížit použitím inovativních kompaktních přístupů založených na vysoce výkonné interakci laseru a hmoty. Ve skutečnosti je hlavním cílem linie paprsků ELIMAIA poskytnout stabilní, plně charakterizované a laditelné částicové paprsky zrychlené lasery třídy PW a nabídnout je široké národní a mezinárodní komunitě uživatelů pro multidisciplinární aplikace i základní vědu . Již byla vytvořena mezinárodní vědecká síť s názvem ELIMED (ELI MEDical applications), která se zvláště zajímá o budoucí aplikace laserem poháněných iontů pro hadronterapii [Workshop ELIMED]. Jedná se však pouze o jednu z potenciálních aplikací paprskové linie ELIMAIA, která bude otevřena několika návrhům z multidisciplinární uživatelské komunity. Tyto návrhy se budou týkat oblastí, jako je nekonvenční iontová akcelerace, radiobiologie, časově rozlišená radiografie různých materiálů a jaderné reakce zaměřené na paprsek, generující izotopy pro pozitronovou emisní tomografii nebo produkující sekundární zdroje záření (např. Neutrony částice).

Více informací je zatím jen v anglickém jazyce.

What the users get

Ion Beam Features (PW) Enabling Experiments Flagship Experiments
Energy range 3-60 MeV/u 3-300 MeV/u
Ion No./laser shot >109 (0.1 nC) in 10% BW >1010 (1 nC) in 10% BW
Bunch duration 1-10 ns 0.1-10 ns
Energy spread ±5% ±2.5%
Divergence ±0.5° ± 0.2°
Ion Spot Size 0.1-10 mm 0.1-10 mm
Repetition rate 0.01-1 Hz 0.01-10 Hz
Summary of main vacuum equipment, targets and diagnostics available at ELIMAIA
Target chamber size 4×2.7×1.7 m3
Vacuum level 10-6 – 10-5 mbar
Focusing optics (OAP) f/1.5 (L3), f/3 or f/4 (L4-PW)
Estimated laser intensity 1021-1022 W/cm2
Targets Thin foils (0.01-10 µm); metal/plastic tape + cryogenic H (5-100 µm)
Target delivery (1-10 Hz) Translational tower; cryostat for solid H (ELISE); gas targets
Diagnostics (1-10 Hz) Thomson parabola spectrometer; TOF detectors, CMOS/CCD cameras; X-ray pin diodes; optical interferometer; digital Storage Oscilloscope (> 1 GHz – 10 GS/s); ion beam transport devices; ion beam dosimeters (Faraday cup, ionization chamber, SEM)
Diagnostics (single shot) Stacks of radiochromic films; nuclear track detectors

Související stránky