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

NPU II

Národní program udržitelnosti II

Projekt ELISus je podpořen z Národního programu udržitelnosti II.
Hlavním cílem projektu je podpořit udržitelnost mezinárodního výzkumného centra ELI Beamlines vybudovaného z Operačního programu Výzkum, vývoj pro inovace. Projekt podporuje realizaci řady interních VaV aktivit napříč všemi výzkumnými programy ELI Beamlines.

Kód projektu: LQ1606
Název projektu: ELI Beamlines Mezinárodní centrum Excelence
Akronym projektu: ELISus

Příjemce: Fyzikální ústav AV ČR, v. v. i.
Řešitel: Roman Hvězda
Doba realizace: 2016 – 2020
Celkové uznané náklady projektu: 798 821 000Kč
Výše podpory z programu NPU II: 451 490 000Kč

Hlavním cílem projektu ELISus je zajistit dlouhodobé a efektivní využití a financování nově vybudované jedinečné pan-evropské laserové výzkumné infrastruktury pro excelentní výzkum s maximalizací dopadů VaV výsledků pro společnost. Projekt ELI (Extreme Light Infrastructure) je součástí evropské cestovní mapy pro vybudování příští generace velkých výzkumných center zásadního významu, které byly identifikovány Evropským strategickým fórem pro výzkumné infrastruktury (ESFRI). Centrum ELI Beamlines bude těžit z vybudovaných moderních laserových systémů využívajícího poslední dostupné technologie a realizace programu řady projektů základního a aplikovaného výzkumu, jehož podstatou je interakce laseru s hmotou při intenzitách přibližně 10krát vyšších než intenzity dosahované v současnosti.

Projekt ELISus vychází z dlouhodobé strategie výzkumného centra excellence ELI Beamlines resp. pan-evropského projektu ELI. Aktivity v projektu jsou strukturovány tak, aby zajistily naplnění cílů této strategie – s využitím unikátní technologické infrastruktury přinášet nové, revoluční vědecké poznatky, prostřednictvím spolupráce se špičkovými zahraničními týmy zvýšit internacionalizaci českého VaV prostoru, díky široké škále možností a flexibilitě technologické infrastruktury horizontální propojení různých vědeckých komunit a v neposlední řadě propojení aktivit s aplikační sférou prostřednictvím dalšího rozvoje a transferu vyvinutých technologií (např. Hadronová terapie, laserové systémy apod.).

Projekt ELISus dále přispěje k rozvoji aktivit ELI Beamliens jako výzkumné infrastruktury zařazené na národní i evropské mapě výzkumných infrastruktur.
Dílčí cíle jednotlivých výzkumných programů v rámci projektu ELISus jsou:

Cíl 1. Vylepšování schopností laserových systémů pro uživatele ELI Beamlines, vývoj nových laserových technologií

Cílem je dosažení plné operační funkčnosti výzkumného centra ELI-Beamlines a rozvoj jeho dodatečných kapacit, což zajistí udržení konkurenceschopnosti centra v horizontu 2020 a dále. Mezi další cíle projektu patří vybudování silné uživatelské komunity a rozvoj strategických oblastí výzkumu a technologií včetně vylepšení, případně realizace nových, laserových a experimentálních zařízení. Navrhované aktivity zahrnují všechny 4 laserové systémy L1 až L4 ELI-Beamlines:

1a) Zvýšení výkonu laserového řetězce L1 pro uživatelské aplikace

1b) Realizace OPCPA na dlouhých vlnových délkách a násobných 100-TW výkonů laserového řetězce L2

1c) Spolupráce s LLNL na vývoji pokročilých provozních režimů PW laserového systému L3

1d) Optimalizace výkonu L4 laseru a realizace sondovacího svazku

1e) Vývoj a implementace femtosekundové synchronizace laserových řetězců L1-L2-L3-L4


Cíl 2: Rozšíření možností laserem generovaných sekundárních zdrojů krátkovlnného záření

Budou zkoumány originální metody pro zvýšení výkonu a flexibility sekundárních zdrojů rentgenového záření stejně jako optických vlastností generovaných svazků. Důraz bude kladen na účinnou generaci měkkého rentgenového záření, zesilování vysokých harmonických frekvencí v plazmatu s inverzí populace a generaci tvrdého rentgenového až gamma záření prostřednictvím Comptonova zpětného rozptylu. Dalším rozšířením plánovaných zdrojů krátkovlnného záření bude jejich vzájemná synchronizace stejně jako synchronizace s dalšími optickými svazky, což umožní sledování velmi rychlých fyzikálních jevů v látce, které nemá ve světě obdoby. Aktivity vedoucí k dosažení cíle jsou:

2a) Vývoj a ověření numerických simulací pro optimalizaci sekundárních zdrojů

2b) Schéma dvoubarevného čerpání při generaci vysokých harmonických frekvencí (HHG)

2c) Vývoj pokročilých plynových terčů pro laserovou interakci s vysokou opakovací frekvencí

2d) Zesilování harmonických impulzů v plazmatu

2e) Vývoj cílových diagnostik plazmatu pro měření s vysokým rozlišením prostorového rozložení hustoty plazmového v cíli LUX

2f) Vývoj kvazimonochromatického zdroje gamma záření založeného na zpětném Comptonově rozptylu

2g) Vývoj pokročilé elektronové optiky a diagnostiky pro paprsek LUX


Cíl 3: Návrh nových schémat urychlování iontů a elektronů

Pro dosažen tohoto cíle bude nutné pracovat na zlepšení kvality iontových svazků, zlepšení kvality elektronových svazků a na urychlování částicových svazků 10PW lasery. K dosažení cíle povedou tyto aktivity:

3a) Simulace zaměřené na zlepšení kvality iontových svazků

3b) Urychlování částic 10PW laserem L4


Cíl 4: Produkce sekundárních zdrojů (rentgenové a gama záření, neutrony) a jejich kombinované využití ve víceoborových aplikacích

Cíl bude dosažen VaV činností, která bude zahrnovat spalační zdroj neutronů řízený laserem urychlenými protony, inspekci materiálů gama zářením, pulzní radiolýzu řízenou laserem urychlenými elektrony, gama záření generované Thomsonovým rozptylem laseru a elektronových svazků a kombinace různých typů zdrojů záření produkované laserem. Jednotlivé aktivity pro dosažení cíle jsou tyto:

4a) Simulace zaměřené na zlepšení kvality elektronových svazků

4b) Simulace zaměřené na spalaci

4c) Inspekce materiálu

4d) Radiobiologické studie

4e) Kombinované sekundární zdroje

4f) Thomsonův zdroj záření


Cíl 5: Vývoj pokročilých diagnostik pro úplné řízení a kontrolu laserem urychlených částicových svazků, které budou orientovány na uživatelské aplikace

Bude se jednat o pokročilé způsoby diagnostiky pro uživatelské aplikace, jako jsou inovativní okamžitá („real-time“) diagnostika nebo diagnostika pro krátké svazky částic. Aktivity vedoucí k dosažení cíle jsou:

5a) Okamžité diagnostiky

5b) Diagnostika pro pulzní radiolýzu

5c) Aplikace elektronových svazků v medicíně


Cíl 6: Vývoj a vylepšení nové generace instrumentace a kapacit v oblastech výzkumů s využitím vakuového UV, měkkého rentgenového záření, tvrdého rentgenového záření a v oblasti časově-rozlišené optické spektroskopie

Hlavním cílem výzkumného programu 4 v období 2016-2020 bude využití nových laserem řízených sekundárních zdrojů záření na ELI Beamlines za účelem vývoje a vylepšení nové generace instrumentace a kapacit v oblastech výzkumů s využitím vakuového UV, měkkého rentgenového záření, tvrdého rentgenového záření a v oblasti časově rozlišené optické spektroskopie. Práce za účelem naplnění cíle bude soustředěna do následujících hlavních aktivit:

6a) Časově rozlišené techniky využití měkkého rentgenového záření pro materiálové vědy

6b) Atomové, molekulární a optické (AMO) vědy

6c) Rentgenové zobrazovací metody

6d) Časově rozlišená rentgenová difrakce a absorpční spektroskopie, radiační chemie

6e) Stimulovaný Ramanův rozptyl a molekulární dynamika


Cíl 7: Studie možností pokročilých diagnostických systémů pro laser-plasma operace

Cíl 8: Designová studie o prodloužení možných experimentálních konfigurací P3

Cíl 9: Identifikace nastavení pro přístup k těsné-fokusování pro muti-PW

Hlavní snaha bude věnována vývoji a designu pro nové diagnostické a detekční zařízení. Vývoj nových generací detektorů gamma záření pomůžou diagnostikovat petawatt laserové pulsy v interakci s pevnými materiály. Možná studia nových hybridních pixelových detektorů pro detekci v nízko-proudivém ionozovaném záření jako jsou relativistické elektrony, iony a gamma záření. Takové aktivní detektory v reálném čase pro ionty a gamma záření jsou v současné době neznámé v experimentech laseru a plasmatu, což omezuje opakovací stupeň experimentu. Takový vývoj by měl tudíž velikou důležistost pro vysoko opakovací zařízení jako je ELI-Beamlines- Vývoj delších-fokálních dlouhých infrastruktur pro P3 pro pokročilé experimenty jako je amplifikace plasmatu and inverzní Comptonův rozptyl. Vývoj versatilního nastavení pro těsné fokusování 10 PW paprsku bude povinným úkolem. Konstrukce a testování nových terčů pro kontrolované generování magnetických polí kilo-Tesla pro laboratorní astrophysiku, horkou hustou hmotu a paprskové kolimační experimenty. Aktivity vedoucí k cílům jsou:

7a) Nové hybridní pixelové detektory pro nízké proudění ionizovaného záření

7b) LPI kilo-Tesla polní generátor

8a) Delší fokálně dlouhá infrastruktura

9a) Těsně-fokusované nastavení pro dlouhý puls (~150 fs) a multi PW operace

Cíl 10: Optimalizace a jemné ladění virtuální reality prostředí
Cíl 11: Koncepce funkčního prostředí pro 10 PW operace
Cíl 12: Identifikace možných diagnostických pokroků pro vysoko – polní operace

V rámci navrhovaného projektu se budeme koncentrovat na studie týkající se získání ultra-vysokých intenzit s L4 laserem přes očekávanou intenzitní mez 10^23 W/cm^2 založeném na standartních přístupech pro fokusing/zaměřování. Naše úsilí se bude zaměřovat na studie plasmatického zesilování pro další narůstající laserové energie (např. efektivní zesílení na základě použití L4 laserové energie může v principu přinést pulsy s vrcholem energie hodně nad 10 PW) a na ultra-těsném fokusování použitím plasmových zrcadel (včetně konceptu létajících zrcadel). Jiný účel tohoto projektu bude zkoumání procesů, které mohou být použity k měření maxima intensity dosažené během experimentu. Přímé diagnostické metody nejsou možné a musíme spoléhat na sekundární procesy (jako například indukovaná relativistická průhlednost, optická polní ionizace, urychlené nabité částice, generování výšších harmonik, zářivé charakteristiky) a jejich teoretickému porozumění. Prodloužené teoretické úsilí bude uvažovat generaci a diagnostiku gravitačnívh vln pomocí UHI laserové hmotové interakce. Aktivity vedoucí k cíli jsou:

10a) Vývoj VBL

11a) Dláždění cesty k 10 PW a dále

12a) Vysokopolní diagnostika


Cíl 13: Zefektivnění a rozšíření modelu využití práv plynoucích z duševního vlastnictví (IPR) vytvořeného v rámci VaV činností centra

Cíl bude dosažen prostřednictvím identifikace výstupů VaV činnosti vhodných pro ochranu duševního vlastnictví, stanovením vhodného postupu při ochraně duševního vlastnictví a následným využitím duševního vlastnictví ze strany aplikační sféry. Aktivity vedoucí ke splnění cíle jsou:

13a) Identifikace vhodných výstupů VaV činnosti

13b) Ochrana duševního vlastnictví

13c) Přenos práv k duševnímu vlastnictví do aplikační sféry