Výzkumné programy

Eli Research Programs

Výzkumné programy

Ultrakrátké a mimořádně intenzivní pulzy světla a částic, vznikající interakcí s pevnými nebo plynnými terči, budou umožňovat širokou škálu projektů v základním i aplikovaném výzkumu v oblasti chemie, biologie, medicíny, vývoje nových materiálů i v jiných oblastech.

Vývojové, výzkumné a technické aktivity se v rámci ELI Beamlines dělí do šesti výzkumných programů.

Výzkumný program 1: Lasery generující repetiční ultrakrátké impulzy se špičkovým výkonem v řádu petawattů

Předmětem tohoto výzkumného programu je dodat soubor laserových systémů jako základní nástroj a páteř zařízení ELI Beamlines. Hlavní konstrukční prvky laserového systému vycházejí z principů popsaných v Bílé knize ELI [1] a jejich souhrn je uveden v technické návrhové zprávě [2]. Při spouštění laserových systémů v první fázi výzkumného programu budeme pokračovat ve zvyšování parametrů jednotlivých laserových systémů, jak požaduje tento dokument, a ve vývoji specifických technologií.

Výzkumný program 2: Zdroje rentgenového záření (X-ray) buzené opakovanými ultrakrátkými laserovými pulzy

Cílem tohoto výzkumného programu je vývoj zdrojů rentgenového záření založených na interakci ultrakrátkých laserových pulzů s látkou a rutinní používání těchto zdrojů. K těmto zdrojům patří především plazmové rentgenové lasery, plazmový betatron, pokročilé K-alfa zdroje (obecněji nazývané jako nekoherentní plazma), vytváření vysokých harmonických v oblasti keV a kompaktní elektronový laser bez rentgenového záření. Mezi klíčové výhody zdrojů rentgenového záření vyvinutých a provozovaných v ELI Beamlines bude patřit energie fotonů, velmi vysoký spektrální jas, ultrakrátké doby pulzů a schopnost vnitřní synchronizace pulzů rentgenového záření pulzy infračervených i viditelných laserů nebo shluků elektronů pro pokročilé experimenty pump-probe (excitace-detekce). Femtosekundové pulzy rentgenového záření lze používat pro rentgenové (RTG) zobrazování s fázovým kontrastem, zobrazování na bázi rozptylu RTG a gamma záření, XUV a RTG holografii kompletních buněk a bílkovin, jakož i pro studie prvních fází biochemických reakcí.

Výzkumný program 3: Urychlování částic pomocí laseru

Cílem tohoto výzkumného programu je vývoj laserem buzených všestranných zdrojů elektronů s energiemi dosahujícími desítek GeV a protonů/iontů s energiemi dosahujícími několik GeV. Zvláštním cílem je vývoj pulzních kvazimonochromatických protonových / iontových zdrojů s energií v rozsahu 60 až 250 MeV. Tento výzkum bude zaměřen na zdokonalování stability a kvality generovaných paprsků z hlediska intenzity, emitance a energiového profilu. Tyto pokročilé, vysoce energetické paprsky v odpovídajícím prostředí (diagnostika, ochrana proti ozáření atd.) umožní multidisciplinární využití, například vývoj vysoce kvalitních a levných protonových zdrojů, zejména pro využití v lékařství (protonová terapie), ve fyzice, materiálových vědách (elektronová a protonová difrakce) i v oblasti urychlovačů. Výzkumný program 3 je silně propojen s výzkumným programem 2, jehož součástí je vývoj laserů založených na volných elektronech (FEL), jež jsou tvořeny urychlovači stopovým polem (wakefield) jako zdroji relativistických elektronů, které jsou poté vypuštěny do undulátoru, a s výzkumným programem 5, který využívá vysoce energetické částicové paprsky pro aplikace při výzkumu hustého plazmatu.

Výzkumný program 4: Využití v molekulárních, biomedicinských a materiálových vědách

Cílem tohoto výzkumného programu je vybudovat a provozovat uživatelské stanice, které umožní výzkum v oblasti náročných aplikací molekulárních, biomedicínských a materiálních (MBM) věd za použití ultrakrátkých pulzů z XUV/RTG a částicových sekundárních zdrojů i pulzů primárních infračervených laserů. Hlavní výhodou ELI Beamlines je možnost jedinečné kombinace téměř dokonalého prostorového překryvu a časové synchronizace různých sekundárních zdrojů s laserovými pulzy. To umožní realizovat náročné pump-probe experimenty, které jsou při použití současných technologií téměř neproveditelné. Výzkumníci budou moci studovat mechanizmy fyzikálních a chemických procesů na atomární úrovni, zkoumat a řídit elektronické procesy v látkách, studovat složité systémy v jejich přirozeném prostředí, sledovat živé buňky v rozlišení řádu nanometrů nebo provádět výzkum v dalších oblastech. K použitým technologiím bude patřit zejména zobrazování koherentním RTG svazkem s atomárním rozlišením, RTG holografie s atomárním rozlišením, časově rozlišená difrakční a absorpční RTG spektroskopie, sub-pikosekundová pulzní radiolýza, zkoumání zředěných systémů a zobrazování materiálů a biomedicínských objektů gamma zářením s fázovým nebo rozptylovým kontrastem.

Výzkumný program 5: Laserové plazma a fyzika vysokých hustot energie

Cílem tohoto výzkumného programu je vývoj experimentálních projektů v oblasti hustého plazmatu a fyziky vysokých hustot energie (HEDP). Mezi témata může patřit nelineární optika plazmatu a interakce laseru s podkriticky hustým plazmatem, relativistické plazma, interakce laseru s pevnými terči / shluky terčů / terči s omezenou hmotností, tvorba prohřáté husté hmoty (WDM) a fyzika pokročilých schémat jaderné fúze, zejména s ohledem na rychlé zapálení. K tématům týkajícím se fyziky pokročilých schémat jaderné fúze s rychlým zapálením patří studie v těchto oblastech, například přenos elektronových paprsků s velkým proudem v hustém plazmatu pro rychlé zapálení, zastavení protonového paprsku v předem vytvarovaném hustém plazmatu, přesun a kolize v hustém plazmatu pro zapálení rázovou vlnou. Technologie pro zkoumání aktivního plazmatu budou vyvinuty a připraveny pro testování v rámci vybraných experimentů. Bude k nim patřit zejména dvourozměrná a třírozměrná časově rozlišená protonová radiografie, optická a RTG diagnostika s využitím stínového zobrazení, interferometrie a Thomsonova rozptylu. Po vyřešení synchronizace bez chvění u pulzů z různých paprskových sekcí bude možné provádět různé interakční experimenty s předem tvarovaným plazmatem a vysoce náročné experimenty „pump and probe“ (excitace a detekce).

Výzkumný program 6: Fyzika extrémně silných polí

Základním cílem tohoto výzkumného programu je specifický průzkum ultrarelativistických režimů interakcí laserů s hmotou při energetických hustotách překračujících 1023 Wcm-2, tedy bádání v oblasti, která se někdy nazývá exotickou fyzikou. Tato oblast energetických hustot, která je nyní experimentálně nedostupná, poskytne nevídaný nástroj na testování fundamentálních předpovědí kvantové elektrodynamiky ve vysokých vnějších elektromagnetických (laserových) polích a obsahuje několik oborů, například atomová fyzika, fyzika plazmatu, fyzika částic, teorie kvantového pole, fyzika ultravysokých tlaků, astrofyzika, kosmologie a další. Ke kandidátům na „exotické“ experimenty v rámci výzkumného projektu 6 patří například elektron-pozitronové plazma, čtyřvlnné směšování ve vakuu, polarizace vakua a dvojlom vakua, QED kaskády (experimentální testy optického inverzního Comptonova rozptylu budou provedeny předběžně v rámci výzkumného programu 3).


[1] Extreme Light Infrastructure: Zpráva o Grand Challenges Meeting 2009, editace G. Korn a P. Antici (2009).

[2] Zpráva o ELI Science: Vědecký poradní výbor projektu Extreme Light Infrastructure, editace T. Tajima (2009)

[3] Příloha XXI, Žádost o potvrzení podpory, Investice do infrastruktury: ELI - Extreme Light Infrastructure, CCI č. 2009CZ161PR019

[4] Technická příloha (TA) k Rozhodnutí o financování projektu ELI-Beamlines MŠMT, č. CZ.1.05/1.1.00/02.0061