ELI: projekt nejvýkonnějšího laseru na světě pro fyzikální výzkum a vývoj technologií Mezinárodní projekt ČR kandidátem na umístění ELI

Ultrakrátké laserové pulsy: rekordní výkon ELI: První laser exawattové třídy na světě (EW = 1018 W) Fundamentální výzkum v ultrarelativistickém režimu interakce laseru s hmotou Aplikace v materiálovém výzkumu, medicínském výzkumu, biologii, atd. Světelný puls ELI: intenzita v ohnisku >5x1024 Wcm-2 5 femtosekund = 5x10-15 s Rentgenové záření UV záření Gama záření Elektrony Protony Nabité částice Délka pulsu v prostoru = 1.5 µm ELI = Slunce vyzařující veškerý svůj výkon (4x1026 W) z plochy cca 10x10 cm Femtosekundové lasery: revolučně nové zdroje částic a rtg záření

Začlenění ČR v Přípravné fázi projektu Země zúčastněné na Přípravné fázi Bulharsko Lotyšsko Česká republika* Polsko Francie* Portugalsko* Německo* Rumunsko Řecko* Španělsko* Maďarsko Holandsko Itálie* Velká Británie* Nejsilnější lasery třídy kJ ČR je členem sdružení LaserLab Europe * Řízení WP (Work Package) Partneři projektu: USA, Japonsko, Jižní Korea ČR má tradici ve vývoji a technologii laserů spolupráce AV a VŠ spolupráce výzkum-firmy ČR je respektovaným partnerem v evropských laserových projektech

Kontext projektu ELI a současný stav ELI je jeden z projektů ESFRI Roadmap Výzkumné a technické zaměření projektu připravováno od roku 2005 Koordinátor CNRS Francie 2007 vybrán EC k financování Přípravné fáze jako nejlépe hodnocený projekt ve své třídě Časový horizont: 2008 – 2010 V běhu je Přípravná fáze ELI-PP (Preparatory Phase) 2009 Výběr hostitelské země ELI polovina 2010 Kompletace “stavebních plánů” (TDR -Technical Design Report) 2011 – 2014 Stavba, uvádění do provozu Investiční náklady na stavbu ELI: 260 miliónů Euro ČR oficiálně podala přihlášku o hostování ELI 20.září 2008 ELI bude laboratoř s mezinárodním statutem Provozní náklady ELI budou až z 80% pokryty účastnickými zeměmi

Koncepce laboratoře ELI Časopisy Science 2005, Nature 2007: “20 fundamentálních vědeckých otázek zodpověditelných pomocí ELI” (kvantová fyzika, kvantová elektrodynamika, kosmologie, fyzika částic) Aplikace, technologie: - vývoj nových materiálů kompaktní “table-top” urychlovače částic, kompaktní zdroje rtg a g-záření zobrazování biologických a molekulárních struktur s rozlišením 10-15 s vývoj kompaktní hadronové terapie, rtg radiografie s mikronovým rozlišením

Možný vzhled centra ELI v ČR Umístění: Středočeský kraj, v blízkosti obce Hodkovice-Zlatníky Laserová & technologická část Admin. část Celkové rozměry cca 120 x 140 m

Směry výzkumu v infrastruktuře ELI Infrastruktura k základnímu a aplikovanému výzkumu: Nové generace kompaktních urychlovačů částic (elektrony, protony, ionty) Fotonové svazky (VIS, rtg, g) s délkou pulsu as – fs (10-18 – 10-15 s) 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.)

Lasery: nové zdroje částic a záření Fokusováním pulsů Ti:safírového laseru do plynové trysky, na pevnolátkovou fólii nebo na povrch pevného terče lze generovat sekundární zdroje částic a rentgenového záření o super-vysokém jasu a délce pulsu fs až stovky fs -> v blízké budoucnosti se stanou realitou “stolní urychlovače”, “stolní synchrotrony” atd. -> rozsáhlé možnosti zcela nových vědeckých a technologických aplikací 1) Monochromatické elektronové svazky s laditelnou energií Ekin=10 MeV až 10 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 až 200 MeV, pulsy o délce 10-100 fs 4) Širokopásmové zdroje rtg záření Pásmo 1-10 keV (plazmový betatron), 10-30 keV (spontánní emise, K-hrany)

Režimy interakce laserů s hmotou Relativistický režim: I >1018 Wcm-2 Ultrarelativistický režim: I >1024 Wcm-2 Ultra Relativistic Relativistic 1025 1015 1020 2000 1985 1960 1018 I (W/cm2) 2015 GeV electrons GeV protons CPA a = 1 a = eA/mc2

Monoenergetické relativistické e- svazky Číslo 431, září 2004 Elektrony odvržené ze směru pulsu hustota elektronů Laser Analogie: surfař na vysoké vlně Experimentální uspořádání: 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”

Laserem generovaný e- puls: 1 GeV W.P.Leemans et al, Lawrence Berkeley National Laboratory (Nature, 2006) Prostorově-energetické spektrum: úzce kolimovaný monoenergetický svazek

Generace pozitronů v laserem C. Gahn et al. Appl. Phys. Lett., 77, 2662(2000) 107 positrons/shot

Generace attosekundových pulsů HHG na povrchu pevného terče G.Tsakiris, MPQ Mnichov (2005) 20 eV až 5 keV XUV pulsy o délce << fs ! (současný rekord: 110 as)

XUV lasery: zesílení HHG v plazmatu 50 eV až 300 eV, pulsy o délce ~ps Argon cell Prepulse Ps pump pulse Target HHG seed pulse Amplified X-ray laser J.J. Rocca, University of Colorado (2006) 15 2 -2 -4 4 10 5 30 31 32 33 34 35 32 32.5 33 Wavelength (nm) Wavelength (nm)

Monochromatické zdroje rtg záření (10-100 keV) „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 obor laboratorních rentgenových zdrojů a jejich aplikací ! nová medicínská diagnostika nové metody radioterapie nádorů strukturální mikrobiologie (DNA, proteiny) mikroelektronika vývoj nových materiálů A.Rousse, LOA Paříž (2006)

Laserová generace protonových svazků Princip: Laserový puls Fólie Elektrony Protony Relativistický elektronový svazek (nemonochromatický) generovaný průchodem fs laserového pulsu tenkou fólií (např. Au) “vytahuje” elektrostatickým polem protony z povrchu fólie Ultra-intenzivní protonové pulsy: až 1013 protonů/puls Electrons Ukázka: (energetické spektrum) Ions

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

Širokopásmové zdroje rtg záření Princip “plazmového betatronu” : Na elektrony zachycené/urychlované za šířícím se fs laserovým pulsem působí příčné elektrické pole laserové vlny: -> elektrony vykonávají periodické oscilace jako v betatronu a dopředně vyzařují kužel rtg záření A. Rousse et al, Phys. Rev. Lett. 93 (2004) Laditelný širokopásmový zdroj rtg záření, experimentálně demonstrováno spektrum 1 až 6 keV (generace 108 fotonů), délka pulsu ~10 fs Aplikace: materiálový výzkum (strukturní analýza) molekulární biologie (difrakční analýza rychlých dynamických procesů) ultrarychlá difraktometrie

Intenzivní lasery a vývoj nových technologií Laserové materiály a technologie Kompaktní zdroje částic a záření Nové diagnostické systémy pro medicínu Femtosekundová holografie molekul Nanotechnologie a mikrotechnologie Rentgenová optika, mikrooptika Robotické systémy Vakuové technologie 3D počítačové vidění Elektronické a řídící systémy Účast českých firem Delong 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)

Přínos ELI pro ČR a regionální rozvoj Středočeský kraj je ideálním kandidátem - Odborné zázemí: pražské VŠ a výzkumné ústavy - Dostupnost: mezinárodní letiště, D1, D5, budoucí D3 Prestižní mezinárodní výzkumné centrum - Zvýšení viditelnosti ČR ve výzkumu a oboru vyspělých technologií - V ČR budou produkovány zásadní vědecké výsledky - Výchova nové vědecké a “technologické” generace Příležitost pro český high-tech průmysl - Samostatné kontrakty nebo joint-ventures se zahr. firmami - Optoelektronika, lasery pro průmysl, lékařská technika, vakuová technika Regionální přínos - Desítky pracovních příležitostí - Přítomnost vysoce kvalifikovaného personálu (200-300 osob) - Technologický park