ELI-CZ Programy základního výzkumu a aplikací 2. schůze Konsorcia ELI-CZ 31. 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 ČR Srpen 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 ELI Listopad 2008 Vláda ČR oficiálně vyjadřuje projektu ELI podporu (usnesení 1514/08) 2.polovina 2009 Rozhodnutí EK/EU o hostitelské zemi polovina 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 Type WP leader WP1 Management MGT CNRS (F) WP2 Legal issues SA FORTH (GR) WP3 Governance Univ. Salamanca (E) WP4A Strategy on EU large-scale facilities RISSPO (H) WP4B Site choice Sophia Univ. (BG) WP5 Finance WP6 Safety and radio‑protection STFC (UK) WP7A Lasers RTD IoP-PALS (CZ) WP7B Secondary sources IST Lisbon (PT) WP7C Infrastructures MPQ (D) WP8 Trans-national networking COORD INFN (I) WP9 International networking / communication

Aplikace ultrakrátkých laserových pulsů ELI: základní výzkum, aplikovaný výzkum, vývoj technologií Příklady 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 1 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

Technologie repetičních laserů (10 Hz - kHz) DPSSL: diode-pumped solid state lasers Thin disk technology Gas-cooled multislab 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

Repetiční laser na bázi tenkého disku MPQ, MBI, Trumf Laser GmbH Transformation optics Fiber Parabolic Mirror Yb:YAG- Disk Pump diode Modules Ppeak = 1.5 kW F = 100 Hz Multi pass mirror set

Multi-diskový repetiční zesilovač LLNL, RAL Concept for 1 kJ Amplifier (K.Ertel, J.Collier, RAL) (cold) He Gas Window Pump + Extraction Pump + Extraction Ceramic Yb:YAG Proposed geometry, similar to Mercury (LLNL) Beam size 14 x 14 cm2  5 J/cm2 2 Amplifier heads

ELI front end and mid-chain (boosters) 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 “Beamlines / Applications” 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

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 ~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.)

ELI: sekundární zdroj záření a částic 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)

Pohyb elektronu v poli intenzivního laseru El + mg pole ve fázi pro v<<c Lorentzova síla zanedbatelná pro vc příspěvek E a B srovnatelný  síla působící na elektron (proton) ve směru šíření laserového pulsu Při I=1x1018 Wcm-2 je <E>= 2.75x1012 Vm-1 elektron: pro l=800 nm v =0.974 c za ½ cyklu optického pole Při I=1x1024 Wcm-2 je <E>= 2.75x1015 Vm-1 proton: pro l=800 nm v =0.92 c za ½ cyklu optického pole

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”

Generace 1 GeV elektronů fs laserem (1J/40 fs) W.P.Leemans et al, Lawrence Berkeley National Laboratory (Nature, 2006) Prostorově-energetické spektrum: úzce kolimovaný monoenergetický svazek

Možnosti generace e- svazků laserem Parametry laserem generovaného e- svazku (simulace W. Mori, UCLA) Hustota plazmatu Velikost ohniska Délka urychlování Energie elektronů Výkon laseru Délka pulsu Energie laseru Náboj ELI

C. Gahn et al. Appl. Phys. Lett., 77, 2662(2000) Generace pozitronů 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) Spektrum 20 eV až 5 keV XUV pulsy o délce << fs (současný rekord: 80 as) Rtg pulsy 1-5 keV (potenciálně zdroj o vyšším jasu než XFEL)

Plazmové XUV lasery čerpané 1J /10 Hz, 40 fs Gain saturation Colorado State University (2005) Average power µW Peak brightness > 3rd generation synchrotron beamlines Highly monochromatic pulses with energy higher than any other tabletop source

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)

1 2 Monochromatické zdroje rtg záření (10-100 keV) 2015 2025 2010 2020 # photons/bunch 1012..13 1 2 FEL emission single molecule imaging (6nm → 0.25 nm) medical phase-contrast imaging 2015 2025 femto-chemistry (pump-probe) medical absorption imaging (mono-energetic, dual energy) spontaneous emission “femto-slicing”: e.g. ultrafast demagnetization 106..8 2010 2020 100 eV 5 keV 25 keV (~ 20 nm) coming soon…. photon energy Courtesy F.Grüner, MPQ Garching

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

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)

Pracovní skupiny Konsorcia ELI-CZ návrh “Národní“ programy základního výzkumu Obory využívající sekundární zdroje: a) Biologické aplikace b) Fyzikálně chemické aplikace c) Fyzikální a materiálové aplikace Generace 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