Laserově řízené urychlování částic

1. Laserově řízené urychlování částic Jaroslav Švec Ondra Horský Garant projektu Míra Krůs Evropský sociální fond Praha & EU: Investujeme do vaší budoucnosti

2. O co jde? • Vývoj intenzity laserů • Výhodné oproti elektromagnetickým typům urychlovačů • pole:TV/m oproti MV/m • Krátké svazky oproti běžným urychlovačům (1000x) • Krátká urychlovací délka • Využití – ve fyzice, medicíně, technice atd.

3. (Ne)urychlování • Energie ~ 3MeV • Rychost už kolem 0,99 c • Energie 150 Gev • Rychlost se ale zvětší relatině nepatrně na 0,999…9 c • V podstatě jde tedy spíše o zvětšování energie částic, než jejich urychlování!

4. Dvě cesty vývoje • Co největší výkon k urychlování • Efektivnější řešení urychlování Dvě cesty vývoje

5. Schéma experimentu

6. Typy urychlování Dvě cesty vývoje • Elektronů – náš cíl (energie dodaná během mnohem kratší doby) • Iontů – většina naší práce

7. Urychlování elektronů • Postupující impuls odděluje elektrony od iontů a vytváří za sebou postupující elektrické pole • Elektrony jsou urychlovány potenciálem v plazmatu za laserem

8. LWFA laser wake-fieldacceleration Krátkého laserového pulsu (<1 picosekunda) Délka pulzu odpovídá hustotě plazmatu Rychlost vlny menší než rychlost světla - elektrony (pohybující se rychlostí světla) utečou z příznivé urychlovací fáze a začnou se zpomalovat - omezená urychlovací délka

9. RLWFA resonant laser wake-fieldacceleration Řadou pulzů se docílí rezonančního růstu vln, (účinky jednotlivých pulzů se sečtou) Ve fázi návrhů Výhoda: není nutný výkonný laser Nevýhoda: nutnost vysoké přesnosti ( načasování na femtosekundy, optická dráha přesná na mikrometry)

10. PBWAplasma beat-waveaccelerator Navrhovaná dříve (LWFA – krátkovlnné lasery s vysokou intenzitou, pulzy nebyly dostupné.) Dva dlouhé laserové svazky s mírně odlišnou frekvencí kdy ω1 – ω2 = ωp, kde ωp je frekvence plazmatu. Pulzy interferují a rezonančně budí vlny

11. SMLWFA self-modulated laser wake-fieldacceleration Pro danou délku pulzu, hustota plazmatu je větší než pro LWFA  vyšší urychlovací pole Interakce pulzu s plazmatem způsobí, že dlouhý pulz je rozdělen na řadu krátkých Více nestabilní než LWFA

12. PWFA – svazkem e+ nebo e- Analogické LWFA, místo laserového pulzu je použit intenzivní elektronový svazek Výhoda: (oproti LWFA) vlna se pohybuje rychlostí světla - není omezena interakční délka Omezení: energie se maximálně zdvojnásobí

13. Schéma laseru

17. Filtry http://www.pals.cas.cz/pals/pac225ma.htm Svazek musí být homogenní v celém průřezu Jedná se o prostorovou filtraci (odstraní halo způsobené rozptylem na vzduchu)

18. Filtry • Zvětšují průměr laserového svazku tak, aby odpovídal průměru vstupní apartury následujícího zesilovače. http://www.pals.cas.cz/pals/pac225ma.htm

20. Zesilovače • Udržují valenční elektrony plynu v zesilovačích v ionizovaném stavu pomocí UV záření. Při průletu laserového záření dochází k navrácení excitovaných elektronů na svou původní energetickou hladinu a vyzáření fotonu ve stejné fázi.

22. Diagnostika plazmatu • Thomsonův rozptyl • Interferometrie • Holografie • Stínografie

23. Thomsonův rozptyl • Diagnostika laseru • Určení teploty Te a elektronové hustoty plazmatu ne

24. Interferometrie • Příčný profil hustoty plazmatu • Zpracování celého obrazu – fázový posun jako funkci jak radiální tak axiální polohy

25. Holografie • Zobrazení brázdové struktury • Užití: zobrazení bublinové struktury • Referenční pulz před pumpovacím pulzem • Sondovací pulz za pumpovacím pulzem

26. Stínografie • Modifikovaná holografie • Zobrazení amplitudy místo fáze • Odvozuje laserem indukovanou strukturu plazmatu ze změn v amplitudě sondovacího pulzu • Sondovací pulz se v čase překrývá s pumpovacím pulzem a

27. Urychlování iontů • Při urychlováni iontů nechceme, aby nám v plazmatu vnikaly vlny, jako tomu je u elektronu! • Laserem urychlené protonové svazky jsou koncentrované, ultrakrátké, ultraintezivní

28. Využítí • Protonová terapie • Protonové zobrazování • Iontové zažehnutí fúzních terčů

29. Metody urychlování iontů • RPA (Radiation Pressure Acceleration) • TNSA (Target Normal Sheat Acceleration )

30. RPA - (RadiationPressureAcceleration) • Zatím pouze teoretická metoda • Urychlí se celá fólie – dojde k protržení Dvě cesty vývoje

31. RPA - (RadiationPressureAcceleration) • Výhoda – urychlení pouze směrem šíření pulzu

32. TNSA - (TargetNormalSheatAcceleration ) • Urychlení v obou směrech

33. TNSA - (TargetNormalSheatAcceleration )

34. Experimentální zapojení • Parabolické zrcadlo • Urychlovaný terč ( Al fólie) • Schématické rozmístění čidel • 4 Faraday Cup ke snímání energie urychlených částic

35. Experimentální zapojení

36. Experimentální zapojení

37. Zpracování signálu

38. Zpracování signálu

39. Zpracování signálu

40. Zpracování signálu(Furierova transformace) • Rozklad signálu podle frekvence • Ostré oříznutí a pozvolné potlačování nežádoucích frekvencí • Úpravy v matlabu (oříznutí os)

41. Zpracování signálu(Furierova transformace) • Využití vysokých frekvencí (šumu) • Interfernce, druh šumu

42. Zpracování signálu(Furierova transformace) • Využití nízkých frekvencí (nosné vlny) • Průběh měření