Martina Žáková

1. Particle-in-cell simulaceManipulace a transport iontových paprsků řízených laserem, omezení divergence Martina Žáková

2. Plán prezentace • Co předcházelo – urychlovací mechanismy iontů, program pro transport iontových svazků v magnetickém solenoidu, hadronová terapie • Plán pro výzkumný úkol • PIC simulace – přístup, základní schéma • Simulační aparát • Terče (omezení divergence svazku)

3. Manipulace a transport iontových paprsků řízených laserem Mechanismy pro urychlování iontových svazků laserem

4. Manipulace a transport iontových paprsků řízených laserem Chování nabitého částicového svazku v magnetickém poli solenoidu, dynamický popis, emitance Program – nalezení souřadnic bodů trajektorie nabitých částic v mag. solenoidu, emitance uvažována

5. Program pro transport iontových svazků v magnet. solenoidu Kostra programu: Emittance – vlastnost svazku nabitých částic; je to míra průměrného rozpětí částic v souřadnicích fázového prostoru. Může být vyjádřena (emittance elipse in phase space, twiss parameters):ε=γx2+2αxx'+βx'2

6. Výstupy Plotted emittancesin x-x'and y-y'plane with parameters γ= 15 rad/m; α= -2[-]; β= 0,3333 m/rad; xrms=1,29 mm; xprms=8,66mrad; e_time = 0,156 s Spatial views of charged particle beam trajectory; from left to right in first row: z-y plane, z-x plane and in second row: y-x plane, 3D graph; bo = 17; 21293 T

7. Manipulace a transport iontových paprsků řízených laserem Aplikace Hadronová terapie

8. ELIMED A maximizes the transmission efficiency (> 50%), but its disadvantage is the high energy spread (> 50%). B maximizes the energy spread of the pre-section beams (< 40%), but its disadvantage is the low transmission efficiency (< 30%).

9. Studium divergence generovaných iontových svazků při interakci ultraintenzivních laserových impulsů (fs) s terči a velmi tenkými fóliemi Terče – spolupráce s KFE, FJFI ČVUT Aparát: PIC EPOCH kód Cíl: navrhnout možnosti pro snížení divergence urychlovaných iontových svazků Výzkumný úkol Omezení úhlového rozptylu iontových svazků řízených laserem během jejich urychlování a transportu

10. Vlasovova rovnice x PIC kód • PIC se používá pro zkoumání interakce fs laserového pulsu s ionizovanými terči • Plasma interagující s ultrakrátkým intenzivním laserovým pulsem obvykle není v termální rovnováze > vylučeje hydrodynamický popis > kinetický popis složitý > PIC

11. 4-krokové Particle-in-cell schéma

12. Získáváme proměnné pozice a rychlosti z druhého Newtonova zákona (vyjádření Lorentzovy síly) Pro lepší přesnost používáme Leap-frog metodu (tj. Proměnná x je „vyčíslena“ v čase nΔt, v v čase (n+1/2)Δt (podobně el. a mag. pole) Novou souřadnici pozice v časové vrstvě (n+1), nová souřadnice rychlosti .. – např. Boris method PIC – 1. integrace rovnic pohybu

13. Musí být splněna rovnice kontinuity Ze známých x,v určíme hustotu náboje a proudu ve vrcholech mříže, v těch pak budeme znát zdrojové Maxwellovy členy. Částice tzv. „váhujeme“ do vrcholů. 1.řád – částice se rozdělí na 4 části z nichž každá je připsána jednomu vrcholu buňky v poměru protilehlých ploch. PIC – 2. váhování hustot a nábojů

14. Zigzag schéma, interpolace 1. řádu PIC – 2. váhování hustot a nábojů

15. Musí být splněna Courantova podmínka, kdy žádná částice se za jeden krok nesmí pohnout více než o jednu délku buňky. Nakonec obdržíme hustoty náboje v 8mi uzlech sítě:kde F značí charge flux a W je tzv. shape-factor (ten se může lišit podle řádu interpolace, tady odpovídá lineární váhovací funkci) PIC – 2. váhování hustot a nábojů

16. Známe zdrojové členy Maxwellových rovnic, chceme získat hodnotu magnetického a elektrického pole v uzlech sítě. Např. Pro transmagnetický případ(žádné B ve směru propagace (x,y),tj. Jediné nenul. je B_z) PIC – 3. Integrace polí

17. Váhujeme pole z uzlů do polohy částice. PIC – 4. Váhování polí

18. Simulační aparát • EPOCH kód (Warwick) 3D,2D,1D • – výpočetní infrastruktura a datová úložiště– umožňuje využití dostupných výpočetních zdrojů pro řešení velmi náročných výpočetních úloh, které jsou nad možnosti samotného pracoviště (př. mnoho částic)

19. Příprava úlohy

20. VisIt studio - .sdf databáze Simulační aparát

21. Nejčastěji používaným urychlovacím mech. je TNSA Poslední exp. – větší energie protonů a účinnost konverze energie je pro redukci tloušťky folie a laterálních dimenzí terče Jsou navrženy folie/terče umožňující lepší urychlování iontů (energie,počet) – Přední strana je pokryta mikroskopickoureliéfní sférou, kde opt. r výstupků je polovina λ laser. Pokrytí zadní strany – omezení divergence urychleného svazku a Závěrem: Terče

22. Terče • Omezení divergence svazku, zadní strana terče pokryta strukturou; srovnání pro dva částicové svazky (>30 MeV) s centrem mezi „hradbami“ a „na hradbě“ Figure 3 (a) Schematic of the foil target with the structure at the rear side (arrows denote focus center position in 2 different simulations); (b) angular distribution of protons accelerated to energy > 30 MeV.

23. Sources:Limpouch, Jirí, et al. "Laser ion acceleration: from present to intensities achievable at ELI-Beamlines." SPIE Optics+ Optoelectronics. International Society for Optics and Photonics, 2013.Andrea Macchi, Marco Borghesi, and Matteo Passoni. Ion acceleration by superintense laser-plasma interaction. arXiv preprint arXiv:1302.1775, 2013.Triumf Canada’s national laboratory for particle and nuclear physics. Proton therapy [online]. http://www.triumf.ca/node/1641, 2009. Accessed: 2013-05-26.Arlene Lennox. Hadron therapy for cancer treatment, seminar in Fermilab [online]. http://www bd.fnal.gov/ntf/reference/hadrontreat.pdf, 2003. Accessed: 2013-05-26.Harald Paganetti and Thomas Bortfeld. Proton Beam Radiotherapy - The state of the art. in: New Technologies in Radiation Oncology (Medical Radiology Series),(Eds.) W. Schlegel, T. Bortfeld and A.-L. Grosu, Springer Verlag, Heidelberg, ISBN, pages 3–540,2005.ProCure. The Healing Power of Protons [online]. http://www.procure.com/ ProtonTherapy.aspx, 2012. Accessed: 2013-05-26. Děkuji Vám za pozornost!