Denumirea Programului Nucleu: Cercetări avansate de laseri – plasmă – radiaţie – spaţiu

Acronim: LAPLAS V
Contractul nr.: 3N/2018
Denumirea obiectivului: „Cercetări avansate folosind laseri, plasmă şi radiaţii destinate domeniilor de specializare inteligentă şi de interes public”

Cercetări de frontieră privind interacția pulsurilor laser ultraintense cu ținte solide

Codul proiectului: PN 18 13 01 03
Director de proiect: Dr. MITU Bogdana

1. Obiectivul proiectului:
Proiectul își propune ca prin cercetările derulate să contribuie la creșterea nivelului cercetării fundamentale, aplicative și tehnologice în domeniul interacției materiei cu câmpurile electromagnetice ultraintense, prin intermediul următoarelor obiective specifice de natură științifică:

• OS1. Dezvoltarea de metode și proceduri de automatizare, control și protecție pentru operarea în condiții optimizate a infrastructurii laser PW- CETAL
• OS2. Studii teoretice și simulări numerice ale dinamicii plasmelor cuantice de tip electron-pozitron-ion generate în urma interacției radiației laser cu materia
• OS3. Obținerea și caracterizarea fasciculelor de particule încărcate prin iradierea țintelor solide cu pulsuri laser de putere extremă

2. Rezultate preconizate pentru atingerea obiectivului sunt grupate astfel:

• A) Rezultate științifice, care au ca efect avansul științei în domeniul interacției radiației laser cu ținte solide și vor conduce la diseminarea anuală prin publicarea a 30 articole în reviste indexate ISI și printr-un număr estimat de 50 prezentări la conferințe cu participare internațională.
• B) Rezultate tehnologice, ce pot fi cuantificate prin elaborarea de 3 noi proceduri și 2 tehnici de măsură, la realizarea a 3 sisteme și 2 dispozitive. În acest context se preconizează cel puțin 2 aplicații OSIM de brevete naționale.

3. Schema de realizare a proiectului:

• Etapa I
• Etapa a IV-a

Etapa I

Faza nr. 1

Responsabil: Dr. A. Achim

Termen de predare: 15.04.2018

Titlu: „Sisteme de automatizare destinate controlulului drumului optic prin amplificatoare ale laserului PW CETAL”

Rezumat: Obiectivele propuse pentru aceasta faza au fost indeplinite integral prin dezvoltarea si implementarea unui montaj optic pentru testarea preliminara a sistemului de corecție a fasciculului si dezvoltarea programelor dedicate pentru achiziție de imagine, prelucrarea informației si controlul elementelor active de control al fascicolului(motoarele de la monturile oglinzilor). Aceasta faza va avea ca finalitate implementarea sistemului de corectie dezvoltat descris in acest raport de faza in trei puncte sensibile ale lantului de amplificare in sistemul laser CETAL-PW. Demonstrarea functionalitatii acestuia va fi confirmata printr-o lucrare stiintifica in curs de elaborare avand ca subiect studiul modului in care influenteaza parametrii de iesire ai fasciculului compensarea continua pe intervale lungi de timp a deviatiilor spatiale a fasciculului prin sistemele complexe de amplificatoare laser din cadrul sistemelor laser multi-terawat.

Faza nr. 2

Responsabil: Dr. V. Craciun

Termen de predare: 15.06.2018

Titlu: „Studiul defectelor structurale induse in filme subtiri de pulsuri laser super-intense”

Rezumat: In cadrul acestei faze am investigat depunerea de filme de oxizi utilizati pentru oglinzile laser cum sunt HfO₂ si ZrO₂. Pentru depunerea lor am utilizat tehnica ablatie laser pulsata (PLD) utilizand instalatia din laborator care are un laser cu ArF ce emite pulsuri de ~25 ns la o lungime de unda de 193 nm. Utilizarea unei lungimi de unda in domeniul UV prezinta un avantaj major pentru ablatia laser a acestor materiale care au largimea benzii interzise mai mare de 5 eV. Filmele au fost depuse pe substraturi de (100) Si sau quartz sintetic plasate pe un port-substrat ce putea fi incalzit pana la 800 ºC. Pentru studii comparative ale efectelor iradierii cu laseri cu pulsuri ultra-scurte s-au folosit si filme depuse prin pulverizarea de radiofrecventa asistata cu magnetron si ALD (atomic layer deposition, depunere de monostraturi atomice). Obiectivele urmarite au fost i) obtinerea de filme de calitate optica inalta, mai ales prin tehnica PLD; ii) obținerea de filme cu diverse structuri cristaline, morfologie a suprafetei, densitate si stoichiometrie pentru iii) înțelegerea mecanismelor prin care apar defecte structurale in urma iradierii laser de foarte mare putere. Tehnicile de investigație utilizate au fost difracția de raze X la incidenta razanta (GIXRD), reflectivitatea speculara si difuza a radiatiei X (XRR, XRDR), spectrometria particulelor retro-împrăștiate Rutherford (RBS), spectroscopia fotoelectronilor excitați cu radiație X (XPS), spectrofotometrie optica. Filmele au fost supuse testelor de iradiere cu 50-100 pulsuri laser de ordinul a 25 fs la fluente sub cele de prag de distrugere in Laboratorul LP3 al Universitatii din Marsilia (sistemul ASUR). Investigatiile structurale si compozitionale nu au evidentia modificari structurale sau stoichiometrice in filmele iradiate laser. Teste preliminare au evidentiat ca iradierea laser induce modificari in sistemul electronic al materialelor optice. Aceste efecte vor fi investigate impreuna cu colegii din Franta in cadrul unui proiect Laserlab ce a fost recent castigat.

Faza nr. 3

Responsabil: Dr. M. Ganciu

Termen de predare: 15.06.2018

Titlu: „Descarcari filamentare in pulsuri ultrascurte pentru simularea impulsurilor electromagnetice specifice interactiei radiatiei laser de mare putere cu materia”

Rezumat: In cadrul acestei faze ne-am propus realizarea si caracterizarea unei descarcari filamentare care sa simuleze impulsurile electromagnetice specifice interactiei radiatiei laser de mare putere cu materia la o scara convenabila ca sa studiem atat efectul asupra unor componente electronice cat si noi metode de protectie. Descarcarea filamentara prezentata in aceasta faza este realizata intr-o structura de tip spark-gap si este declansata de o plasma generata prin focalizarea unui laser, in spatiul dintre doi electrozi sferici, polarizati la o tensiune mai mica decat cea de autostrapungere utilizandu-se un puls laser generat de un sistem compact dezvoltat in INFLPR „bujia laser”. A fost monitorizat pulsul electromagnetic asociat descarcarii pulsate. Noutatea majora a acestor rezultate experimentale este legata de stabilirea unor regimuri de descarcare, in care descarcarea trece prin punctul de focalizare si duce la aparitia sincrona a unui puls electromagnetic generat in urma interactiei dintre “plasmonul” format prin focalizare laser si campul electric in care este imersat.

Faza nr. 4

Responsabil: Dr. S. Ion

Termen de predare: 15.07.2018

Titlu: „Tinte autostructurate 2D de tip opal/ invers opal pentru generarea de fascicule intense de electroni/protoni prin iradierea lor cu fascicule laser de mare putere”

Rezumat: In ultimii ani, au fost depuse eforturi considerabile pentru dezvoltarea de surse de ioni accelerati cu laserul astfel incit sa se poata folosi in oncologie ionică, sau radiografia protonică. Fenomenul consta in generarea si acecelerarea de protoni prin iradierea cu un fascicul laser intens (I ≥1019 Wcm^-2) a unei folii metalice (d < 20 µm) care are depusa pe una din suprafete un material bogat in H₂. S-a remarcat experimental faptul ca iradierea unor tinte nanostructurate duce la obtinerea unor campuri de protoni mai intense si mai omogene. In cadrul fazei am fabricat astfel de tinte nanostructurate folosind drept substrat folii de Al (d = 10 µm) pe care au fost crescute retele hexagonale de Na₂SiO₃ gel, care contine o mare cantitate de H₂O (c = 35 % wt.). Grosimea acestor retele este de (G = 400 nm) si se intinde pe o suprafata de (S = 100 mm²).

Etapa a IV-a

Faza nr. 5

Responsabil: Dr. F. Spineanu

Termen de predare: 10.12.2018

Titlu: „Modele semiclasice pentru studiul turbulentei in plasme cuantice generate în urma interacției radiatiei laser cu materia”

Rezumat: Plasmele cuantice au devin un subiect de interes al ultimilor ani datorita prezentei lor intr-o multitudine de sisteme : electroni in metale, plasme de fuziune confinata, plasme electron-pozitron-ion generate de interactia laser cu materia, sisteme astrofize, etc. Principalele abordari teoretice asupra dinamicii unei plasme cuantice sunt sistemul Wigner-Maxwell si forma sa hidrodinamica, Quantum Magneto-Hydrodynamic Model (QHM). Cel din urma poate fi reformulat, pentru un camp de viteze irotational, intr-o ecuatie de tip Schrodinger neliniara (cuplata cu o ecuatie Poisson), cu ajutorul careia se poate studia in mod elegant turbulenta intr-o plasma cuantica. Una din patologiile QHM-ului, survine din lipsa unei forme functionale de densitate pentru tensorului presiune cinetica. In contextul aproximatiilor existente, modelul este incapabil sa surprinda corect fenomene dinamice chiar si in cazuri simple, precum propagarea unei unde longitudinale electrostatice in regim liniar intr-o plasma cuantica
A. Propunem incluziunea componentei rotationale a campului de viteze asociat unei plasme cuantice in sistemul Schrodinger-Poisson si extinderea acestuia catre un sistem de tip Schrodinger-Poisson-Inductie. In cadrul acestei formulari se investigheaza numeric turbulenta 2D, cu accent pe existenta unei duble cascade inverse: pentru vorticitate si pentru potentialul electrostatic.
B. Se propune o noua aproximatie ca functionala de densitate a tensorul presiune cinetica din cadrul QHM-ului, derivata pe baza rezultatelor cinetice (considerate exacte). Noua aproximatie este testata in mod extensiv si comparata cu aproximatiile existente in literatura oferind rezultate net superioare cantitativ.

Faza nr. 6

Responsabil: Dr. C. Ticos/Dr. M. Mitu

Termen de predare: 10.12.2018

Titlu: „Dozimetrie complementara a unui fascicol de electroni relativisti: RCF, LANEX, FARADAY CUP, CALORIMETRU partial etapa I”

Rezumat: In aceasta faza au fost prezentate cateva metode de dozimetrie a unui fascicul de electroni de energie 6 MeV. Metodele clasice precum cea chimica (Fricke) si cea bazata pe calorimetrie (calorimetru din grafit) sunt aplicate in mod curent pentru timpi de iradiere relativ lungi de ordinul minutelor si pentru doze de la cativa Gy pana la cativa kGy. Pentru iradieri scurte de ordinul secundelor sau de tipul puls cu puls demonstram utilizarea ecranelor de tip RCF si LANEX fast screen sau direct a sondei de tip Faraday cup, la fluente ale fascicului de electroni in domeniul 108-1010 el/cm2 per puls. Aceste ultime metode pot fi aplicate cu success la fascicule de electroni produse de laseri ultraintensi in tinte gazoase sau solide, cu pulsuri ultrascurte.