Denumirea Programului Nucleu: Cercetări avansate de laseri – plasmă – radiaţie – spaţiu
Acronim: LAPLAS IV
Contractul nr.: 4N/2016
Denumirea obiectivului: „Cercetări avansate folosind laseri, plasmă şi radiaţii destinate domeniilor de specializare inteligentă şi de interes public”
Titlul proiectului: „Cercetări avansate asupra materiei aflată în condiţii extreme”
Proiect 1: PN 16 47 01 01
Director de proiect: Dr. MITU Bogdana
Obiectivul proiectului:
Proiectul îşi propune să abordeze cercetări avansate de fizică având ca principal obiectiv studiul fenomenelor de interacţie între materia aflată în toate stările de agregare şi câmpurile electromagnetice ultraintense aplicate simultan cu temperaturi extreme şi/sau iradieri cu particule încărcate. Ca obiectiv subsidiar se ţinteste de asemenea, rezolvarea unor aspecte tehnologice esenţiale legate de utilizarea radiaţiei extreme. Sub umbrela acestui obiectiv principal intră următoarele tematici de cercetare:
- Diagnostica complexă a pulsurilor laser ultraintense şi protecţia la pulsuri electromagnetice extreme
- Producerea de particule relativiste în urma interacţiunii radiaţiei laser de intensitate foarte mare cu ţinte aflate în vid
- Tratarea teoretică şi simularea numerică a filamentării şi a formării de armonice înalte la interacţiunea radiaţiei laser de scurtă durată şi intensitate foarte înaltă cu plasma
- Materiale şi procese fizice pentru noi surse şi dispozitive fotonice
- Realizarea, testarea şi mentenanţa componentelor optice şi a materialelor dedicate funcţionării în condiţii extreme (radiaţii ultraintense laser sau spaţiale, reactoare de fuziune)
Rezultate preconizate pentru atingerea obiectivului se pot grupa în funcție de specificul lor în mai multe categorii, și anume:
- Rezultate științifice, care prezintă potențial de publicare și vor conduce la diseminarea anuală prin publicarea a 10 (zece) articole/an în reviste indexate ISI și prin 5 (cinci) prezentări la conferințe cu participare internațională/an.
- Rezultate tehnologice, care vor conduce la elaborarea de 3 noi proceduri și 2 tehnici de măsură, la realizarea a 3 sisteme și 4 dispozitive, precum și la obținerea de 4 noi tipuri de produse. Soluțiile inovative vor fi brevetate prin 5 (cinci) cereri de brevete naționale și 1 (un) brevet internațional și vor deschide colaborări cu cel putin 2 (două) companii din clusterul MHTC.
- Rezultate în domeniul resurselor umane prin menținerea a cel puțin 100 de locuri de muncă cu normă întreagă în cercetare și generarea altor 5 noi locuri de muncă, precum și finalizarea lucrării de doctorat cu tematică în domeniul proiectului de către cel puțin 4 (patru) tineri.
- Rezultate cu efecte economice prin elaborarea de 10 (zece) propuneri de proiecte de cercetare fundamentală și aplicativă pană la finalizarea proiectului, și respectiv solicitări de asistență tehnică și servicii anual.
Raport final Proiect PN 16 47 01 01
Etapa 1 – P1 2016
Faza nr. 1
Responsabil: Dr. O. BUDRIGĂ
Termen de predare: 13.05.2016
Title: „Sistem și procedură pentru caracterizarea profilului temporal al pulsurilor ultraintense în proximitatea incintei de interacție. Măsurători de energie și calibrarea sistemului de transport până la locul interacției”
Abstract: Raportul pentru această fază are un caracter preliminar pentru atingerea obiectivului principal în cadrul temei principale din cadrul proiectului, care propune realizarea unui sistem complex de caracterizare a pulsurilor de mare intensitate la nivelul incintei de interacție. Activitățile desfășurate pentru acest proiect au fost orientate pe câteva direcții principale având ca scop îndeplinirea obiectivelor asumate. Rezultatele obținute până în prezent au rolul de a contribui la identificarea componentelor principale din lanțul de amplificare a sistemului laser Petawatt cu rol important pentru controlul profilului temporal al pulsurilor, care ajung în incinta de interacție. Realizarea unui sistem opto-electronic specific caracterizării complexe a parametrilor pulsurilor laser de intensitate extremă necesită în prealabil un nivel ridicat de experiență în utilizarea dispozitivelor specifice de măsurare, profil temporal, energie, componentă spectrală și de elaborare a unor proceduri pentru integrarea acestor dispozitive în sistemul actual al laserului de la CETAL.
Faza nr. 2
Responsabil: Dr. G. DINESCU/ Dr. C. STANCU
Termen de predare: 13.05.2016
Title: „Realizarea de surse de plasmă adecvate atacului selectiv al stratului contaminant în condiţii de bombardament ionic redus şi de sisteme aplicabile tratamentului localizat sau pe suprafeţe mari”
Abstract: Au fost proiectate şi realizate două tipuri de surse de plasmă: o sursă de plasmă cu electrozi circulari exteriori şi o sursă de plasmă cu electrod de putere central. Ideile de bază care au stat la proiectarea şi ulterior la realizarea surselor de plasmă au fost următoarele: i) conceperea unor sisteme experimentale bazate pe plasmă având geometrie similară la nivelul suprafeţelor ce urmează a fi curăţate; ii) evitarea contactului plasmei cu suprafeţe metalice (electrozi sau pereţi ai incintei) pentru a evita riscul contaminării suprafeţelor de curăţat în urma proceselor de pulverizare ce pot apărea din cauza metalelor; iii) funcţionarea surselor de plasmă în regim de bombardament ionic scăzut pentru a evita riscul deteriorării calităţilor optice ale suprafeţelor ce urmează a fi curăţate.
Faza nr. 3
Responsabil: Dr. M. GANCIU
Termen de predare: 15.07.2016
Title: „Dezvoltarea, testarea şi calibrarea de sisteme de diagnostică a pulsurilor electromagnetice intense asociate interacţiei pulsului laser cu ţinta”
Abstract: Dezvoltarea, testarea şi calibrarea sistemelor de diagnostică a pulsurilor electromagnetice intense asociate interacţiei pulsului laser cu diferite tipuri de ţinte necesită realizarea unor simulatoare de pulsuri electromagnetice cu caracteristici cât mai apropiate sau care permit scalarea în intensitate păstrând aceleaşi caracteristici temporale. Raportăm realizarea unui astfel de sistem prin utilizarea unei descărcări filamentare în flux de azot la presiune atmosferică şi cu viteze de ordinul zecilor de m/s, optimizat pentru frecvenţe de repetiţie de ordinul a 30 KHz şi care permit obţinerea unor pulsuri electromagnetice cu timpi de creştere < 1ns şi durate de ordinul 5-10 ns în funcţie de geometria de descărcare. Tesiunea comutată este 3-8 KV funcţie de geometria electrozilor şi presiunea gazului la o viteză optimizată pentru maximum de supratensiune aplicată pe electrozii între care se realizează descărcarea filamentară. Capacitatea între electrozi în momentul descărcării este de ordinul a 10 pF. S-au testat atât sonde cu cuplaj capacitiv cât şi cu cuplaj inductiv. Dispozitivul este compact, transportabil şi poate fi cu uşurinţă montat în camera de interacţie a radiatiei laser, cu puteri de ordinul PW, cu diferite tipuri de ţinte. Frecvenţa mare de repetiţie permite măsurări precise, chiar şi în afara camerei de reacţie unde semnalul poate fi mult atenuat, permiţând optimizări ale ecranărilor sistemelor de diagnostică, comandă şi control la pulsurile electromagnetice intense asociate interacţiei radiaţiei laser de foarte mare putere cu materia. Aceste optimizări, făcându-se la nivele scăzute ale pulsurilor de test, nu afectează funcţionarea în parametri a sistemelor testate.
Faza nr. 4
Responsabil: Dr. F. SPINEANU
Termen de predare: 15.07.2016
Title: „Filamentarea în propagare a pulsului unui laser de mare putere”
Abstract: Propagarea unei raze laser de mare putere prin medii cu polarizare neliniară are multe aplicaţii practice. Procesele care sunt implicate se află la limita concentrării cuasi-singulare a intensităţii, iar instabilitatea modulaţională transversală, saturarea şi efectul de defocalizare produse de plasma generată prin ionizare în avalanşă şi prin ionizare multi-fotonică (MPI) se suprapun pentru a produce o structură spaţială neregulată cu aspect random. Aceasta este turbulenţa optică. Studiile precedente complementare experimentului au fost realizate prin simulare numerică. Prima noastră contribuţie a constat în identificarea mecanismului aflat la originea structurii de câmp practic aleator ca dinamică “activator-inhibitor”. Metoda utilizată a recurs la baza analitică comună a celor două probleme: ecuaţia Ginzburg Landau complexă, descrie deopotrivă perturbarea ecuaţiei “nonlinear Schrodinger” cât şi reacţie-difuzie (inclusiv activator-inhibitor). Investigaţia raportată în prezenta lucrare merge mult mai departe. Mai întâi, relevăm natura exact-integrabilă a auto-focalizării în propagare (“gaz Chaplygin cu exponent politropic anormal”). Apoi extindem modelul pentru intensitate pe baza includerii unor cerinţe fizice transparente: separarea printr-o barieră de potenţial a celor două echilibre ale intensităţii, forţarea externă prin competiţia dintre Kerr şi defocalizarea indusă de plasmă. Prezentăm structura variaţională şi, adoptând modelul dezvoltat pentru instabilitatea labyrinth de către Goldstein, calculăm lărgimea la saturare a unei ramuri din clusterul de mare intensitate. Comparaţia cu datele experimentale este favorabilă şi ne inspiră extinderea descrierii analitice elaborate.
Faza nr. 5
Responsabil: Dr. T. DASCĂLU
Termen de predare: 03.08.2016
Title: „Studiul parametrilor fizici și tehnologici care determină realizarea ceramicilor transparente dopate cu ioni de pământuri rare”
Abstract: Au fost obținute prin reacție în fază solidă compoziții ceramice policristaline pe bază de granat de ytriu și aluminiu dopate cu ioni de Nd3+, NdxY3-xAl5O12 (x= 0.5; 1.0 și 1.5-at.%) utilizând pulberi nanometrice de Al2O3, Y2O3 și Nd2O3 de puritate ridicată. Materiile prime au fost cântărite în raport stoechiometric și omogenizate în alcool etilic absolut timp de 24 ore. Ca ajutor la sinterizare s-au adăugat 0.5-wt.% TEOS combinat cu 0.1-wt.% MgO, cu scopul de a obține un grad de densificare ridicat al probelor ceramice prin reducerea porozității reziduale (inter- și intragranulară). Ca aditiv antiaglomerant s-a utilizat polietilenglicol (PEG400) în proporție de 0.3-wt.%, acesta fiind adăugat în ultimele 2 ore rămase din procesul total de omogenizare a amestecului de materii prime. Suspensiile omogene au fost șpreiate utilizând tehnica “Spray Drying” în atmosferă de azot cu ajutorul unei instalații de tip BUCHI B-290 cu buclă inertă B-295. Pulberile șpreiate aferente compozițiilor (0.5-at.% Nd:YAG, 1.0-at.% Nd:YAG și 1.5-at.% Nd:YAG) s-au fasonat sub formă de pastile cu diametre de 12 mm și grosimi de aprox. 1.5 mm prin presare uniaxială, la o presiune de 10 MPa. Ulterior, acestea au fost presate și izostatic la rece utilizând tehnica “Cold Isostatic Press – CIP” la o presiune de 245 MPa timp de 20 minute. Corpurile ceramice compactate au fost supuse unui tratament termic de calcinare în aer timp de 6 ore la temperatura de 800oC cu scopul de a elimina partea organică a aditivilor utilizați. Tratamentul termic de sinterizare/densificare a corpurilor ceramice calcinate s-a realizat la temperaturi cuprinse între 1730oC – 1760oC în vid (4-10-6 mbar) timp de 12 ore. Pentru re-oxidarea speciilor chimice reduse în timpul tratamentului termic de sinterizare în vid, probele ceramice au fost supuse unui tratament termic de recoacere ”annealing” în aer timp de 10 ore la temperatura de 1450oC.
S-a studiat influența temperaturii de sinterizare asupra proprietăților structurale, microstructurale și optice a probelor ceramice obținute. Din punct de vedere structural analizele de difracție a razelor X (XRD) aferente compozițiilor ceramice de NdxY3-xAl5O12 (x= 0.5; 1.0 și 1.5-at.%), sinterizate la temperaturile 1730oC și 1740oC / 12 h, au evidențiat pe lângă faza majoritară cubică de YAG (ICDD 01-079-1891) și o fază secundară cu structură ortorombică de tip YAlO3 (YAP – ICDD 04-002-0534). La temperaturi de tratament termic mai mari (1750oC, 1760oC / 12 ore), seturile de probe ceramice prezintă maxime de difracție corespunzătoare fazei unice de granat de ytriu și aluminiu Y3Al5O12 (YAG – ICDD 01-079-1891), cu simetrie cubică (grup spațial Ia3d).
Din punct de vedere morfostructural, micrografiile SEM aferente seturilor de probe ceramice (0.5-at.% Nd:YAG, 1.0-at.% Nd:YAG și 1.5-at.% Nd:YAG) sinterizate la temperaturi mai mici de 1750oC, prezintă un grad ridicat de porozitate inter- și intragranulară. Gradul de densificare al corpurilor ceramice crește odată cu creșterea temperaturii de sinterizare la 1760oC, dimensiunile granulelor atingând valori de până la 14 μm.
Proprietățile optice (investigate prin tehnici de spectroscopie optică), se îmbunătățesc odată cu creșterea temperaturii de sinterizare. Cea mai ridicată transmisie (împrăștierea cea mai redusă) a fost obținută în cazul probei ceramice 1.0-at.% Nd:YAG supusă tratamentului termic de sinterizare timp de 12 ore la 1760oC.
Etapa 2 – P1 2016
Faza nr. 6
Responsabil: Dr. F. JIPA
Termen de predare: 15.10.2016
Title: „Realizarea de suporţi de tip matrice pentru micro-ţinte”
Abstract: In cadrul acestui raport de activitate este prezentat un procedeu de fabricare a unui suport ce permite fabricarea de structuri micrometrice cu geometrie 3D (micro-ţinte) pe suprafaţa foliilor subţiri (aluminiu) folosite la generarea de particule accelerate în urma interacţiei cu pulsuri laser ultra intense. Suportul, cu o lăţime de 1” şi o lungime de 2”, este compus din două plăci perforate cu găuri de diametre diferite. Folia este introdusă între cele două plăci, iar prin folosirea unor conectori de prindere se realizează fixarea acesteia. Găurile realizate în suport, dispuse identic, au permis plasarea materialului fotorezist direct pe suprafaţa foliei de aluminiu unde s-au fabricat micro-structuri 3D de tip con (ţinte) prin scriere directă cu laserul femtosecunde în materiale de tip fotorezist. Structurile fabricate pe suprafaţa foliei (conurile) au înălţimea şi baza mare de 100 µm şi sunt orientate cu vârful în contact cu folia de aluminiu. Metoda dezvoltată în cadrul acestui raport de activitate ştiinţifică este în curs de brevetare la Oficiul de Stat pentru Invenţii şi Mărci.
Faza nr. 7
Responsabil: Dr. Sandu ION
Termen de predare: 15.10.2016
Title: „Studiul relaţiei dintre autoasamblarea unor nanomateriale şi constrângerile geometrice impuse acestora”
Abstract: Prin depunerea unor picături sau filme lichide care conţin nano-obiecte pe un substrat şi evaporarea solventului, am observat că arhitectura picăturii sau a filmului lichid poate influenţa dramatic calitatea monostratului de nano-obiecte auto-asamblate. Am descoperit că o picătură coloidală constrânsă geometric să fie plată (de către un eşafodaj extern) îşi ordonează particulele în benzi monostrat fără dislocaţii. Această calitate le face potrivite să fie folosite ca dispozitive în fenomenele de tip difracţie Bragg sau ca măşti litografice. În timpul experimentelor am studiat influenţa unor parametri precum: natura substratului (polimer, sticlă, metal, siliciu), rugozitatea substratului, natura solventului (apă, etanol), înclinarea substratului, rolul unor substanţe stabilizante (Triton), natura nanoobiectelor (Fe2O3, TiO2, SnO2, C, nanosfere de polistiren) dimensiunea nanoparticulelor, dimensiunea nanosferelor (0.7 – 20 μm), natura, dimensiunea şi arhitectura eşafodajului (fire de Cu, oţel şi polimer cu diametre variind între 100 – 2000 μm), temperatura substratului, temperatura mediului extern şi a umidităţii aerului (40 – 90 %). Cele mai bune rezultate au fost obţinute pentru nanosfere de polistiren, d = 0.7 μm, în apă şi Triton ca agent stabilizator, concentraţie mică a nanosferelor (c = 0.1 %), fire paralele de Cu distanţate la 1 mm). Suprafaţa benzilor rezultate a fost de 50 x 25000 μm. Am studiat cristalizarea (din soluţii apoase) a unor săruri ionice (K2CrO4), care are loc sub formă de reţele mono-cristaline (interspaţiere 5 – 20 μm) atunci când soluţiile lor diluate (c < 1 % wt.) sunt evaporate ca filme subţiri (d = 2 μm, constrângere geometrică) pe plita încinsă (T = 300 – 500 0C). În schimb, nu am identificat nicio diferenţă în statică, evaporarea şi cristalizarea unor picături depuse pe substrat plan ”infinit” şi pe suprafaţa superioară a unor stâlpi cilindrici. Rezultatele obţinute în studiul influenţei constrângerii geometrice asupra fenomenului de auto-asamblare ar putea duce la fabricarea unor dispozitive performante şi totusi ieftine.
Faza nr. 8
Responsabil: Dr. F. SPINEANU
Termen de predare: 9.12.2016
Title: „Modelarea teoretică a surselor de radiaţii X coerente pentru obţinerea pulsurilor cu durata de câteva zeci femtosesunde şi lungime de undă de ordinul angstromilor”
Abstract: Demonstrarea relativ recentă a efectului laser la lungimi de undă de ordinul nanometrilor (N. Rohringer et al., Nature (London) 481, 2012) şi al angstromilor (H. Yoneda et al., Nature 524, 2015) permite propunerea de noi experimente pentru studiul proceselor de împrăştiere neliniară de tip foton-electron (C. Weninger et al., Phys.Rev.Lett. 111, 2013), observarea dinamicii electronilor şi extinderea domeniului energetic de diagnosticare a plasmei în condiţii extreme (diagnosticarea plasmei de fuziune, a plasmei de astrofizică şi a plasmelor produse cu ajutorul laserului în laborator). Investigarea tranziţiilor fine aparţinând ionilor grei, şi foarte grei, într-o plasmă puternic ionizată se realizează prin interacţiunea dintre aceste particule accelerate relativist şi radiaţii X coerente cu lungimi de undă cât mai scurte. Laserul X cu electroni liberi (XFEL) joacă un rol cheie la linia de demarcaţie între fizica atomică şi fizica nucleară oferind oportunităţi pentru crearea de noi surse de lumină de frecvenţă înaltă (lungime de undă foarte mică).
În lucrarea de faţă utilizăm formalismului Maxwell-Bloch generalizat (C. Weninger and N. Rohringer, PRA 90, 2014) pentru a simula amplificarea radiaţiei într-o coloană de plasmă obţinută prin ionizarea gazului de neon cu radiaţia XFEL conform experimentului publicat în 2012. Emisia spontană este modelată cu ajutorul unui termen stochastic a cărui funcţie de corelaţie reproduce forma Lorentziană caracteristică acestui fenomen. Simularea numerică a procesului de amplificare permite monitorizarea spaţială şi temporală a inversiei de populaţie, a câştigului, a caracteristicilor pulsului laser rezultat (profil temporal, fluenţă, durată, lărgime de bandă) şi a atenuării radiaţiei de pompaj în lungul propagării ei prin mediul lasant.
Faza nr. 9
Responsabil: Dr. C. TICOŞ
Termen de predare: 9.12.2016
Title: „Regimuri de accelerare a electronilor în plasma creată de un laser hiperintens”
Abstract: Regimurile de accelerare a electronilor în plasma produsă de un laser hiperintens diferă în funcţie de parametrii plasmei şi durata pulsului laser. Au fost identificate şi evaluate numeric diferite regimuri de accelerare a electronilor, prin evidenţierea principalelor caracteristici şi a condiţiilor de realizare. Eficienţa procesului de accelerare a electronilor este determinată prin investigarea numerică a lungimii de accelerare şi a câstigului de energie specifice fiecărui regim.
Principalele caracteristici ale fasciculului de electroni acceleraţi precum distribuţia energetică, distribuţia unghiulară la devierea în câmp magnetic în funcţie de distribuţia spaţială şi energetică iniţială a fasciculului au putut fi determinate prin utilizarea unui spectrometru magnetic. A fost proiectat un spectrometru de electroni magnetic pentru a observa o gamă largă de energii (1-200 MeV) într-un singur puls, cu posibilitatea măsurării simultane a distribuţiei spectrale a fasciculului de electroni pe doi detectori amplasaţi în planuri diferite. Spectrometrul propus a fost investigat analitic şi numeric obţinându-se rezultate preliminare pentru realizarea setup-ului experimental.
Faza nr. 10
Responsabil: Dr. O. BUDRIGĂ
Termen de predare: 9.12.2016
Title: „Sistem și procedură pentru caracterizarea profilului spațial al pulsurilor ultraintense în zona de interacție. Măsurări de contrast la picosecundă și nanosecundă”
Abstract: Profilul temporal al intensităţii pulsurilor laser ultra-intense a fost măsurat în diferite configuraţii la nivelul camerei de interacţie folosind un autocorelator TUNDRA de ordinul al treilea. Acest tip de măsurare este o metodă de a evalua contrastul intensităţii la scala de timp de picosecundă. Pentru a evalua contrastul intensităţii la scala de timp de nanosecundă a fost implementată o metodă specială, care foloseşte o fotodiodă rapidă cuplată cu un osciloscop. Un alt parametru important al fasciculului laser, pe care l-am măsurat, este profilul spaţial al intensităţii. O metodă de control al focusabilităţii fasciculului la nivelul camerei de interacţie a fost dezvoltată la sistemul laser CETAL-PW. În acest scop folosim un software, care face o buclă de control al sistemului, care constă dintr-o oglindă deformabilă şi un senzor Shack Hartmann pentru a compensa erorile frontului de undă introduse de către componentele optice.
Etapa 1 – P1 2017
Faza nr. 11
Responsabil: Dr. T. DASCĂLU
Termen de predare: 15.03.2017
Title: „Configurarea fascicolelor laser ultraintense Airy-Bessel pentru generarea de radiaţie THz cu energie mare”
Rezumat: Sursele de radiaţie THz de bandă largă şi energie mare se împart în două categorii: surse bazate pe laseri şi surse bazate pe acceleratoare de particule. Cel mai des folosite sunt sursele care utilizează radiaţia laser deoarece sursele bazate pe acceleratoare de particule fac parte din facilităţi mari şi sunt greu de accesat. De regulă, fasciculele laser utilizate în emisia pulsurilor THz cu energie mare, fie că sunt generate prin filamentarea în diferite medii, fie prin fenomenul de rectificare optică în cristale neliniare, sunt de tip Gaussian. Utilizarea altor tipuri de fascicule ultraintense de tip Airy şi Bessel, ale căror proprietăţi sunt total diferite de cele ale fasciculului Gaussian, ajută la depăşirea limitărilor existente (cum ar fi energia maximă a pulsului THz obţinută prin focalizarea unui fascicul laser de tip Gaussian, aceasta fiind limitată de intensitatea fasciculului laser în interiorul filamentului). Studiul privind configurarea acestor fascicule permite controlul şi modelarea caracteristicilor radiaţiei THz.
În cadrul acestui studiu, s-au realizat simulări de propagare a razelor prin elemente optice privind obţinerea fasciculelor ultraintense Airy şi Bessel şi s-a dezvoltat un model teoretic pentru generarea radiaţiei THz prin rectificare optică în cristalul neliniar de niobat de litiu. Rezultatele experimentale, privind generarea fasciculului Bessel, au fost în conformitate cu modelările teoretice.
Faza nr. 12
Responsabil: Dr. C. DIPLAŞU
Termen de predare: 15.03.2017
Title: „Dezvoltarea, testarea şi calibrarea de sisteme de diagnostică aferente experimentelor de accelerare de particule la interacţia laser-plasmă”
Rezumat: Interacţia laserului de mare putere (PW) cu orice fel de ţintă creează condiţii extreme de existenţă a materiei, plasme ultradense în care se dezvoltă unde relativiste al căror principal rezultat este accelerarea de electroni şi apoi protoni sau ioni, până la energii comparabile cu cele obţinute în acceleratoarele clasice, dar pe distanţe mult mai mici (ordinul milimetrilor).
În acest context, în cadrul acestei faze, s-au implementat (realizat şi testat) metode specifice de diagnostică a fasciculelor de particule accelerate (electroni, protoni) la interacţia laser-plasmă. În realizarea practică a dispozitivelor experimentale de diagnostică s-a ţinut cont de configuraţia sistemului laser PW şi a incintei de interacţie de la CETAL.
Faza nr. 13
Responsabil: Dr. G. DINESCU
Termen de predare: 15.05.2017
Title: „Studii de diagnostică a plasmelor utilizate pentru mentenanţa componentelor optice şi evidentierea efectelor de modificare morfologică şi compoziţională produse asupra unor suprafeţe de test contaminate intenţionat”
Rezumat: Pentru a evidenţia efectele produse de plasmele de radiofrecvenţă generate la presiune joasă asupra suprafeţelor contaminate au fost depuse pe siliciu, ca straturi contaminante, filme subţiri de a-C:H. Suprafeţele acoperite cu a-C:H au fost expuse în plasme de radiofrecvenţă generate la presiuni joase în argon. Experimentele au urmărit testarea eficienţei de curăţare a două surse de plasmă diferite: sursa cu electrod central de putere şi sursa cu electrozi circulari exteriori.
Pe suprafeţele acoperite cu a-C:H au fost realizate măsurări de elipsometrie, profilometrie şi AFM atât înainte cât şi după expunerea lor în plasmă. Din măsurări rezultă faptul că suprafețele expuse în plasmă se curăţă în urma expunerii lor în plasmă, rugozitatea acestora scade şi reflectivitatea creşte. S-au obţinut rate de curăţare a straturilor de a-C:H cuprinse între 5,3*10-1 nm/min şi 1,46 nm/min în cazul sursei cu electrod de putere central şi între 0 si 2,16 nm/min în cazul sursei cu electrozi exteriori.
Faza nr. 14
Responsabil: Dr. M. GANCIU
Termen de predare: 15.05.2017
Title: „Caracterizarea şi studiul pulsurilor electromagnetice generate de laseri de foarte mare putere; identificarea de noi metode de ecranare şi de noi aplicaţii”
Rezumat: Interacţia laserilor de mare putere (PW) cu ţinte solide, pentru generarea şi accelerarea de particule încărcate, este însoţită de generarea de pulsuri electromagnetice de foarte mare amplitudine, într-o gamă de frecvenţă foarte largă, de la zeci de MHz până la zeci de GHz. Mecanismele de generare a acestor pulsuri electromagnetice gigantice (PEMG) nu sunt în totalitate cunoscute şi sunt asociate atât generării de curenţi electronici ultraintenşi pe durate foarte scurte (ps-ns), cât şi încărcării electrice a ţintelor şi suporturilor acestora la tensiuni de ordinul zecilor –sutelor de KV datorită expansiunii electronilor relativişti cu temperaturi de ordinul MeV-zeci de MeV.
În actuala fază raportăm optimizarea şi implementarea unui model experimental de generator de pulsuri electromagnetice pentru teste şi calibrări cu timp de creştere de ordinul sutelor de ps şi amplitudini de ordinul kV care a fost montat în camera de reacţie în locul ţintelor solide destinate experimentelor de interacţie laser de mare putere cu materia. S-au realizat antene optimizate pentru detecţia pulsului electromagnetic atât de la generatorul de test şi calibrare cât şi în urma interacţiei pulsului laser cu ţinte solide. S-au făcut determinări ale compoziţiei spectrale a pulsurilor astfel generate pentru a urmări un aspect relativ critic la instalaţiile laser de mare putere, legat de propagarea pulsurilor electromagnetice prin linia de transport dacă în spectrul acestora se găsesc frecvenţe mai mari decât frecvenţa critică a liniei de transport a fasciculului laser. S-au indicat câteva soluţii pentru reducerea efectului acestor PEMG-uri.
Etapa 2 – P1 2017
Faza nr. 15
Responsabil: Dr. F. Spineanu / (Dr. V. Stăncălie / Dr. C. Iorga)
Termen de predare: 14.08.2017
Title: „Procese atomice tranzitorii în plasme produse de pulsuri intense”
Rezumat: Ne propunem să studiem procese atomice tranzitorii şi plasma în parametrii de regim proprii materiei fierbinţi şi densă produsă la interacţiunea unui puls laser ultra scurt şi foarte intens. În particular studiem efecte ale câmpului intens asupra structurii electronice a unui ion. Aceste câmpuri intense sunt prezente în plasma de fuziune, în plasma de astrofizică şi în plasma laser. În acest din urmă caz, ele se pot produce pe două căi: (a) prin câmpul ne-ecranat al sarcinii ionului în plasmă, ceea ce produce efecte de cuplaj puternic cum sunt micşorarea continuumului, lărgimea liniei şi suprapunerea liniilor spectrale, sau (b) prin câmpul electromagnetic al unui laser intens, care conduce la formarea de linii satelit în jurul liniilor interzise de radiaţie X. Folosind metoda relativistă Dirac-Fock au fost efectuate studii detaliate pentru descrierea corecţiei la energia de ionizare a unui atom aflat în condiţii de câmp laser ultraintens, şi a lărgimii liniei X din seriile K, L, si M. Sunt prezentate rezultate obţinute în urma simulărilor numerice efectuate.
Faza nr. 16
Responsabil: Dr. F. Jipa/ Dr. M Zamfirescu
Termen de predare: 14.08.2017
Title: „Interacţia pulsurilor laser ultraintense cu micro-ţintele fabricate prin metode foto-litografice”
Rezumat: Obiectivul acestei fazei a fost dezvoltarea unei tehnici de fabricare de micro-structuri 3D cu diferite geometrii și mărimi în materiale fotosensibile pentru utilizare ca ținte în experimente de generare de fascicule de particule accelerate prin interacția cu laseri ultraintenși.
În această etapă a fost realizată fabricarea de micro-structuri cu diferite geometrii și mărimi în materiale fotosensibile. Fabricarea de ținte 3D s-a făcut prin tehnica litografiei laser 3D, cu ajutorul efectului de fotopolimerizare de doi fotoni și algoritmi de tip prototipare rapidă pentru stereolitografie. Pentru a ușura proiectarea și fabricarea structurilor 3D a fost realizat un cod în limbaj Python de generare a coordonatelor traiectoriei de scanare a fascicului laser în procesul de litografie 3D. Acest cod permite fabricarea de conuri cu diferite forme, conform simulărilor PIC. Din simulările numerice PIC rezultă o eficiență mărită de absorbție precum și o creștere a energiilor de accelerare în cazul conurilor cu pereți curbi. Au fost fabricate diferite tipuri de geometrii 3D precum ținte de formă conică, conuri cu pereți drepți sau pereți curbi, precum și tuburi capilare.
Rezultatele cercetărilor au fost prezentate la 4 conferințe internaționale, dintre care 2 prezentări poster și 2 lecții invitate, și au fost publicate într-o revistă cotată ISI.
Faza nr. 17
Responsabil: Dr. Sandu Ion
Termen de predare: 13.10.2017
Title: „Autoasamblarea unor nanomateriale prin ablaţia laser a unor picături depuse pe substrat”
Rezumat: Auto-asamblarea este un fenomen fizic care constă în organizarea autonomă a unor componente în tipare sau structuri ordonate fără intervenţia omului. Este de două feluri: a) cvasi-statică, unde procesul are loc la viteze foarte mici (a fost studiat în faza precedentă şi continuată parţial în faza actuală) şi b) dinamica, are loc departe de echilibru şi este studiat în faza actuală. Am găsit că dacă un film subţire, lichid al unor săruri ionice în apă este iradiat cu un laser pulsat, se obţine în anumite condiţii o serie de cercuri concentrice formate din monocristale ale sărurilor ionice dizolvate, pe care- le-am numit ‘ripples”-uri, în analogie cu ripplesurile formate prin iradierea unei suprafeţe solide cu laserul în fempto-secunde. Metoda de preparare este următoarea: Filme diluate (c = 0.01 − 1%wt.) din soluţii de NaCl sau K2CrO4 au fost formate pe lamele de sticlă prin intoducerea şi extragerea verticală a lamelelor din recipiente care conţin soluţiile. Filmele lichide acoperă complet suprafaţa lamelelor (2.5 × 5.0 cm) şi au o grosime d = 2.5 µm. Ţinute în poziţie orizontală, filmele lichide obţinute au fost iradiate cu un puls laser la un unghi de incidenţă cu orizontala. Experimente similare au fost realizate pe soluţii coloidale din nanosfere de silică şi polistiren de diferite dimensiuni. Analiza imaginilor de microscopie optică au arătat că: a) interspaţierea (perioada) ripplesurilor descreşte neliniar către o valoare constantă, apropiată de lungimea de undă laserului utilizat b) lăţimea unui ripples creşte cu creşterea unghiului de iradiere la fel ca în experimentele clasice LIPSS dar nu cu sin or cos ca la acestea. Informaţii pe larg pot fi găsite în articolul publicat de noi, „Ion Sandu, Iuliana Urzica, Ana Maria Niculescu, Claudiu Teodor Fleaca, Florian Dumitrache, Maria Badiceanu, Self-organisation of single-crystals as ripple patterns through laser ablation of ionic salt solutions, Applied Surface Science 417 (2017) 160–164.”
Faza nr. 18
Responsabil: Dr. C. Diplaşu
Termen de predare: 13.10.2017
Title: „Sistem de extragere a fasciculului de probă, integrat în incinta de interacție, pentru accesul la caracterizarea pulsurilor de mare intensitate utilizate în interacție”
Rezumat: Dispozitivul laser CETAL PW execută ritmul de repetare și regimurile de vârf: 10 Hz @ 45 TW și 0,1 Hz @ 1 PW care livrează o rază laser cu dimensiunile deschiderii totale de 180 mm în camera de interacțiune.
Configurația inițială de control a acestui laser în ambele regimuri de funcționare a fost făcută în „mod continuu” în furnizarea de impulsuri și semnale electrice de sincronizare asociate. S-a implementat un sistem de sincronizare personalizat în sistem la sistemul laser pentru a extinde capacitățile unității de generare a întârzierilor asupra modurilor de împușcare și de spargere a impulsurilor laser și a semnalelor de sincronizare pentru dispozitivele de diagnosticare din camera de interacțiune.
În timp ce proprietățile spațio-temporale ale fasciculului laser pot fi optimizate prin lanțurile de amplificare ale sistemelor laser ultra-intense, problemele majore sunt legate de livrarea fasciculului pe țintă, unde atât structura impulsurilor spațiale cât și temporale sunt afectate de complexitatea sistemului de transport al fasciculului. Din compresorul optic fasciculul laser se deplasează sub vid (10-6 mbar), iar țevile cu diametrul interior sunt de 250 mm, care sunt destul de aproape de dimensiunea fasciculului. Pentru a împiedica fixarea fasciculului pe oglinzi sau prin lovirea pereților tubului, este necesar un sistem de monitorizare a traseului fasciculului și un sistem de aliniere activă.
În acest sens a fost implementat un sistem de aliniere semi-automatizat, bazat pe software-ul de control dedicat și camerele CCD și utilizând suporturile motorizate și este utilizat în prezent în rutina de aliniere zilnică a fasciculului laser în sistemul de transport al fasciculului.
Faza nr. 19
Responsabil: Dr. C. Ticoş
Termen de predare: 10.12.2017
Title: „Măsurarea intensităţii fascicului de electroni relativistic acceleraţi în plasmă cu laser hiperintens”
Rezumat: O parte esențială a experimentelor de accelerare a electronilor este diagnosticarea fasciculului de electroni. Această fază prezintă o descriere detaliată a dispozitivelor de măsurare și a procedurilor de calibrare care permit măsurarea absolută a sarcinii unui fascicul de electroni relativist emis fie prin interacțiune laser-plasmă, fie obținut de la un accelerator de electroni liniar. Prin intermediul datelor măsurate independent se poate realiza o etalonare încrucișată directă a sistemelor de detecție utilizate. Sunt prezentate trei metode de diagnosticare a sarcinii unui fascicul de electroni: Faraday Cup, Transformatorul de curent Integrator (TIC) și filmul radiochromic (Gafchromic EBT3). TIC este folosit ca instrument absolut pentru măsurarea sarcinii fascicului de electroni fără detalii asupra incertitudinii determinării. Semnalul de la acest sistem de monitorizare poate fi calibrat încrucișat cu sarcina absolută măsurată utilizând o cușcă Faraday și un film radiochromic.
Faza nr. 20
Responsabil: Dr. F. Spineanu
Termen de predare: 10.12.2017
Title: „Straturi de curent în plasmă şi fascicule aleatoare de electroni acceleraţi”
Rezumat: Această cercetare atinge zona problematicii principale în care se angajează aplicaţiile posibile ale laserilor de mare putere: anume, producerea de fascicule de ioni cu o energie înaltă şi cu un spectru îngust, destinaţi cuplării cu sisteme nucleare. Pentru a produce un fascicul de ioni energici este în primul rând necesar să se producă o componentă electronică energică şi cu un moment liniar având dispersie relativ mică. Ceea ce se opune acestui deziderat este în primul rând existenţa unui proces de accelerare a electronilor cauzată de câmpul electric generat la reconexiunea magnetică, în zona punctului X. Este deci, necesar să examinăm formarea şi stabilitatea structurilor cuasi-coerente tranzitorii (straturi de curent) care, prin filamentarea susţinută de reconexiunea magnetică generează astfel de fascicule de electroni de mare energie. Am tratat aşadar trei probleme care constituie structura unui sistem explicativ emergent în această problemă:
(1) Instabilitatea unui strat de curent la ruperea prin reconexiune magnetică;
(2) Forma perturbaţiei periodice a câmpului magnetic şi a perturbaţiei termice asociate;
(3) Generarea unui fascicul de electroni ultra-energici, acceleraţi de câmpul electric superior celui critic (Dreicer) şi deci formarea unei componente de “runaways”.
Această structură explicativă, şi instrumentele ei, este importantă pentru a se studia calitatea pe care o putem aştepta de la spectrul energetic al particulelor grele (protoni) pe care am dori să îi obţinem cu un laser de mare putere.
Etapa 3 – P1 2017
Faza nr. 21
Responsabil: Dr. C. DIPLAŞU
Termen de predare: 10.12.2017
Title: „Accelerarea de particule încărcate electric la interacţia pulsurilor laser ultra-intense ( PW- CETAL) cu ţinte solide”
Rezumat: Construirea și implementarea unui sistem complex de manipulator de ţinte şi un sistem de diagnoză complementar pentru accelerarea de particule încărcate electric la interacţia pulsurilor laser ultraintense cu ţintele solide a constituit obiectivul acestei faze.
În cadrul fazei de cercetare s-a realizat şi testat:
• un sistem complex de manipulator de ţinte pentru interacţia laser cu ţintele solide;
• sistemul de caracterizare şi optimizare a petei focale;
• sistemul de detecţie şi caracterizare a distribuţiei energetice a fasciculelor de particule accelerate (protoni şi electroni).
Sistemul complex s-a testat realizând sesiuni de tragere cu laserul CETAl-PW în care energia folosită a fost la 50% din capacitatea maximă sistemului.
