ΠΡΟΣΚΛΗΣΗ ΣΕ ΔΗΜΟΣΙΑ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ
Τίτλος
«Experimental and numerical study of particle acceleration from nearcritical-density gas targets using ultrashort laser pulses»
Της Μαρίας Γουμενάκη, μεταπτυχιακής φοιτήτριας του Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών «Laser, Πλάσμα & Εφαρμογές»
Επιβλέπων Καθηγητής: Μιχάλης Ταταράκης
Η παρουσίαση θα πραγματοποιηθεί τη Δευτέρα 19 Οκτωβρίου 2026 στις 12:00 στην Αίθουσα
Συνεδριάσεων του Ινστιτούτου Φυσικής Πλάσματος και Λέιζερ του Ελληνικού Μεσογειακού Πανεπιστημίου, στο Ρέθυμνο.
Google meet: https://meet.google.com/juh-chyx-dhs
ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΤΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ
Η αλληλεπίδραση υπερ-ισχυρών (super-intense) παλμών laser με πλάσμα μπορεί να επιταχύνει ιόντα σε ενέργειες της τάξης των MeV σε αποστάσεις μόλις λίγων µm. Οι στόχοι που έχουν χρησιμοποιηθεί περισσότερο μέχρι σήμερα για τον σκοπό αυτό είναι τα στερεά και τα υπέρπυκνα (overdense) λεπτά υμένια (foils). Ωστόσο, τόσο οι στερεοί στόχοι όσο και τα foils καταστρέφονται σε κάθε βολή του laser, γεγονός που περιορίζει τη δυνατότητα λειτουργίας σε υψηλό ρυθμό επανάληψης (high repetition rate), ενώ τα θραύσματα που παράγονται μπορούν να καταστρέψουν τα οπτικά στοιχεία του πειράματος. Οι πηγές ιόντων υψηλής ενέργειας έχουν πολλές ενδιαφέρουσες εφαρμογές στην παραγωγή ενέργειας από αδρανειακή σύντηξη (inertial fusion energy), συγκεκριμένα στις τεχνικές proton-driven fast ignition και pitcher–catcher πρωτονίου–βορίου (p–11B). Επιπλέον, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να μετρηθεί πόση ενέργεια χάνουν τα ιόντα (stopping power) όταν διασχίζουν πλάσμα με πυκνότητα και θερμοκρασία ανάλογες με αυτές των στόχων σύντηξης αδρανειακού περιορισμού (inertial confinement fusion, ICF). Έχουν επίσης αρκετές εφαρμογές στον ιατρικό τομέα, όπως η αδρονιοθεραπεία (hadron therapy) και η παραγωγή ισοτόπων.
Ως μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική θεωρούνται οι στόχοι near-critical density (NCD), όπως οι αφροί, τα σταγονίδια υγρού και τα gas-jet με συσσωματώματα (clusters). Στην παρούσα εργασία, το καθεστώς NCD προσεγγίζεται μέσω της οπτικής διαμόρφωσης gas-jet χαμηλής πυκνότητας (underdense), μεγάλου μήκους (long scale length), σε near-critical προφίλ στόχων με απότομες βαθμίδες πυκνότητας. Η προσέγγιση αυτή στοχεύει στη δημιουργία προφίλ στόχων βελτιστοποιημένων για τον μηχανισμό Magnetic Vortex Acceleration (MVA), του οποίου οι ενέργειες ιόντων κλιμακώνονται ευνοϊκά με την ισχύ του laser.
Η παρούσα εργασία μελετά πειραματικά και αριθμητικά την αλληλεπίδραση του laser Ti:Sapphire Zeus ισχύος 45 TW με στόχους NCD, οι οποίοι παράγονται με οπτική διαμόρφωση του προφίλ ενός gas-jet μείγματος ηλίου – υδρογόνου, μια προσέγγιση που αναπτύχθηκε στο Institute of Plasma Physics and Lasers (IPPL), University Research and Innovation Centre του Ελληνικού Μεσογειακού Πανεπιστημίου (HMU). Η οπτική διαμόρφωση επιτυγχάνεται με τη δημιουργία κρουστικών κυμάτων (blast waves, BWs) από δύο διασταυρούμενους nanosecond (ns) παλμούς laser. Η σύγκρουση των μετώπων των αντίθετα διαδιδόμενων BWs συμπιέζει και διαμορφώνει το προφίλ του gas-jet, το οποίο στη συνέχεια ακτινοβολείται από τον superintense femtosecond (fs) παλμό του Zeus για την επιτάχυνση πρωτονίων και ιόντων ηλίου.
Η αριθμητική μελέτη γίνεται με προσομοιώσεις τύπου Particle-in-Cell (PIC) και εστιάζει στη δυναμική των επαγόμενων πεδίων και στην αλληλεπίδρασή τους με τα ιόντα ηλίου και τα πρωτόνια, καθώς και στη μελέτη της έντονης εκπομπής φωτονίων. Η πειραματική μελέτη βασίζεται σε μεθόδους οπτικής απεικόνισης πλάσματος και σε διαγνωστικά σωματιδίων. Η συμβολομετρία (interferometry) Nomarski και η σκιαγραφία (shadowgraphy) χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της χρονικής εξέλιξης της πυκνότητας του διαμορφωμένου προφίλ NCD καθώς και της αλληλεπίδρασης με τον κύριο παλμό. Η ενέργεια των ιόντων προσδιορίζεται με ένα μαγνητικό φασματόμετρο κατασκευασμένο στο εργαστήριο με ανιχνευτή ραδιοχρωμικού φιλμ (RCF), ενώ παθητικοί ανιχνευτές τύπου CR-39 (solid-state nuclear track detectors) δίνουν ποιοτική επιβεβαίωση των σωματιδίων που ανιχνεύονται. Ένα Faraday cup που αναπτύχθηκε στο εργαστήριο χρησιμοποιείται για on-line μετρήσεις του χρόνου πτήσης (time-of-flight) shotto-shot, από τις οποίες εξάγονται τα ενεργειακά φάσματα των ιόντων. Επιπλέον, αυτό το on-line διαγνωστικό επιτρέπει τη στατιστική μελέτη του πώς η χρονική καθυστέρηση μεταξύ του κύριου fs παλμού και των ns παλμών διαμόρφωσης επηρεάζει τον πληθυσμό και την ενέργεια των ιόντων. Αυτό επιτρέπει την παραμετρική βελτιστοποίηση, χωρίς εξάρτηση από παθητικά διαγνωστικά που απαιτούν συσσώρευση σήματος από πολλές βολές.
Τέλος, μετράται πειραματικά η ενέργεια των φωτονίων που εκπέμπονται κατά την superintense αλληλεπίδραση. Τα μετρούμενα φάσματα συγκρίνονται με προσομοιώσεις PIC και μελετώνται ώστε να διαπιστωθεί αν η αλληλεπίδραση μπορεί να λειτουργήσει ως σημειακή πηγή ακτίνων X (X-ray point source).