Dla mediów

Plazma z „lodu wodorowego” jako nowe efektywne źródło protonów do różnych zastosowań

PALS zespol prof.PisarczykPlazma laserowa jako źródło wysokoenergetycznych jonów stwarza duże możliwości aplikacyjne w medycynie oraz różnych dziedzinach nauki i techniki. W szczególności, dotyczy to wykorzystania strumieni protonów do terapii nowotworów (tzw. terapii hadronowej) oraz radiografii. Jedną z powszechnie stosowanych metod generacji strumieni protonów z plazmy laserowej jest tzw. mechanizm TNSA (Target Normal Sheath Acceleration), która polega na przyśpieszaniu protonów powstałych w wyniku oświetlenia promieniowaniem laserowym cienkiej tarczy zawierającej wodór. Protony przyśpieszane są w kierunku normalnym do tarczy, zgodnym z kierunkiem lasera, a ich energia zależy od wielkości pola elektrycznego, określonego przez temperaturę i koncentrację elektronową plazmy ablacyjnej. A zatem najbardziej idealną tarczą, z punktu widzenia metody TNSA, powinna być tarcza zawierająca czysty zestalony wodór, czyli wodór zamrożony do temperatury -261oC.

Pionierskie badania w tym zakresie zostały podjęte na eksperymencie laserowym PALS (Prague Asterix Laser System) przez grupę czeskich fizyków (z Institute of Plasma Physics ASCR, the Institute of Physics ASCR oraz Extreme Light Infrastructure (ELI)) we współpracy międzynarodowej z naukowcami z Francji (SBT/INAC - Le Service des Basses Températures/Institute of Nanosciences and Cryogenics, Grenoble), Włoch (Instituto Nazionale Fisica Nucleare - INFN, Pisa) oraz Polski (Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion – IPPLM, Warsaw). W eksperymentach wykorzystywana jest unikalna aparatura (kriostat helowy, pokazany na fotografii - rys. 1) zbudowana w laboratorium SBT/INAC we współpracy z Ośrodkiem ELI, umożliwiający wytwarzać cienką taśmę (o grubości około 60 mm) z zestalonego wodoru (o temperaturze -261oC), która stanowi tarczę do wytwarzania strumieni protonów metodą TNSA.

PALS Kriostat helowy

Rys. 1 Rozmieszczenie aparatury na eksperymencie PALS.

Pierwsze eksperymenty zrealizowane 24 sierpnia 2015 roku zakończyły się sukcesem, potwierdzając możliwość uzyskania wiązki wysokoenergetycznych protonów z gorącej plazmy wodorowej, a tym samym przydatność zbudowanej aparatury do rozwijania tej nowej idei pod kątem różnych aplikacji. W celu poznania parametrów plazmy wodorowej i generowanych z niej strumieni protonów, stosowano różne diagnostyki (spektroskopowe, jonowe oraz wielokadrową interferometrię) przygotowane przez międzynarodowe zespoły z udziałem naukowców z Czech, Francji, Włoch oraz Polski. Wymiernym wkładem naukowym strony polskiej w te badania to pomiary jonowe oraz interferometria w których wykorzystywana była aparatura diagnostyczna zbudowana w IFPiLM.

Szczególnie przydatną diagnostyką okazała się femtosekundowa 3-kadrowa interferometria, którą udało się z sukcesem zaimplementować w drugiej sesji pomiarowej na tym eksperymencie, która odbyła się dwa tygodnie temu (w pierwszej połowie grudnia 2015 roku). Przykładowa sekwencja interferogramów ilustrujących proces ekspansji protonowej plazmy ablacyjnej, podczas oddziaływania impulsu laserowego z tarczą z „lodu wodorowego” przedstawiona jest na rys. 2.

PALS interferogramy femto

Rys. 2 Interferogramy zarejestrowane za pomocą femtosekundowego 3-kadrowego interferometru ilustrujące oddziaływanie lasera jodowego PALS o energii około 600 J z tarczą z zestalonego wodoru o temperaturze -261oC.

Oczekuje się, że ilościowa analiza wyników badań interferometrycznych pozwoli uzyskać informacje o rozkładach koncentracji elektronowej w plazmie ablacyjnej w różnych chwilach jej ekspansji, a następnie określić takie parametry plazmy jak skala gęstości i maksymalny gradient, które są kluczowe w ocenie procesów akceleracji strumieni protonów biorąc pod uwagę mechanizm TNSA. Interpretacja tych wyników w połączeniu z wynikami pomiarów z innych diagnostyk pozwoli poznać wpływ warunków oświetlenia tarcz wodorowych, możliwych do uzyskania na eksperymencie PALS, na wymagane parametry strumieni protonów pod kątem różnych zastosowań.

 

Prototyp pierwszego polskiego silnika plazmowego do sond kosmicznych już działa

HETPrototyp pierwszego polskiego silnika plazmowego do sond kosmicznych został z sukcesem przetestowany w warunkach zbliżonych do tych panujących w przestrzeni kosmicznej w laboratorium Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA - ESTEC) w Nordwijk (Holandia).

Grupa polskich naukowców z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM) w Warszawie opracowuje specjalny silnik do napędu sond kosmicznych i satelitów, który będzie tańszy w eksploatacji od obecnie istniejących rozwiązań. - Podczas sesji eksperymentalnej silnik pracował wystarczająco długo, by zmierzyć ważne parametry (np. siłę ciągu). Można mówić o pierwszym kroku do sukcesu. Bezproblemowe uruchomienie silnika wprawiło w zaskoczenie nawet doświadczonych pracowników ESA. Z reguły pierwsze uruchomienia wymagają odpowiedniego doboru parametrów pracy układu, których ustalenie a priori jest skomplikowane - mówi dr Jacek Kurzyna z IFPiLM, kierownik zespołu.

Czytaj więcej...

 

Laserowe źródło jonów wytworzy półprzewodniki nowej generacji

Do implantowania jonów, czyli ich „wbijania” w powierzchnię materiału, zwykle stosuje się konwencjonalne akceleratory. Laserowe źródła jonów są prostsze, tańsze i bardziej uniwersalne. Emitowane z nich jony mają jednak różne energie i zwykle towarzyszą im zanieczyszczenia. W Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie zbudowano źródło laserowe z unikalnym układem przyspieszania jonów do wybranej energii, który jednocześnie eliminuje zanieczyszczenia. Urządzenie wykorzystano do produkcji próbek półprzewodnika nowej generacji: warstwy krzemionki z uformowanymi nanokryształami germanu.

Jerzy Wołowski z IFPiLM przy źródle LIS.Laserowe źródła jonów to proste urządzenia, wytwarzające jony wskutek oddziaływania skupionej wiązki laserowej z tarczą umieszczoną w komorze próżniowej. Znajdujące się w tarczy zanieczyszczenia często stwarzają problemy – ich jony mogą wraz z właściwymi jonami wpływać na próbkę. Dodatkowo impuls laserowy wyrywa z tarczy drobiny materiału, które osadzają się na próbce i zaburzają jej powierzchnię. „Aby zapobiec takim efektom, zaprojektowaliśmy i zbudowaliśmy urządzenie do implementacji jonowej z bardzo oryginalnym elektrostatycznym układem przyspieszania jonów”, mówi doktorant Marcin Rosiński z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM) w Warszawie.

Czytaj więcej...

 

Kryptonowy silnik plazmowy dla sond kosmicznych

Kryptonowy Silnik PlazmowyElektryczne napędy plazmowe typu Halla to przyszłość astronautyki. Już dziś są poważną konkurencją dla klasycznych silników rakietowych, zwłaszcza jako napędy manewrowe do zmian orientacji satelitów i ich orbit oraz jako marszowe w sondach dalekiego zasięgu. Silniki te mają jednak istotną wadę: gazem roboczym jest w nich trudno dostępny i drogi ksenon. Korzystając z doświadczeń z akceleratorami ciągłych strumieni plazmy, zespół naukowców i inżynierów z Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie zbudował silnik typu Halla zoptymalizowany do pracy ze znacznie tańszym gazem szlachetnym: kryptonem.

Czytaj więcej...

 
HiPER logo EUROfusion iter Laserlab Europe Fusenet

Projekty badawcze realizowane przez IFPiLM są finansowane ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego i Narodowego Centrum Nauki oraz ze środków Komisji Europejskiej na podstawie umowy grantowej No 633053, w ramach Konsorcjum EUROfusion. Wsparcia finansowego udzielają także: Międzynarodowa Agencja Energii Atomowej, Agencja Fusion for Energy, Europejska Agencja Kosmiczna i Konsorcjum LaserLab.