Plazma 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.

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.

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 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...

Międzynarodowa Konferencja PLASMA-2013 jest organizowana przez Lokalny Komitet Organizacyjny utworzony w IFPiLM. Współorganizatorem konferencji jest Polskie Towarzystwo Fizyczne. Na konferencję PLASMA-2013 zgłosiło się już ponad 140 uczestników z różnych krajów. Na zaproszenie Międzynarodowego Komitetu Naukowego ponad 20 wybitnych polskich i zagranicznych specjalistów zgodziło się wygłosić referaty plenarne. Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego wspiera organizację konferencji specjalną dotacją. Kilka polskich i zagranicznych przedsiębiorstw prywatnych sponsoruje tę konferencję prezentując jednocześnie produkowaną w firmie aparaturę badawczą. Szczegółowe informacje o konferencji PLASMA-2013 są dostępne w internecie na stronie http://plasma2013.ipplm.pl.

Konferencje pod nazwą PLASMA były organizowane od 1993 roku głównie w Polsce. W roku 2007 konferencja ta odbyła się w Niemczech, a w roku 2010 we Francji. Głównym celem kolejnych konferencji PLASMA jest tworzenie forum naukowego do pogłębionej dyskusji i oceny postępu w badaniach w zakresie fizyki i technologii plazmy oraz fuzji termojądrowej. Większość prezentowanych prac jest realizowana w ramach współpracy międzynarodowej, najczęściej objętej programami europejskimi. Konferencja uzyskała renomę ważnego międzynarodowego wydarzenia naukowego o szczególnym znaczeniu dla kontaktów środowisk badawczych w Europie Wschodniej i Zachodniej. Umożliwia ona także spotkania młodych naukowców z doświadczonymi uczonymi z renomowanych ośrodków krajowych i zagranicznych.

Badania i zastosowania plazmy w różnych dziedzinach nauki i techniki rozwijane są bardzo intensywnie na całym świecie. Ważnym celem badań plazmy gorącej jest opanowanie kontrolowanej syntezy (fuzji) termojądrowej dla przyszłej produkcji energii użytecznej w sposób bezpieczny dla ludności i środowiska. Plazma niskotemperaturowa znajduje różne zastosowania technologiczne, m.in. w elektronice, technice kosmicznej i modyfikacji właściwości materiałów.

W Polsce kilka ośrodków zajmuje się badaniami plazmowymi i termojądrowymi w ścisłej współpracy międzynarodowej. Są to: Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Instytut Fizyki Jądrowej PAN, Centrum Badań Kosmicznych PAN, Instytut Maszyn Przepływowych PAN, Uniwersytet Opolski oraz kilka grup naukowych w innych uczelniach i instytutach. IFPiLM koordynuje w Polsce prace dotyczące fuzji termojądrowej w układach tokamak i stellarator w ramach programu Asocjacji EURATOM-IFPiLM i fuzji laserowej w ramach europejskiego projektu HiPER.

Przewodniczący Lokalnego Komitetu Organizacyjnego PLASMA-2013

dr hab. prof. Jerzy Wołowski

Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

Dnia 22 stycznia br., o godz. 11:00, w Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (sala teatru GO) w Warszawie rozpocznie się uroczyste otwarcie pierwszego w Polsce i jednego z nielicznych w Europie laboratorium dedykowanego pracom badawczo-rozwojowym nad napędami plazmowymi dla satelitów, a także sond kosmicznych wysyłanych w bardziej odległe obszary przestrzeni. Specjalistyczne laboratorium plazmowych silników satelitarnych zostało utworzone dla potrzeb 3-letniego projektu L-µPPT (Innovative Liquid Micro Pulsed Plasma Thruster) realizowanego w ramach 7-ego Europejskiego Programu Ramowego. Do symulacji warunków panujących w przestrzeni kosmicznej Laboratorium dysponuje cylindryczną komorą próżniową o objętości 2 m³ wyposażoną w układ pompowy umożliwiający ciągłe działanie badanych napędów przy ciśnieniu otoczenia ponad 100 milionów razy mniejszym niż atmosferyczne. 

Pierwsze badania w Laboratorium plazmowych silników satelitarnych polegać będą na testowaniu i rozwijaniu innowacyjnego napędu plazmowego dla nanosatelitów, zaprojektowanego przez zespół z IFPiLM przy współudziale pozostałych uczestników europejskiego konsorcjum L-µPPT, którego prace koordynuje hiszpańska firma JMP Ingenieros. W skład konsorcjum wchodzą także firmy Kopoos (Francja), NASP (Hiszpania), Mecartex (Szwajcaria) i Nanospace (Szwecja), reprezentujące sektor małych i średnich przedsiębiorstw. Podczas gdy w chwili obecnej istnieje wiele rozwiązań w zakresie napędów konwencjonalnych satelitów (tj. satelitów o masie powyżej 100 kg), takich jak rakietowe silniki chemiczne, silniki z zimnym gazem lub systemy oparte na napędach jonowych/plazmowych (których liczba ciągle rośnie), to szybko rozwijający się sektor nanosatelitów (tj. satelitów o masie kilku kilogramów) wciąż nie dysponuje żadnymi rozwiązaniami w zakresie napędu. Z uwagi na bardzo wydajne wykorzystanie paliwa i brak zagrożeń chemicznych napędy jonowe/plazmowe stanowią potencjalnie najlepsze rozwiązanie technologiczne dla nanosatelitów, co wyniki projektu L-µPPT mają właśnie udowodnić. W odróżnieniu od istniejących napędów typu PPT, w których paliwo stanowi blok polimerowy zintegrowany z silnikiem, L-µPPT będzie wykorzystywał paliwo ciekłe, co pozwoli na zachowanie identycznej geometrii wyładowania oraz siły ciągu przez całe życie silnika, a zarazem daje możliwość zmagazynowania dowolnej masy paliwa w oddzielnym zbiorniku. 

Po zakończeniu projektu L-µPPT wyposażenie próżniowe laboratorium plazmowych silników satelitarnych będzie mogło być wykorzystane do badania silników o średniej mocy dla sond kosmicznych i konwencjonalnych satelitów. Do tej klasy napędów plazmowych należy niedawno zaprojektowany w IFPiLM kryptonowy silnik Hall'a, nad którym dalsze prace prowadzone są w ramach umowy z Europejską Agencją Kosmiczną.

KONTAKT DO NAUKOWCÓW:

dr Jacek Kurzyna Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

dr Serge Barral Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

Instytut Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy w Warszawie

tel. +48 22 638 10 05 w. 40

POWIĄZANA STRONA WWW:

http://www.ifpilm.pl/

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.

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...