MISJA

Od ponad 40 lat realizowany jest w Instytucie Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy (IFPiLM) program badań fizyki plazmy wytwarzanej laserami i zjawisk związanych z optymalizacją laserowej syntezy termojądrowej będącej najważniejszą opcją syntezy z inercyjnym utrzymaniem plazmy [Badania]. Prace te, realizowane w większości w ramach współpracy europejskiej, są finansowane głównie przez krajowe i międzynarodowe projekty badawcze [Projekty] przy wsparciu środkami z MNiSW. Obecnie program ten w IFPiLM realizuje Zakład Fizyki i Zastosowań Plazmy Laserowej (ZFiZPL) jako ośrodek wykorzystujący wieloletnie badawcze i znaczące osiągnięcia naukowe przy kontynuacji efektywnej współpracy z prestiżowymi laboratoriami europejskimi, która jest ważnym obszarem jego działalności naukowej [Współpraca]. Do realizowanych w tym Zakładzie badań jest opracowywana, konstruowana i kupowana nowoczesna aparatura pomiarowa [Wyposażenie], która jest także wykorzystywana do wspólnych prac w laboratoriach zagranicznych.

W skład Zakładu Fizyki i Zastosowań Plazmy Laserowej wchodzą zespoły naukowców zajmujące się badaniami eksperymentalnymi w Laboratorium Laserów Wielkiej Mocy i w ośrodkach zagranicznych w ramach współpracy oraz zespół realizujący badania teoretyczne i symulacje numeryczne.

Prace badawcze w ZFiZPL realizowane są przez doświadczonych uczonych z dużym dorobkiem naukowym, cieszących się międzynarodowym uznaniem, i przez młodych naukowców, którzy pracując pod kierunkiem starszych kolegów, przyczyniają się do osiągania wartościowych wyników badań. Ciągły rozwój kadry badawczej, dokumentowany uzyskiwaniem stopni i tytułów naukowych, ma istotny wpływ na jakość uzyskiwanych rezultatów prac badawczych [Pracownicy].

Wyniki prac realizowanych przez ten Zakład publikowane są w ważnych czasopismach międzynarodowych oraz prezentowane na znaczących konferencjach i spotkaniach naukowych [Publikacje].

Budynek Zakładu Fizyki i Zastosowań Plazmy Laserowej (ZFiZPL) Instytutu Fizyki Plazmy i Laserowej Mikrosyntezy

 

BADANIA

Obszar realizowanych w ZFiZPL prac badawczych dotyczących oddziaływań laser-materia obejmuje cztery przenikające się zakresy tematyczne wymienione poniżej.

I Badania fizyki oddziaływań impulsów lasera wielkiej mocy z materią, w tym procesów generacji ultraszybkich jonów i elektronów

Nieliniowe oddziaływania impulsów laserowych o wielkim natężeniu (gęstości mocy) z różnymi tarczami, w szczególności procesy laserowego przyspieszania materii (plazmy, jonów, elektronów i makrocząstek), są badane eksperymentalnie i teoretycznie przez ZFiZPL w ramach projektów krajowych i europejskich.

W ZFiZPL opracowano i przetestowano oryginalny mechanizm przyspieszania jonów w plazmie laserowej w wyniku działania sił ponderomotorycznych (Skin Layer Ponderomotive Acceleration – SLPA). W metodzie SLPA siły, wzbudzone przez ultrakrótki impuls laserowy o wielkim natężeniu w pobliżu powierzchni o koncentracji krytycznej w ekspandującej plazmie laserowej, przyspieszają strumienie prędkich elektronów i jonów o wielkim natężeniu. Mechanizm ten wszechstronnie analizowano teoretycznie i z zastosowaniem symulacji numerycznych. Eksperymentalnie efekty działania SLPA badano w ramach projektów krajowych i europejskich projektów Laserlab-Europe wykonywanych głównie w Ośrodku Badawczym PALS w Pradze (Republika Czeska) oraz w Laboratoriach LULI, Ecole Polytechnique (Francja) i RAL (Anglia).

W Zakładzie przygotowano i praktycznie zrealizowano koncepcję oryginalnego układu do bardzo efektywnego przyspieszania makrocząstki lub strumienia jonów z użyciem impulsu laserowego. W stosowanej konwencjonalnej metodzie laserowego przyspieszania materii folia naświetlana laserem jest przekształcana energią impulsu laserowego w makrocząstkę przyspieszaną działaniem siły reakcji w kierunku przeciwnym do kierunku ekspansji plazmy laserowej. Jest to tak zwany efekt rakietowy. W nowej metodzie laserowej akceleracji makrocząstki nazwanej Laser-Induced Cavity Pressure Acceleration (LICPA) ciśnienie plazmy laserowej zatrzymywanej w małej wnęce umieszczonej przed tarczą foliową dodatkowo napędza makrocząstkę poruszającą się w kanale prowadzącym. Przeprowadzone symulacje komputerowe wykazały możliwość przyspieszania makrocząstki w układzie LICPA znacznie efektywnej niż w przypadku stosowania samego „efektu rakietowego”. Metodę tę sprawdzano eksperymentalnie i numerycznie w ramach projektów krajowych i projektów Laserlab-Europe. Eksperymenty wykonywane są głównie w Ośrodku Badawczym PALS w Pradze z użyciem lasera o dużej energii (do 700 kJ).

Schemat układu LICPA

Pracownicy ZFiZPL przygotowali dwuwymiarowy model komputerowy do symulacji numerycznych laserowej akceleracji protonów i jonów przy relatywistycznych (>10¹⁸ W/cm²)  i ultra-relatywistycznych (>10²³ W/cm²) natężeniach promieniowania laserowego. Takie natężenia promieniowania będą uzyskiwane za pomocą wielkich laserów budowanych jako europejska infrastruktura ELI (Extreme Light Infrastructure) w Republice Czeskiej, na Węgrzech i w Rumunii. Analizowane są różne schematy tych ekstremalnych oddziaływań. W wyniku wykonanych obliczeń numerycznych wykazano, że w wyniku oddziaływania lasera z tarczą przy tak wielkich gęstościach mocy promieniowania laserowego możliwe jest wytworzenie femtosekundowych impulsów prędkich protonów i jonów o energiach powyżej 1 GeV i ekstremalnie wysokich natężeniach nieosiągalnych w akceleratorach konwencjonalnych. Rezultaty tych obliczeń numerycznych posłużą przygotowaniu wspólnych projektów dotyczących badań z użyciem laserów wielkiej mocy uruchamianych w ramach programu ELI.

Opracowano zaawansowany model fizyczny i komputerowy laserowego akceleratora ciężkich jonów z multi-petawatowym laserem (kod PICDOM). Do modelu włączono dynamiczną jonizację atomów i promieniowanie „synchrotronowe” generowane elektronami. Numerycznie zbadano akcelerację i własności wiązek ciężkich jonów o liczbie masowej A ≥ 200 wytwarzanych przy oddziaływaniu multi-PW impulsu laserowego z sub-mikrometrową tarczą stałą.

Zbadano też numerycznie właściwości wiązek jonów węgla generowanych laserem przy realistycznych parametrach lasera i tarczy. Określono możliwości wytworzenia wiązek jonów węgla o parametrach umożliwiających szybki zapłon paliwa przy energii lasera ^~100 kJ. Wykazano możliwość generacji gigantycznych (multi-PW) impulsów promieniowania gamma przy oddziaływaniu lasera 150 kJ/1ps, 4 x 10²² W/cm² z tarczą węglową.

W ZFiZPL badano eksperymentalnie właściwości silnych impulsów elektromagnetycznych (IEM) wytwarzanych przy oddziaływaniu impulsu laserowego o dużym natężeniu z tarczą stałą. Takie impulsy zakłócają pracę instrumentów doświadczalnych i stanowią potencjalne zagrożenie dla sprzętu elektronicznego. Do rejestrowania sygnałów IEM wykorzystuje się anteny, czujniki indukcyjne oraz diagnostyki do pomiarów elektronów. Badania IEM objęte projektami HARMONIA i Laserlab-Europe były wykonywane przez zespół pracowników ZFiZPL w Laboratorium Laserów Wielkiej Mocy oraz w laboratoriach PALS w Czechach i CELIA we Francji w ramach współpracy naukowej.

 

II Badania procesów fizycznych związanych z optymalizacją wybranych wariantów fuzji laserowej

IFPiLM uczestniczył w realizacji europejskiego projektu HiPER (European High Power Laser Energy Research Facility), obejmującego opracowanie fizycznej koncepcji i projektu technicznego infrastruktury laserowej przeznaczonej do zademonstrowania efektywnej produkcji energii w wyniku fuzji z inercyjnym utrzymaniem plazmy (Inertial Fusion Energy – IFE). W ramach tego projektu w latach 2008-2011 Zakład realizował prace dotyczące optymalizacji wybranych wariantów syntezy laserowej i uczestniczył w przygotowaniu dla przyszłej infrastruktury HiPER programu badań dotyczących różnych innych dziedzin z użyciem tego lasera. Wspólne eksperymenty obejmujące powyższe zagadnienia przeprowadzane były głównie w Ośrodku Badawczym PALS w Pradze (Republika Czeska), a także w innych dużych europejskich laboratoriach [Współpraca].

Wymieniona powyżej w punkcie I metoda laserowego ponderomotorycznego przyspieszania jonów (SPLA) jest badana także pod kątem jej przydatności do realizacji syntezy laserowej w wersji tzw. szybkiego jonowego zapłonu paliwa termojądrowego DT skomprymowanego sferycznie laserem o dużej energii (ion fast ignition).

Analizowana jest także możliwość wykorzystania wymienionego w punkcie I układu LICPA do realizacji syntezy laserowej z zapłonem inicjowanym uderzeniem makrocząstki (impact fast ignition) w skomprymowane laserem paliwo DT.

Zespoły naukowców w ZFiZPL realizują projekty badawcze dotyczące innej nowej koncepcji syntezy laserowej, w której do zapłonu wstępnie laserowo skomprymowanego paliwa DT wykorzystuje się silną koncentryczną falę uderzeniową (shock ignition). Taka fala inicjująca centralny zapłon termojądrowy generowana jest dodatkowym bardzo krótkim impulsem lasera wielkiej mocy. W tym wariancie cały proces jest przeprowadzany za pomocą jednego, odpowiednio ukształtowanego impulsu laserowego. Prace te realizowane przez ZFiZPL są objęte projektami badawczymi sponsorowanymi głównie przez konsorcjum Laserlab-Europe w laboratoriach europejskich, przede wszystkim w Ośrodku Badawczym PALS w Pradze. Stosowane są różne diagnostyki przygotowane wcześniej w tym Zakładzie, w tym interferometria oraz diagnostyki jonowe i rentgenowskie.

Wnętrze komory eksperymentalnej przy laserze PALS w Pradze

Zespół z ZFiZPL we współpracy z czeskim zespołem realizował pilotażowe prace badawcze na układzie TERESA zainstalowanym przy laserze wielkiej mocy ELI-Beamlines. Układ ten służy testowaniu repetetywnego laserowego źródła jonów. Polski zespół wykonał pomiary emisji jonów emitowanych z plazmy laserowej, stosując spektrometr parabol Thomsona, kolektory jonów i detektory półprzewodnikowe. Zarejestrowano jony aluminium energii większej od 6 MeV.

 

III Badania procesów hydrodynamicznych w ekspandującej plazmie wytwarzanej laserem

W ZFiZPL realizowane są badania właściwości skolimowanych strumieni plazmowych generowanych laserem oraz możliwości ich zastosowań. W eksperymentach wykonywanych głównie w Ośrodku Badawczym PALS w Pradze badane są oddziaływania takich strumieni z rozrzedzonym gazem. Prace te są realizowane w ramach projektów Laserlab-Europe [Projekty], a ich wyniki mają odniesienie do fuzji laserowej i mogą służyć do laboratoryjnej symulacji zjawisk astrofizycznych.

W O.B. PALS w Pradze wykonywane są przez zespół z ZFiZPL w ramach projektu Laserlab-Europe pionierskie pomiary spontanicznych pól magnetycznych (SPM) i koncentracji elektronowej w ekspandującej plazmie laserowej. Informacje o strukturze SPM i rozkładach gęstości prądu w plazmie w połączeniu z symulacjami dwuwymiarowymi pozwalają stwierdzić, że za generację SPM odpowiedzialne są szybkie elektrony wytwarzane w wielkiej liczbie w wyniku absorpcji rezonansowej. W ostatnich latach badania są wykonywane także z użyciem tarcz o specjalnej konstrukcji umożliwiających generację pól magnetycznych o wielkim natężeniu. Uzyskiwane wyniki badań będą ważne do optymalizacji fuzji laserowej i symulacji zjawisk astrofizycznych.

Głównymi układami diagnostycznymi opracowanymi w ZFiZPL i stosowanymi w eksperymentach w O.B. PALS i w IFPiLM dotyczącymi badań ekspandującej plazmy laserowej są zbudowane w Instytucie: precyzyjna trójkadrowa interferometria laserowa i polaro-interferometria. Powyższe metody są uzupełniane zastosowaniem diagnostyk jonowych i rentgenowskich.

Rozkłady koncentracji plazmy zarejestrowane za pomocą interferometru 3-kadrowego obrazujące oddziaływanie
strumienia plazmy generowanej laserem z gazem wypełniającym komorę eksperymentalną

Za pomocą 3-kadrowej kompleksowej interferometrii i 14-kanałowego magnetycznego spektrometru elektronów na układzie PALS zmierzono rozkłady SPM i gęstości prądu elektronów w plazmie laserowej. Opracowano metodologię do ilościowej analizy danych z wyżej wymienionych diagnostyk. Wyniki pomiarów potwierdziły nie termiczną generację gorących elektronów. Wyniki te są ważne dla badań dotyczących fuzji laserowej i astrofizyki laboratoryjnej.

Zespół z Laboratorium Laserów Wielkiej Mocy w laboratorium LULI we Francji, stosując polaro-interferometr, wykonał z dużą rozdzielczością przestrzenną pomiary spontanicznych pól magnetycznych generowanych laserem. Badania te, uzupełnione pomiarami akceleracji jonów, wykonano w ramach współpracy objętej projektem europejskim.

W Zakładzie Fizyki i Zastosowań Plazmy Laserowej opracowano także nowe, alternatywne do klasycznego mechanizmu napędzania materii, metody akceleracji obiektów plazmowych. Istotnym elementem tych nowych metod jest specjalna konstrukcja tarcz, które zawierają wnękę będącą pułapką energetyczną dla padającego impulsu  laserowego, co prowadzi do znacznie wyższej absorpcji  promieniowania. Wysoka absorpcja powoduje, że wytworzona plazma ma znacznie wyższą temperaturę i ciśnienie w porównaniu do uzyskiwanych w klasycznym eksperymencie ablacyjnym. Głównym czynnikiem napędzającym cienką folię, która jest elementem tarczy, jest wytwarzane we wnęce ciśnienie. Ten ciśnieniowy charakter akceleracji sprawia, że można wybrać (w zależności od potrzeb) dowolny kierunek przyspieszania folii (obiektu plazmowego). Dodatkowo, w jednym z wariantów metody (Reversed Acceleration Scheme, czyli schemat odwrotnej akceleracji), dwustopniowy mechanizm akceleracji jest znacznie bardziej efektywny niż ma to miejsce w przypadku klasycznego napędzania ablacyjnego.

Podstawowe rodzaje tarcz używanych w metodzie ciśnieniowej: "backward" (a), "forward" (b)

Skuteczność opracowanej metody ciśnieniowej została potwierdzona eksperymentalnie na układzie laserowym PALS w Pradze (energia lasera jodowego ~ 600 J), jak również za pomocą modelowania numerycznego. Uzyskane wyniki eksperymentalne (prędkość przyspieszanych makrocząstek, emisja neutronów syntezy) są na poziomie rezultatów osiągniętych we wiodących laboratoriach plazmowych (USA, Japonia).

Istotną cechą i dodatkową zaletą zastosowanej metody akceleracji jest jej niewrażliwość na rodzaj stosowanego lasera (konkretnie długość fali promieniowania laserowego). Stwarza to dodatkowe możliwości badawcze również w laboratoriach plazmowych nie posiadających laserów generujących promieniowanie krótkofalowe – najbardziej przydatnych w badaniach akceleracji klasyczną metodą ablacyjną.      

 

IV Opracowywanie nowych metod i urządzeń do badania plazmy wytwarzanej impulsowo

W roku 2010 Instytut został wyposażony w laser wielkiej mocy (10 TW), sfinansowany z użyciem środków z projektu europejskiego HiPER, środków własnych IFPiLM i wsparcia finansowego z MNiSW [Projekty].

1 lutego 2013 roku w IFPiLM utworzono Laboratorium Laserów Wielkiej Mocy (LLWM) przeznaczone do realizacji badań plazmy laserowej i jej zastosowań (głównie w ramach współpracy europejskiej). Obecnie do tych prac wykorzystywana jest przede wszystkim aparatura zbudowana i zakupiona w latach 2011–2013 w ramach projektu Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Mazowieckiego (RPO-WM) pod nazwą „Rozbudowa i modernizacja laboratorium laserów wielkiej mocy”, dofinansowywanego ze środków UE [Projekty]. Zbudowano układy do diagnostyki plazmy laserowej: wielokadrowy polaro-interferometr, dwa jonowe spektrometry Thomsona, spektrometr rentgenowski, szybką kamerę rentgenowską oraz próżniową komorę plazmową z niezbędnymi podzespołami [Wyposażenie].

W LLWM nadal stosowane są też diagnostyki wcześniej opracowane i zbudowane w ZFiZPL, w tym układy do badania jonów i promieniowania X emitowanego z plazmy laserowej [Wyposażenie].

Ostatnio opracowano i zastosowano urządzenia do badań impulsów elektromagnetycznych (IEM) generowanych w plazmie laserowej. Do rejestracji impulsów IEM przygotowano specjalne sondy (anteny) szerokopasmowe. Przygotowano też zestaw diagnostyk do pomiaru elektronów emitowanych z plazmy laserowej [Wyposażenie].

Do realizacji przygotowanych i planowanych w ZFiZPL projektów badawczych kontynuowane są prace nad nowymi urządzeniami do diagnostyki plazmy laserowej. Aparatura ta będzie wykorzystywana do eksperymentów planowanych w LLWM i do badań przeprowadzanych we współpracy międzynarodowej w dużych europejskich laboratoriach laserowych [Współpraca], takich jak: O.B. PALS w Pradze (Republika Czeska), CELIA w Bordeaux (Francja), ELI-Beamlines w Pradze, ELI-NP w Bukareszcie-Măgurele (Rumunia).

Stanowisko do badania emisji jonów z tarczy naświetlanej laserem

PRACOWNICY

Pracownicy zatrudnieni w Zakładzie Fizyki i Zastosowań Plazmy Laserowej w IFPiLM prowadzą badania eksperymentalne i teoretyczno-numeryczne plazmy wytwarzanej laserem wielkiej mocy i badania możliwych zastosowań takiej plazmy. Mają oni odpowiednie przygotowanie i doświadczenie niezbędne do realizacji projektów w tym obszarze badań. Prace eksperymentalne wykonywane są w Instytucie (głównie w Laboratorium Laserów Wielkiej Mocy) i w ośrodkach współpracujących z ZFiZPL, realizujących wspólne projekty badawcze. Ważnym obszarem działalności ZFiZPL są przygotowawcze prace badawcze, metodyczne i aparaturowe niezbędne do udziału zespołów z tego Zakładu w projektach realizowanych w innych laboratoriach w ramach wspólnych projektów. Dotyczy to też udziału ZFiZPL w przygotowywanym programie badań na budowanych w Republice Czeskiej, na Węgrzech i w Rumunii laserach wielkich mocy w ramach europejskiego projektu ELI.

Pracownicy ZFiZPL zatrudnieni w Laboratorium Laserów Wielkiej Mocy i Pracowni Hydrodynamiki Plazmy ściśle ze sobą współpracują w ramach krajowych i zagranicznych projektów badawczych. Prowadząc badania eksperymentalne w LLWM i innych laboratoriach, wykorzystują tę samą aparaturę. Wiele publikacji dotyczących wyników wspólnych prac jest przygotowywanych przez pracowników wyżej wymienionych zespołów i stanowi ich wspólny dorobek.

Należy zaznaczyć, że oprócz aktywności pracowników zatrudnionych w ZFiZPL wiele prac badawczych objętych programem tego Zakładu jest wykonywanych także z udziałem pracowników zatrudnionych w innych zakładach Instytutu, w szczególności w Zakładzie Fuzji Jądrowej i Spektroskopii Plazmy. W ramach współpracy naukowej w pracach realizowanych w ZFiZPL okresowo biorą udział zespoły z innych ośrodków. W czasie wakacji organizowane są w pracowniach Zakładu praktyki dla studentów z Instytutu Fizyki Politechniki Warszawskiej i z Wojskowej Akademii Technicznej.

Prace objęte programem ZFiZPL są realizowane przez następujących pracowników naukowych i badawczo-technicznych:

Zakład Fizyki i Zastosowań Plazmy Laserowej

dr inż. Marcin Rosiński – adiunkt, kierownik Zakładu i Laboratorium

Laboratorium Laserów Wielkiej Mocy:

• mgr Oleh Byrka – specjalista inżynieryjno-techniczny
• mgr Michał Kustosz – specjalista badawczo-techniczny
• dr Hanna Marchenko – adiunkt
• Janina Pokorska – pracownik inżynieryjno-techniczny
• dr Piotr Rączka – adiunkt
• mgr inż. Maciej Szymański – specjalista badawczo-techniczny
• mgr inż. Przemysław Tchórz – asystent
• dr inż. Agnieszka Zaraś-Szydłowska – adiunkt

Pracownia Hydrodynamiki Plazmy:

• prof. dr hab. Jan Badziak – profesor
• dr Katarzyna Batani – adiunkt
• dr hab. Stefan Borodziuk – profesor instytutu
• dr Tomasz Chodukowski – adiunkt
• dr inż. Jarosław Domański – adiunkt
• prof. dr hab. inż. Tadeusz Pisarczyk – profesor, kierownik Pracowni
• inż. Wiktoria Rafalak - specjalista badawczo-techniczny
• dr Zofia Rusiniak – adiunkt

 

WSPÓŁPRACA

Doświadczenie badawcze i uzyskiwane wyniki naukowe pracowników Zakładu Fizyki i Zastosowań Plazmy Laserowej, jak również nowoczesna aparatura badawcza użytkowana w tym Zakładzie sprawiają, że IFPiLM stał się atrakcyjnym partnerem do krajowej i zagranicznej współpracy.

Współpraca ZFiZPL z innymi ośrodkami badawczymi dotycząca realizacji prac badawczych i technologicznych w Laboratorium Laserów Wielkiej Mocy w zakresie oddziaływań laser-materia i fuzji laserowej objęta jest prawie w całości projektami krajowymi i międzynarodowymi [Projekty]. Umowy i porozumienia IFPiLM z polskimi i zagranicznymi ośrodkami naukowymi dotyczą także wspólnych projektów koordynowanych przez organizacje zewnętrzne. Są one realizowane z udziałem pracowników ZFiZPL, w części w laboratoriach zagranicznych i częściowo w LLWM.

Zakres merytoryczny prac eksperymentalnych i teoretyczno-numerycznych realizowanych w ZFiZPL w ramach współpracy dotyczy w większości zagadnień objętych wieloletnim programem badawczym tego Zakładu, w szczególności:

• badań fizyki oddziaływania impulsów laserowych z materią przy gęstościach mocy promieniowania laserowego >10¹⁸ W/cm² w różnych warunkach eksperymentalnych,
• laserowej akceleracji jonów, elektronów i plazmy,
• badań zjawisk związanych z optymalizacją wybranych opcji fuzji inicjowanej laserem,
• badań ekspandującej plazmy laserowej z zastosowaniem m.in. precyzyjnych metod obrazujących ekspandującą plazmę laserową, w tym polaro-interferometrię,
• przygotowania i testowania metodyki pomiarów i układów diagnostycznych przeznaczonych do wykorzystania w badaniach realizowanych albo planowanych do realizacji w LLWM oraz na wielkich układach laserowych w Europie, w tym: PALS w Pradze, PETAL i LMJ w Bordeaux (Francja), RAL w Rutherford (Wielka Brytania), ELI-Beamlines w Pradze, ELI-NP w Bukareszcie,
• opracowywania zastosowań laserów krótko-impulsowych o dużej mocy do badań w zakresie fizyki atomowej i jądrowej, astrofizyki, medycyny i innych.
  
  

Umowy i porozumienia dotyczące współpracy IFPiLM (w tym ZFiZPL) z zagranicznymi ośrodkami badawczymi:

• Framework Agreement on Joint Scientific Research. Umowa ramowa dotycząca współpracy badawczej IFPiLM i Instytutu Fizyki Plazmy Czeskiej Akademii Nauk. Okres realizacji: 2016–2019.
• Memorandum of Understanding. Porozumienie dotyczące kontynuacji i rozwoju współpracy IFPiLM i Instytutu Fizyki Czeskiej Akademii Nauk (IoP CzAS) w zakresie badań realizowanych w ramach Laboratorium ELI-Beamlines w IoP CzAS. Okres realizacji: od 2018 r.
• Consortium Association Laserlab-Europe (AISBL). Celem działalności tej Asocjacji jest organizowanie i promowanie współpracy laboratoriów europejskich w zakresie badań i zastosowań oddziaływań laser-materia. Okres realizacji: od 2018 r.  
• Research Project Framework Cooperation Agreement. Umowa ramowa dotycząca współpracy badawczej pomiędzy IFPiLM a laboratorium CELIA przy Uniwersytecie w Bordeaux, Francja. Okres realizacji: od 2014 r.
• Protocol of Scientific Collaboration. Protokół o współpracy naukowej między IFPiLM a Wydziałem Fizyki Uniwersytetu w Mesynie, Włochy. Okres realizacji: 2011–2013 (przedłużany automatycznie co 3 lata).
• Memorandum of Scientific Collaboration of the implementation of the Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics (ELI-NP) between “Horia Hulubei” National Institute of Physics and Nuclear Engineering (NIPNE), Bucharest-Măgurele, Romania and IPPLM, Warsaw, Poland. Porozumienie o współpracy naukowej IFPiLM z NIPNE przy realizacji projektu Extreme Light Infrastructure – Nuclear Physics (ELI-NP) w Bukareszcie-Măgurele, Rumunia. Okres realizacji: 2013–2018 (z możliwością przedłużenia).
• Agreement on cooperation IPPLM – ENEA – Energy Research Centre, Frascati, Włochy. Umowa o współpracy IFPiLM z ENEA-Frascati w zakresie badań fuzji laserowej w ramach programu EUROfusion. Okres realizacji: od 2012 r.
  
  

Umowy i porozumienia dotyczące współpracy IFPiLM (w tym ZFiZPL) z krajowymi ośrodkami badawczymi:

• Umowa o utworzeniu Krajowego Konsorcjum ELI-Polska uczelni i jednostek badawczych zainteresowanych udziałem w budowie i użytkowaniu europejskiej infrastruktury badawczej Extreme Light Infrastructure. Została ona podpisana 8 lipca 2019 r. przez reprezentantów 11 polskich uczelni i jednostek badawczych, w tym IFPiLM.
  Umowa zapewni efektywne uczestnictwo w unikalnym przedsięwzięciu inwestycyjnym i w wykorzystaniu do badań trzech wielkich laserów: ELI-Beamlines w Czechach, ELI-ALPS na Węgrzech i ELI-NP w Rumunii. Ultrakrótkie impulsy o wielkiej mocy (ponad 10 MW) generowane za pomocą tych laserów mogą być wykorzystane m.in. do akceleracji elektronów i jonów generacji intensywnych wiązek promieniowania gamma, do badań w obszarach fizyki atomowej i jądrowej, w obrazowaniu i diagnostyce medycznej, w radioterapii, do wytwarzania nowych materiałów i nowych rozwiązań optycznych.
• Konsorcjum Centrum Nowe Technologie Energetyczne [CeNTE].
  W zakres działalności CeNTE wchodzą badania i rozwój technologii termojądrowej konwersji energii oraz technologii pokrewnych i wspomagających. Konsorcjum CeNTE oprócz IFPiLM (koordynator) obejmuje 16 instytucji: Okres realizacji: od 2014 r.
• Krajowe Konsorcjum XFEL-POLSKA dotyczące wykorzystywania do badań Europejskiego Lasera na Swobodnych Elektronach (XFEL) w ośrodku DESY w Hamburgu.
  W 2017 r. przyjęto Aneks nr 1 do Umowy wielostronnej z dnia 30 stycznia 2007 r. o utworzeniu Krajowego Konsorcjum XFEL-POLSKA, którego członkami zostały jednostki naukowe i uczelnie zainteresowane udziałem w budowie i eksploatacji układu XFEL. W konsorcjum uczestniczy ponad 20 organizacji naukowych. Okres realizacji: od 2007 r. (Aneks w 2017 r.).
• Porozumienie o współpracy IFPiLM z Wojskową Akademią Techniczną dotyczące organizacji praktyk dla studentów WAT. Okres realizacji: od 2013 r. bez ograniczeń.
• Porozumienie o współpracy IFPiLM z Wydziałem Fizyki UW dotyczące organizacji praktyk dla studentów IF PW. Okres realizacji: 2012–2014 (z możliwością przedłużenia).

PROJEKTY

Projekty badawcze wykonywane w całości lub w części w ZFiZPL związane są z wieloletnim programem badań realizowanych w tym Zakładzie [Misja]. Większość prac badawczych dotyczących oddziaływań laser-materia i fuzji laserowej w ZFiZPL jest realizowana i finansowana w ramach projektów krajowych i międzynarodowych (głównie europejskich) z dofinansowaniem środkami z MNiSW. Projekty te w większości są koordynowane przez IFPiLM. Niektóre projekty, koordynowane przez ośrodki zagraniczne realizowane z udziałem ZFiZPL obejmują badania prowadzone w laboratoriach europejskich i w części w LLWM z udziałem  pracowników z zewnętrznych ośrodków.

Poniżej są wymienione najważniejsze projekty badawcze realizowane w ciągu ostatnich lat przez pracowników ZFiZPL we współpracy z zespołami z innych ośrodków:

• EUROfusion Project RoHGIFE Routes to High Gain for Inertial Fusion Energy (1.01.2019–31.12.2020). Projekt RoHGIFE jest kontynuacją projektu EUROfusion ToIFE (Towards Demonstration of Inertial Fusion for Energy, 2014–2018).
  Projekt realizowany w ramach współpracy europejskiej obejmuje badania teoretyczno-numeryczne i eksperymentalne dotyczące różnych wariantów laserowej syntezy termojądrowej (fuzja z inercyjnym utrzymaniem plazmy). ZFiZPL realizuje w latach 2019–2020 badania numeryczne związane z tzw. szybkim zapłonem jonowym (SZJ) fuzji, w tym badania laserowej akceleracji intensywnych wiązek jonów dla SZJ i ich oddziaływania z tarczami fuzyjnymi, a także badania emisji impulsów elektromagnetycznych z plazmy wytwarzanej laserami terawatowymi i petawatowymi w korelacji z emisją cząstek z plazmy.
  
  
• Experiment 19-PS-F2 carried out at LULI Pico2000 in September 2019, J. Santos: „High-resolution measurements of laser-driven magnetic fields with application to isochoric heating and ion acceleration”, Collaboration: CELIA - Univ. Bordeaux, LULI, CEA-DAM-DIF, Univ. Alberta, Czech Inst. Plasma Physics, IPPLM-Warsaw, Univ. York, HZDR, Tech. Univ. Darmstadt, ILE – Osaka Univ., UCSD).
  W eksperymencie 19-PS-F2 wykonanym w laboratorium LULI we Francji w ramach współpracy naukowej kilku laboratoriów zespół z ZFiZPL wykonał z wysoką rozdzielczością pomiary rozkładów spontanicznych pól magnetycznych i rozkładów koncentracji elektronów w plazmie generowanej laserem.

• Laserlab-Europe Project: PALS-002628: Comprehensiv investigations of the optical generators of the strong magnetic field and magnetized plasma foe ICF and astrophysical applications (2019–2020).
  Projekt będący poszerzeniem badań objętych projektem PALS-2368 dotyczy badań spontanicznych pól magnetycznych (SPM) i namagnetyzowanej plazmy generowanych laserem PALS w Ośrodku badawczym PALS w Pradze (Republika Czeska). Badania są wykonywane z użyciem polaro-interferometru oraz diagnostyk jonowych i rentgenowskich oraz przy zastosowaniu tarcz o specjalnej konstrukcji. Uzyskiwane wyniki badań będą ważne do optymalizacji fuzji laserowej i symulacji zjawisk astrofizycznych.

• Laserlab-Europe Project: PALS-002514: Alternative method of acceleration of dense plasma objects (macroparticles/plasma streams), (1.01.2019–31.12.2020).
  Celem badań jest optymalizacja warunków oświetlania oraz konstrukcji tarcz naświetlanych laserem PALS w Pradze, dla efektywnego laserowego przyspieszania makrocząstek i gęstych strumieni plazmy. Stosowane są specjalne tarcze typu Cavity Acceleration Pressure. Eksperymenty dotyczą badań związanych z fuzją laserową.
  
  
• Laserlab-Europe Project: PALS-002368: “Space-time measurements of spontaneous magnetic field in correlation with the electron and ion emission from the ablative plasma on the PALS laser in the context of ICF application” (1.01.2018–30.11.2019).
  Projekt dotyczy przestrzenno-czasowych pomiarów spontanicznych pól magnetycznych (SPM) w korelacji z emisją elektronów i jonów z plazmy ablacyjnej na układzie laserowym PALS w Pradze. Wyniki pomiarów są ważne dla różnych zastosowań, w szczególności dla badań fuzji laserowej oraz badań astrofizycznych.
  
  
• EUROfusion Project WP-ER: ENR-IFE19.CEA-01: Study of Direct Drive and Shock Ignition for IFE: Theory, Simulations, Experiments, Diagnostics development (2014–2018).
  W ramach projektu na układzie PALS w Pradze prowadzone są badania związane z koncepcją fuzji laserowej z zapłonem udarowym. Dotyczą one identyfikacji mechanizmów przekazu energii lasera do fali uderzeniowej w plazmie z udziałem szybkich elektronów. Sprawdzane są korelacje czasowe między frakcjami szybkich elektronów generowanymi w wyniku różnych mechanizmów w zależności od długości fali promieniowania laserowego. Prowadzone są spektroskopowe pomiary emisji elektronów i jonów w połączeniu z pomiarami polaro-interferometrycznymi parametrów plazmy.

• Grant NCN HARMONIA nr 2014/14/ST7/00024: Impulsy elektromagnetyczne inicjowane oddziaływaniem lasera z tarczą w układach laserowych wielkiej mocy (2015–2018).
  W ramach projektu przeprowadzono badania dotyczące generowania impulsów elektromagnetycznych (EMP) w wyniku oddziaływań lasera wielkiej mocy z materią. Oprócz badań w LLWM wykonano także pomiary EMP w laboratoriach CELIA na Uniwersytecie w Bordeaux (Francja), laboratorium CLF w Rutherford Appleton Laboratory (Wielka Brytania) oraz PALS w Pradze. Do pomiarów EMP stosowano m.in. specjalne sondy wykonane w ZFiZPL. Zbadano mechanizmy wytwarzania EMP oraz właściwości EMP emitowanych w różnych warunkach oddziaływania laser-tarcza. Otrzymane rezultaty powinny być użyteczne przy projektowaniu eksperymentów na dużych układach laserowych, m.in. takich jak budowane obecnie lasery Extreme Light Infrastructure w Pradze, Szegedzie i Bukareszcie oraz multi-kJ laser PETAL w Bordeaux.

• Laserlab-Europe Project: PALS-2200: Comprehensive investigation of ablative plasma with using femtosecond polaro-interferometry for applications in inertial confinement fusion and astrophysics (2016–2017).
  Projekt obejmował pomiary spontanicznych pól magnetycznych (SPM) w plazmie laserowej za pomocą dwukanałowego polaro-interferometru, oświetlanego impulsem lasera o czasie trwania 40 fs. Uzyskane rozkłady SPM były podstawą do określenia przekazu energii lasera do SPM poprzez gorące elektrony. Uzyskane wyniki mogą być wykorzystane w badaniach syntezy laserowej z tzw. szybkim zapłonem paliwa DT (fast ignition).

• Project COST Action MP 1208: Memorandum of Understanding for the implementation of a European Concerted Research Action designated as COST Action MP1208: Developing the Physics and the Scientific Community for Inertial Confinement Fusion at the Time of NIF ignition (2013–2017).
  Głównym celem projektu realizowanego z udziałem ZFiZPL było wspieranie współpracy europejskiej w zakresie rozwoju badań fizyki z inercyjnym utrzymaniem plazmy (fuzja laserowa) w relacji do wyników prac wykonywanych na układzie laserowym NIF (National Ignition Facility) w USA ukierunkowanych na maksymalizację wydajności fuzji laserowej i zapłon paliwa DT.

• Project SILMI – RNP-ESF (European Science Foundation): Studies of macroscopic effects of high-intensity laser-matter interaction and applications of results of these investigations (2014–2016).
  Celem projektu realizowanego z udziałem ZFiZPL było wspieranie europejskich badań fundamentalnych i aplikacji dotyczących procesów oddziaływań laserów wielkiej mocy z materią w zakresie teorii, eksperymentu i zastosowań praktycznych.

• Grant NCN – HARMONIA nr 2012/04/M/ST2/00452: Badania nieliniowych oddziaływań laser-plazma i generacji fal uderzeniowych w plazmie dla potrzeb udarowego zapłonu termojądrowego z utrzymaniem inercyjnym (2013–2015).
  Badania dotyczyły fuzji z tzw. udarowym zapłonem paliwa jądrowego, w której spalanie skomprymowanego paliwa deuterowo-trytowego (DT) jest inicjowane silną falą uderzeniową generowaną laserem. Eksperymenty prowadzono głównie w ośrodku PALS RC w Pradze na kilodżulowym laserze PALS, którego parametry, takie jak natężenie i czas trwania impulsu laserowego, są bliskie przewidywanym parametrom impulsu wytwarzającego falę uderzeniową umożliwiającą zapłon paliwa. W wyniku przeprowadzonych pomiarów, wspomaganych symulacjami komputerowymi, zidentyfikowano i scharakteryzowano główne mechanizmy odpowiedzialne za nieliniowy charakter oddziaływania promieniowania laserowego z plazmą w warunkach odpowiadających udarowemu zapłonowi fuzji oraz określono wpływ tych mechanizmów na efektywność przekazu energii od lasera do fali uderzeniowej. Określono warunki, przy spełnieniu których możliwe jest wygenerowanie fali uderzeniowej o ciśnieniu spełniającym wymagania udarowego zapłonu (300 Mbar), a także zaproponowano i zademonstrowano nowy sposób wytwarzania fali uderzeniowej umożliwiający osiągnięcie wymaganego ciśnienia przy znacznie mniejszych energiach i natężeniach impulsu laserowego niż przy wykorzystaniu metod stosowanych dotychczas.

• Projekt RPO_WM nr MJWPU.420-738/10: „Rozbudowa i modernizacja Laboratorium Laserów Wielkiej Mocy (LLWM) w IFPiLM”. Projekt był dofinansowywany przez Unię Europejską w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Mazowieckiego (RPO-WM, 2011–2013).
  W celu dalszego radykalnego rozwoju badań w LLWM z użyciem lasera Pulsar 10 TW zrealizowano projekt RPO-WM obejmujący budowę i zakup aparatury diagnostycznej do badania plazmy laserowej, w tym: szybkiej kamery i spektrometru promieniowania X, interferometru wielokadrowego, dwóch jonowych spektrometrów masowych i układów do akwizycji wyników pomiarów. Program dotyczył też budowy dwóch komór plazmowych z układami próżniowymi i modernizacji pomieszczeń laboratorium [Wyposażenie].

• Project HiPER: Grant Agreement No.: 211737. Project funded by the EU Commission: HiPER – European High Power Laser Experimental Research Facility, Preparatory Phase Study (2008–2011).
  Projektowana europejska infrastruktura laserowa HiPER ma być przygotowana do demonstracji efektywności syntezy laserowej jako przyszłego źródła energii oraz do prowadzenia badań różnych zastosowań lasera o wielkiej gęstości mocy. IFPiLM w ramach projektu HiPER badał zastosowania generowanego laserem impulsu jonowego do inicjowania „szybkiego zapłonu” paliwa termojądrowego oraz analizował możliwości zastosowania infrastruktury HiPER do symulacji zjawisk astrofizycznych i badania mechanizmów laserowego przyspieszania jonów.
  Wykorzystując środki projektu HiPER i fundusze krajowe, w 2010 roku zakupiono dla IFPiLM i zainstalowano w ZFiZPL laser wielkiej mocy PULSAR generujący impulsy o czasie trwania 40 fs, mocy 10 TW i gęstości mocy >10¹⁸ W/cm² [Wyposażenie].

• Laserlab-Europe Projects: Poniżej wymienione projekty, sfinansowane przez Konsorcjum Laserlab-Europe, zostały zrealizowane w latach 2007–2014 przez zespoły pracowników z ZFiZPL we współpracy międzynarodowej.
  Projekty te dotyczyły badań różnych aspektów oddziaływania lasera wielkiej mocy z tarczami stałymi, w tym pomiarów strumieni jonów, promieniowania rentgenowskiego i strug plazmowych (plasma jets) emitowanych z plazmy laserowej (w lab. PALS) oraz laserowej akceleracji jonów (w lab. LULI) i gęstej plazmy (w lab. PALS). Badano też zjawiska ważne dla optymalizacji fuzji laserowej.

• LULI-001317: Laser-induced generation of high-density high-current proton beams using skin-layer ponderomotive acceleration,
• PALS-1887: The effect of preformed plasma on a laser-driven shock produced in a planar target at the conditions relevant to shock ignition,
• PALS-1766: Mutual interactions of laser-produced plasmas with different atomic numbers in an axially symmetrical geometry,
• PALS-1552: Plasma jet creation and its interaction with plasmas and other jets,
• PALS-1514: Highly efficient acceleration and collimation of high-density plasma for fusion-related applications.

WYPOSAŻENIE

Wyposażenie Laboratorium Laserów Wielkiej Mocy (LLWM) w IFPiLM obejmuje następujące zestawy badawcze: laser wielkiej mocy Pulsar 10 TW, dwa stanowiska pomiarowe składające się z próżniowych komór plazmowych wyposażonych w układy diagnostyczne do badania oddziaływań laser-materia.

Laser wielkiej mocy Pulsar 10 TW zakupiono dla LLWM w 2010 roku przy wykorzystaniu środków z projektu HiPER (European High Power Laser Energy Research Facility) [Projekty], środków własnych IFPiLM oraz wsparcia finansowego z MNiSW. W LLWM do pomiarów procesów oddziaływania lasera Pulsar 10 TW z tarczą stosowane są układy diagnostyczne przez lata budowane w IFPiLM oraz nowoczesne układy zbudowane w latach 2011–2013 w ramach projektu Regionalnego Programu Operacyjnego Województwa Mazowieckiego (RPO-WM) „Rozbudowa i modernizacja laboratorium laserów wielkiej mocy”, dofinansowywanego ze środków UE. W ramach projektu RPO-WM zbudowano też dwie nowoczesne próżniowe komory plazmowe do badań tych oddziaływań [Projekty].

Laser wielkiej mocy Pulsar

Laser Pulsar o mocy ponad 10 TW generuje ultrakrótkie impulsy o energii do 500 mJ i czasie trwania ^~40 fs. Laser składa się z 7 modułów: generatora, boostera, stretchera, wzmacniacza regeneratywnego, dwóch wzmacniaczy wieloprzejściowych oraz kompresora optycznego.

Uproszczony schemat lasera femtosekundowego

Ciąg impulsów femtosekundowych jest wytwarzany w generatorze z częstotliwością 80 MHz, a następnie przechodzi przez kolejne moduły, gdzie następuje jego modyfikacja celem osiągnięcia wymaganych parametrów. Najpierw wiązka kierowana jest do boostera, gdzie z ciągu impulsów powstających w generatorze wycinany jest jeden impuls z częstotliwością 10 Hz. Laser może także pracować w trybie pojedynczego strzału. W boosterze także poprawiany jest kontrast impulsu. Dalej wiązka przechodzi przez układ stretchera. Tam impuls ulega czasowemu wydłużeniu na siatce dyfrakcyjnej do czasu trwania 300 ps. Tak wydłużony impuls ulega wzmocnieniu 10⁶ razy we wzmacniaczach regeneratywnym i wieloprzejściowym, uzyskując energię do 500 mJ.

Ostatnim elementem lasera jest kompresor optyczny, w którym na siatkach dyfrakcyjnych czas trwania impulsu ulega skróceniu do około 40 fs. Kompresja impulsu odbywa się w komorze próżniowej celem uniknięcia optycznych zjawisk nieliniowych zachodzących w powietrzu pod normalnym ciśnieniem podczas propagacji impulsu laserowego wielkiej mocy. Testy wykazały, że praca lasera jest stabilna i parametry impulsów są powtarzalne. Podczas eksperymentów wykonywany jest pomiar energii impulsu przy każdym strzale. Jest możliwość wprowadzania w tor wiązki lasera głównego wiązki lasera pomocniczego o długości fali i rozbieżności zgodnej z wiązką główną. Laser pomocniczy jest wykorzystany do precyzyjnego ustawiania tarczy bez udziału lasera głównego oraz do innych prac związanych z justowaniem systemu.

Wzmacniacze wiązki laserowej w laserze Pulsar	Optyczny kompresor lasera Pulsar

Stanowisko do badania oddziaływań laser-materia

Stanowisko do realizacji eksperymentów laserowo-plazmowych zapewnia uzyskiwanie zaplanowanych parametrów wiązki laserowej ogniskowanej na tarczy i warunki zapewniające prawidłowe pomiary elektronów, jonów i promieniowania X, emitowanych z plazmy laserowej. W LLWM zainstalowano dwie niezależne komory plazmowe połączone oddzielnie z optycznym kompresorem impulsu laserowego. Propagacja wiązki kierowanej do każdej z komór eksperymentalnych odbywa się w przewodzie próżniowym. Jest to konieczne dla uniknięcia przebić w powietrzu powodowanych impulsem lasera wielkiej mocy. Do wnętrz komór plazmowych wstawiono płyty montażowe podparte na podłodze niezależnie od obudowy komory. Pozwala to uniknąć drgań i przesunięć związanych z działaniem układu pompowego.

Ciśnienie powietrza w próżniowych komorach plazmowych podczas eksperymentu wynosi 10^-6 Tr, co zapewnia odpowiednie warunki do uzyskiwania wiarygodnych wyników badań oddziaływań laser-materia przy wykorzystywaniu tarcz naświetlanych laserem wykonanych z metali, mas plastycznych i tarcz gazowych. Odpowiedni poziom próżni zapewniają układy pompowe, których głównymi elementami są nowoczesne pompy turbomolekularne.

Układ ogniskowania wiązki lasera na tarczy składa się z płaskiego zwierciadła naprowadzającego oraz pozaosiowego zwierciadła parabolicznego. Wiązka wpadająca do komory plazmowej odbija się od zwierciadła płaskiego i pada na zwierciadło paraboliczne, którego oś optyczna jest odchylona od osi mechanicznej pod kątem 30°23’. Dzięki temu wiązka jest ogniskowana w środku komory, gdzie ustawiana jest tarcza.

Rozmieszczenie elementów w komorze: 1 - zwierciadło naprowadzające; 2 – zwierciadło paraboliczne; 3 – tarcza; 4 - układ pozycjonowania; 5 - kolektory jonów; 6 - detektory promieniowania X typu FLM; 7, 8 - układy detektorów z węglika krzemu wraz z kolektorami

Układ pozycjonowania tarczy pozwala na ustawienie powierzchni tarczy w płaszczyźnie ogniska z dokładnością do 0,5 µm. Zestaw czterech stolików umożliwia przesuwanie tarczy w trzech kierunkach oraz jej obrót. Stoliki są oddzielnie napędzane zdalnie sterowanymi silnikami, co umożliwia przemieszczanie tarczy z rozdzielczością 0,156 µm oraz jej obrót z rozdzielczością 0,015°. Silniki podłączone są do komputerowej stacji kontroli. Powtarzalność ruchu stolików liniowych wynosi 1 µm.

Specjalny układ obserwacyjny zapewnia możliwość monitorowania kraterów powstałych po każdym strzale i precyzyjnego wyboru miejsca na tarczy do oddania kolejnego strzału. Przed strzałem lasera dostępna jest informacja o dokładnej pozycji powierzchni tarczy względem ogniska. Jest możliwość precyzyjnego i szybkiego przesunięcia tarczy bez konieczności otwierania komory. Wykorzystywana jest do tego specjalnie napisana aplikacja, zapewniająca sterowanie stolikami i migawkami, jak również dająca możliwość podglądu obrazu z kamer.

Stanowisko pomiarowe przy laserze Pulsar	Układ do precyzyjnego ustawiania próbki naświetlanej wiązką Lasera 10 TW

Sprawdzanie ustawienia tarczy przy komorze plazmowej Lasera 10 TW

Układy diagnostyczne do badania oddziaływań laser-materia zbudowane w ramach projektu RPO-WM

Dwa spektrometry Thomsona

Ważnym urządzeniem stosowanym do pomiarów parametrów jonów emitowanych z plazmy laserowej jest spektrometr Thomsona. W spektrometrze tym rozkłady energii jonów wyznaczane są na podstawie kształtu parabol obrazujących w detektorze ślady jonów po przejściu przez układ pól magnetycznych i elektrycznych.

W zbudowanych w IFPiLM spektrometrach zastosowano stałe magnesy i nierównoległe elektrody wytwarzające pole elektrostatyczne. Maksymalna wartość natężenia pola elektrycznego jest większa niż 4 MV/m, a wielkość maksymalnej indukcji magnetycznej jest nie mniejsza niż 500 mT.

Schemat spektrometru Thomsona przeznaczonego do pomiaru energii jonów

Do zapisywania parabol obrazujących rozkład energii analizowanych jonów można stosować płytki RCF (radiochromatic films) albo elektro-optyczne rejestratory obrazu z automatycznym zapisem wyników w komputerze.

Interferometr trójkadrowy i polaro-interferometr do badania rozkładów koncentracji elektronowej i pól magnetycznych w plazmie wytwarzanej laserem

Interferometr trójkadrowy umożliwia rejestrację trzech interferogramów w formie oddzielnych kadrów przy czasie ekspozycji równym czasowi trwania impulsu lasera sondującego plazmę. Analiza interferogramów z użyciem specjalnego programu komputerowego pozwala określić rozkłady koncentracji plazmy w kolejnych momentach czasowych wyznaczonych czasem opóźnienia rzędu pojedynczych nanosekund między trzema wiązkami sondującymi plazmę. Pierwotna wiązka lasera diagnostycznego jest rozdzielana za pomocą układu optycznego na trzy wiązki sondujące, wzajemnie opóźniane za pomocą optycznych linii opóźniających.

Interferometr trójkadrowy przeznaczony do pomiaru rozkładów koncentracji plazmy laserowej

Polaro-interferometr został przygotowany i uruchomiony w IFPiLM do badań ekspandującej plazmy laserowej prowadzonych w LLWM i w laboratoriach, z którymi zespoły z ZFiZPL współpracują. W skład układu wchodzą następujące podzespoły: dwa dwukanałowe moduły polaro-interferometryczne (2KPI) umieszczone wewnątrz komory plazmowej, układ wprowadzania wiązek diagnostycznych oraz układ separacji i rejestracji kadrów. Moduł 2KPI zawiera następujące elementy: dwa polaryzatory, obiektywy, kliny optyczne, filtry oraz kamery CCD do rejestracji obrazów. Dodatkowo moduł ten jest wyposażony w okienka ochronne.

Schemat polaro-interferometru

Zadaniem polaryzatorów jest przestrzenny podział wiązki diagnostycznej na dwa kanały, w których płaszczyzny liniowo spolaryzowanych wiązek są wzajemnie prostopadłe. Oba kanały są równoważne i w zależności od kąta skręcenia jednego polaryzatora względem drugiego mogą pełnić rolę polarymetru bądź układu do fotografii cieniowej. W przypadku całkowitego skrzyżowania polaryzatorów rejestrowany będzie polarogram, natomiast przy dużych skręceniach płaszczyzn polaryzatorów powstaje cieniogram. Umieszczenie w jednym z kanałów klina optycznego powoduje, że kanał ten pełni rolę interferometru.

Rozmieszczenie podzespołów i elementów polaro-interferometru w komorze eksperymentalnej

Układ rejestracji obrazów zainstalowany poza komorą eksperymentalną. Posiada on własne zasilanie i odizolowany jest od zakłóceń elektromagnetycznych. Składa się z czterech kamer CCD umożliwiających rejestrację obrazów z wysoką rozdzielczością przestrzenną i dynamiką. Każda z kamer wyposażona jest w kasetę z filtrami (interferencyjnymi oraz szarymi). Kamery podłączone są do komputera i są obsługiwane przez specjalną aplikację.

Spektrometr rentgenowski

Do badań spektralnych promieniowania X emitowanego z plazmy laserowej stosowany jest ogniskujący spektrometr z wygiętym kryształem. Rejestracja linii spektralnych połączona z symulacjami pozwala na określenie temperatury i koncentracji plazmy. Kryształ kwarcowy umożliwia rejestrację widma w zakresie spektralnym od 6 do 8 A. Jako detektor stosowana jest pasywna metoda rejestracji z użyciem klisz RCF odczytywanych w specjalnym czytniku albo kamera CCD typu back-illuminated.
Skonfigurowany spektrometr, po dobraniu odpowiednich odległości poszczególnych elementów spektrometru, to znaczy dystansów: źródło plazmy – kryształ i kryształ – detektor, umieszczono w komorze eksperymentalnej, odpowiednio osłaniając kryształ i detektor.

Szybka, czterokadrowa kamera do rejestracji obrazów plazmy w zakresie ultrafioletu próżniowego i miękkiego promieniowania rentgenowskiego

Stosowana w LLWM czterokadrowa kamera do rejestracji obrazów plazmy w zakresie ultrafioletu próżniowego (VUV) i miękkiego promieniowania rentgenowskiego (SXR) umożliwia szybką, jednoczesną rejestrację struktury i dynamiki ekspandującej plazmy laserowej w podanych wyżej zakresach spektralnych z rozdzielczością czasową na poziomie pojedynczych nanosekund.
Elementem czynnym pozwalającym na uzyskiwanie obrazów (kadrów) badanego zjawiska jest wzmacniacz obrazu z soczewką elektronooptyczną stosowaną do badań obiektów szybkozmiennych charakteryzujących się wysoką luminancją.

Zasada działania i schemat pojedynczego kanału kamery kadrowej do rejestracji obrazów plazmy w zakresie ultrafioletu próżniowego i miękkiego promieniowania rentgenowskiego

Układ rejestracji składa się z czterech kamer CCD umożliwiających rejestrację obrazów z wysoką rozdzielczością przestrzenną i dynamiką. Kamery podłączone są do komputera i są obsługiwane przez specjalną aplikację. Pozwala ona na sterowanie pracą kamer, podgląd obrazów z kamer, pozyskiwanie obrazów, eksport zarejestrowanych obrazów do określonych formatów graficznych i przetwarzanie tych obrazów.

Układy diagnostyczne do badania oddziaływań laser-materia zbudowane w ZFiZPL bez wykorzystywania środków projektu RPO-WM

Elektrostatyczny analizator energii jonów

Układ jest stosowany do określenia z bardzo dużą dokładnością składu i stopnia jonizacji jonów emitowanych z plazmy. Analizator umożliwia ponadto określenie rozkładu energii jonów, a także innych charakterystyk strumienia jonów. Podstawowe elementy analizatora to: cylindryczny, elektrostatyczny układ odchylania jonów o kąt 90 i detektor z otwartym powielaczem elektronowym o wzmocnieniu 10⁷. Analizator został zaprojektowany i zbudowany w IFPiLM i jest urządzeniem unikatowym w skali międzynarodowej.

Schemat elektrostatycznego analizatora energii jonów i zapisane widmo jonów tantalu (Ta)

Elektrostatyczny analizator energii jonów zainstalowany na stanowisku do badania emisji jonów z plazmy laserowej

Kolektory jonów

Kolektor jonów typu puszka Faradaya wykorzystywany jest do określenia podstawowych charakterystyk strumienia jonów na podstawie pomiaru czasu przelotu jonu od tarczy naświetlanej laserem do kolektora. Kolektory jonów umożliwiają określenie: średniej prędkości i średniej energii jonów, całkowitego ładunku jonów i gęstości prądu jonowego oraz rozkładów kątowych emisji jonów z plazmy. W ZFiZPL jest stosowanych kilka rodzajów kolektorów jonów umożliwiających pomiary parametrów strumieni jonów w zakresie kilku rzędów wielkości (w szczególności energii jonów od sub-keV do MeV).

Detektory śladowe do określenia widma energetycznego lekkich jonów i liczby jonów określonego rodzaju

W laboratorium stosuje się głównie detektory śladowe typu CR-39 (PM-355). Są one szczególnie użyteczne przy określaniu widm energetycznych lekkich jonów (np. protonów, jonów węgla) w zakresie energii >1 MeV, w którym pomiar przy użyciu kolektorów jonów jest mało dokładny.

Detektory rentgenowskie różnego rodzaju

Detektory rentgenowskie są stosowane do pomiaru miękkiego i twardego promieniowania rentgenowskiego emitowanego z plazmy laserowej. Są to przede wszystkim detektory krzemowe typu BPYP i FLM o małej pojemności. Mają one różne grubości warstwy czynnej i są wyposażone w różne filtry (głównie Al i Be). Stosowane detektory umożliwiają pomiar promieniowania X z plazmy w zakresie 5–20 keV z rozdzielczością sub-nanosekundową. Bardzo szybkie (<100 ps) detektory InP i detektory diamentowe stosowane są do rejestracji impulsów miękkiego promieniowania X i XUV.

Detektory promieniowania rentgenowskiego bez rozdzielczości czasowej

Do pomiaru zintegrowanego w czasie promieniowania rentgenowskiego emitowanego z plazmy laserowej stosowane są w ZFiZPL detektory termoluminescencyjne (TLD), bolometry, fotodiody połączone ze wzmacniaczem ładunkowym i sondy scyntylacyjne ze scyntylatorami Cs(Tl) albo plastikowymi. Detektory TLD i bolometry mogą być użyte do kalibracji innych detektorów. Dwuwymiarowy obraz obszaru emitującego promieniowanie X uzyskuje się za pomocą kamery otworkowej (pinhole camera) wyposażonej w film rentgenowski albo w optyczną kamerę CDD pozbawioną szklanego okienka. Powyższe detektory mogą być używane przy stosowaniu wybranej grubości warstwy martwej i warstwy czynnej oraz przy użyciu odpowiedniego filtru absorpcyjnego.

Aparatura stosowana do badania pól elektromagnetycznych (IEM) generowanych w wyniku oddziaływania laser-tarcza

Przygotowano kilka rodzajów sond (anten) do rejestrowania parametrów pól IEM w eksperymentach zrealizowanych w ramach projektu HARMONIA i projektu Laserlab-Europe [Projekty] w LLWM i w laboratoriach PALS w Pradze i CELIA w Bordeaux. Sondy są instalowane w różnych miejscach wewnątrz i na zewnątrz komory, w której zachodzi oddziaływanie laser-tarcza. Ważnych danych dostarcza płaska, szerokopasmowa antena, która rejestruje parametry wielo-GHz składowej promieniowania IEM. Do pomiaru parametrów elektronów uciekających z tarczy przygotowano płytki obrazujące, wyspecjalizowane spektrometry elektronowe, analizatory magnetyczne wykorzystujące magnesy trwałe, a także puszki Faradaya podłączone do szybkich czujników prądu. W badaniach IEM stosowane są też układy do pomiaru parametrów jonów generowanych w plazmie laserowej [Wyposażenie].