Συνοπτική Περιγραφή

Η έρευνα επικεντρώνεται στη δημιουργία οπτικά διαμορφούμενων αέριων στόχων μέσω αλληλεπίδρασης παλμών laser νανοδευτερολέπτου με προφίλ jet αερίου υψηλής πυκνότητας, επιτρέποντας την επιτάχυνση πρωτονίων στην περιοχή πλησίον της κρίσιμης πυκνότητας μέσω μαγνητικής επιτάχυνσης δίνης (MVA). Αναπτύσσουμε ολοκληρωμένη μεθοδολογία συνδυάζοντας προηγμένα πειραματικά διαγνωστικά (συμβολομετρία Mach-Zehnder, σκιαγραφία) και υπολογιστικές προσομοιώσεις πολλαπλών φυσικών πεδίων (3D MHD με FLASH, 3D PIC με EPOCH) για τη μελέτη συγκρούσεων κυμάτων κρούσης, βελτιστοποίηση προφίλ πυκνότητας στόχου και επακόλουθη επιτάχυνση πρωτονίων από συστήματα laser femtosecond ισχύος TW.

Keywords: magnetic vortex acceleration, blast waves, near-critical density plasma, proton acceleration, gas jet targets, MHD simulations, PIC simulations, optical shaping

Αναλυτική περιγραφή

Η μελέτη επιτάχυνσης ιόντων με laser αποτελεί θεμελιώδες ερευνητικό αντικείμενο με κρίσιμες εφαρμογές στη σύντηξη αδρανειακού περιορισμού, στην αδρονική θεραπεία και στη φυσική πλάσματος υψηλής ενεργειακής πυκνότητας. Οι αέριοι στόχοι αποτελούν πολλά υποσχόμενη εναλλακτική έναντι των στερεών στόχων για λειτουργία υψηλής συχνότητας επανάληψης, απαλλαγμένη από θραύσματα, αλλά απαιτούν ακριβή έλεγχο του προφίλ πυκνότητας για την επίτευξη της περιοχής πλησίον της κρίσιμης πυκνότητας. Η ερευνητική μας ομάδα αναπτύσσει και εφαρμόζει ολοκληρωμένη μεθοδολογία συνδυάζοντας πειράματα υψηλής ακρίβειας και προηγμένα υπολογιστικά μοντέλα για οπτική διαμόρφωση στόχων πίδακα αερίου μέσω συγκρουόμενων ωστικών κυμάτων και μελέτη επιτάχυνσης πρωτονίων μέσω μαγνητικής επιτάχυνσης.

Πειραματική Προσέγγιση

Χρησιμοποιούμε σύστημα παροχής αερίου υψηλής πίεσης αποτελούμενο από ενισχυτή υδρογόνου Haskel (πίεση έως 1000 bar) και ηλεκτροβαλβίδα Clark Cooper, σε συνδυασμό με ακροφύσια κωνικά σχεδιασμένα κατά παραγγελία (διάμετρος 400 μm). Για οπτική διαμόρφωση, παλμός Nd:YAG (1064 nm, 6 ns, 835 mJ) διαχωρίζεται σε πολλαπλές δέσμες και εστιάζεται στον πίδακα αερίου για παραγωγή κυμάτων κρούσης Sedov. Ο επιταχύνων παλμός παρέχεται από το σύστημα laser ZEUS 45 TW Ti:Sa (800 nm, 25 fs, 1.1 J, a₀ ~14). Τα διαγνωστικά περιλαμβάνουν:

• Συμβολομετρία Mach-Zehnder: Μέτρηση ηλεκτρονιακής πυκνότητας μέσω ανάλυσης μετατόπισης κροσσών

• Σκιαγραφία: Οπτικοποίηση δυναμικής μετώπου κρούσης και περιοχής συμπίεσης

• Ανιχνευτές CR39: Μέτρηση ενεργειακού φάσματος ιόντων με μάσκα πολλαπλών φίλτρων (1.0-11.3 MeV/u)

• Ραδιοχημικό φιλμ (RCF): Κατανομή δόσης ιόντων και ηλεκτρονίων

Υπολογιστική Προσέγγιση

Για την κατανόηση και πρόβλεψη της συμπεριφοράς διαμόρφωσης και επιτάχυνσης, αναπτύσσουμε προηγμένα υπολογιστικά μοντέλα:

3D MHD Προσομοιώσεις (κώδικας FLASH): Μοντελοποίηση παραγωγής και σύγκρουσης ωστικών κυμάτων, λαμβάνοντας υπόψη:

• Δυναμική ωστικών κυμάτων Sedov

• Ray tracing για πολλαπλές δέσμες laser (2.5×10⁴ ακτίνες ανά δέσμη)

• Καταστατική εξίσωση (IONMIX4) με πλέγμα θερμοκρασίας-πυκνότητας

• 5% αρχικός ιονισμός για σύζευξη ενέργειας laser

• Προσαρμοστική βελτίωση πλέγματος (AMR επίπεδο 5, μέγεθος κελιού ~1.5×1.2×1.5 μm)

3D PIC Προσομοιώσεις (κώδικας EPOCH): Μοντελοποίηση επιτάχυνσης πρωτονίων μέσω MVA, λαμβάνοντας υπόψη:

• Field ionization module (ενέργεια ιονισμού H 13.6 eV)

• Boris pusher και Yee solver με σχήμα Villasenor-Buneman για πυκνότητα ρεύματος

• Συναρτήσεις σχήματος σωματιδίων 4ης-5ης τάξης

• 4 μακροσωματίδια ανά κελί

Εφαρμογές και Βασικά Ευρήματα

Οπτική Διαμόρφωση μέσω Συγκρούσεων Ωστικών Κυμάτων

• Μονό Κύμα: Συντελεστής συμπίεσης C = 3.7 (κοντά στο όριο ισχυρού κύματος C=4 για γ=1.67), FWHM = 15.8 μm, μέγιστη πυκνότητα 0.16ncr

• Διπλά Παράλληλα: C = 6.4, FWHM = 11.5 μm, μέγιστη πυκνότητα 0.30ncr, συμπίεση διατηρείται ~600 ps

• Διπλά Τεμνόμενα (60°): C = 10.8, μήκος κλίμακας ls = 8.0 μm (άξονας Ζ) και 9.6 μm (άξονας Χ), συμπίεση >2.5 ns

• Τριπλά Τεμνόμενα: C = 13.4, μέγιστη πυκνότητα 0.64ncr, ls = 19.0 μm

• Τετραπλά Κάθετα Τεμνόμενα: C = 24.8, μέγιστη πυκνότητα 1.15ncr, ls = 6.8 μm, συμπίεση ~200 ps

Επιτάχυνση Πρωτονίων μέσω Μαγνητικής Επιτάχυνσης Δίνης (MVA)

• Βέλτιστες συνθήκες: Μέγιστη ηλεκτρονιακή πυκνότητα ~0.5-0.75ncr με μήκος κλίμακας ls = 8-10 μm

• Ενέργειες αποκοπής πρωτονίων: 8-14 MeV (2D PIC), έως 16.5 MeV (3D PIC για τετραπλή τεμνόμενη διαμόρφωση)

• Ψευδομονοενεργειακή κορυφή: ~6 MeV/u πειραματικά

• Μαγνητικό πεδίο δίνης: By > 2×10⁴ T (έως 5×10⁴ T σε προσομοιώσεις)

• Διαμήκες επιταχύνον πεδίο: Ex ~5×10¹² V/m

• Απόδοση σύζευξης ενέργειας laser: >48% στο πλάσμα

• Collimation δέσμης πρωτονίων: Ημιγωνία 30° (πρωτόνια), 20° (ιόντα ηλίου)

Επιδράσεις ASE

Η ενισχυμένη αυθόρμητη εκπομπή του κύριου επιταχύνοντος παλμού (αντίθεση έντασης ~10⁶) καθιστά το προφίλ πυκνότητας πιο απότομο, από τα 40 μm στα 23 μm στο 1/e της μέγιστης πυκνότητας, ενισχύοντας επωφελώς τη βαθμίδα πυκνότητας πλησίον της κρίσιμης.

Παραδείγματα

Αποτελέσματα προσομοίωσης PIC τεσσάρων προφίλ στόχων με πυκνότητα παραπλήσια της κρίσιμης (near-critical density), από τη διάταξη δύο τεμνόμενων παλμών λέιζερ ns (νανοδευτερολέπτου), στα 1,0 (a), 1,4 (b), 2,1 (c) και 3,4 ns (d), κατά την αλληλεπίδραση με τον παλμό λέιζερ Zeus των 45TW και 23 fs (αριστερά), καθώς και τα αντίστοιχα αζιμουθιακά μαγνητικά πεδία.

Αποτελέσματα 3D προσομοίωσης TNSA, η οποία εκτελέστηκε σε κάρτες γραφικών GPU. Παρουσιάζει την εξέλιξη της πυκνότητας ηλεκτρονίων και πρωτονίων (πίνακες a και b), παράλληλα με τα ενεργειακά τους φάσματα και τον φασικό χώρο (πίνακες c και d), καταδεικνύοντας πώς οι παλμοί λέιζερ υψηλής έντασης επιταχύνουν τα πρωτόνια. Οι πίνακες e και f υπογραμμίζουν την υπολογιστική απόδοση, δείχνοντας τη δυνατότητα κλιμάκωσης της προσομοίωσης σε πολλαπλές GPU και διαμορφώσεις PIC.

Επιλεγμένες δημοσιεύσεις

Tazes, I., Passalidis, S., Andrianaki, G., Skoulakis, A., Karvounis, C., Mancelli, D., Pasley, J., Kaselouris, E., Fitilis, I., Bakarezos, M., Benis, E.P., Papadogiannis, N.A., Dimitriou, V., Tatarakis, M. (2026). Laser-driven ion acceleration in long-lived optically shaped gaseous targets enhanced by magnetic vortices. (accepted in Physical Review Research)

Tazes, I., Passalidis, S., Kaselouris, E., Mancelli, D., Karvounis, C., Skoulakis, A., Fitilis, I., Bakarezos, M., Papadogiannis, N.A., Dimitriou, V., Tatarakis, M. (2024). Efficient Magnetic Vortex Acceleration by femtosecond laser interaction with long living optically shaped gas targets in the near critical density plasma regime. Scientific Reports, 14, 4945. https://doi.org/10.1038/s41598-024-54475-1

Tazes, I., Passalidis, S., Kaselouris, E., Fitilis, I., Bakarezos, M., Papadogiannis, N.A., Tatarakis, M., Dimitriou, V. (2022). A computational study on the optical shaping of gas targets via blast wave collisions for magnetic vortex acceleration. High Power Laser Science and Engineering, 10, e31. https://doi.org/10.1017/hpl.2022.16

Tazes, I., Andrianaki, G., Grigoriadis, A., Passalidis, S., Skoulakis, A., Kaselouris, E., Vrouvaki, E., Chatzakis, J., Fitilis, I., Bakarezos, M., Benis, E.P., Dimitriou, V., Papadogiannis, N.A., Tatarakis, M. (2022). Optical shaping of high-pressure gas-jet targets for proton acceleration experiments in the near-critical density regime. 48th EPS Conference on Plasma Physics, P2b.208

Tazes, I., Ong, J.F., Tesileanu, O., Tanaka, K.A., Papadogiannis, N.A., Tatarakis, M., Dimitriou, V. (2020). Target normal sheath acceleration and laser wakefield acceleration particle-in-cell simulations performance on CPU & GPU architectures for high-power laser systems. Plasma Physics and Controlled Fusion, 62, 094005. https://doi.org/10.1088/1361-6587/aba17a

Passalidis, S., Ettlinger, O.C., Hicks, G.S., Dover, N.P., Najmudin, Z., Benis, E.P., Kaselouris, E., Papadogiannis, N.A., Tatarakis, M., Dimitriou, V. (2020). Hydrodynamic computational modelling and simulations of collisional shock waves in gas jet targets. High Power Laser Science and Engineering, 8, e7. https://doi.org/10.1017/hpl.2020.5