Επιτάχυνση ηλεκτρονίων

Συνοπτική Περιγραφή

Η έρευνα επικεντρώνεται στη δημιουργία και βελτιστοποίηση σχετικιστικών δεσμών ηλεκτρονίων και ακτινοβολίας betatron μέσω laser wakefield επιτάχυνσης ηλεκτρονίων. Αναπτύσσουμε ολοκληρωμένη μεθοδολογία συνδυάζοντας προηγμένα πειραματικά διαγνωστικά (μαγνητική φασματοσκοπία, συμβολομετρία, σκιαγραφία, απεικόνιση ακτίνων Χ) και υπολογιστικές προσομοιώσεις υψηλών επιδόσεων για τη μελέτη της δυναμικής σχηματισμού φυσαλίδας πλάσματος, μηχανισμών έγχυσης ηλεκτρονίων και διαδικασιών επιτάχυνσης.

Keywords: laser wakefield acceleration, relativistic electron beams, betatron radiation, plasma bubble, ionization injection, laser chirp, gas jet targets, PIC simulations

Αναλυτική Περιγραφή

Η laser wakefield επιτάχυνση ηλεκτρονίων αποτελεί επαναστατική μέθοδο για τη δημιουργία σχετικιστικών δεσμών ηλεκτρονίων χρησιμοποιώντας παλμούς laser εξαιρετικά υψηλής έντασης και μικρής διάρκειας που αλληλεπιδρούν με αέριους στόχους. Έχει καθιερωθεί ως εναλλακτική λύση έναντι των συμβατικών επιταχυντών ραδιοσυχνοτήτων, προσφέροντας κλίσεις επιτάχυνσης της τάξης GV/m. Η ερευνητική μας ομάδα αναπτύσσει και εφαρμόζει ολοκληρωμένη μεθοδολογία συνδυάζοντας πειράματα υψηλής ακρίβειας και προηγμένα υπολογιστικά μοντέλα για τη μελέτη και βελτιστοποίηση της επιτάχυνσης ηλεκτρονίων από συστήματα laser ισχύος λίγων TW έως πολλών δεκάδων TW.

Πειραματική Προσέγγιση

Χρησιμοποιούμε το σύστημα laser “Zeus” 45 TW Ti:Sa (Amplitude Technologies) που παρέχει παλμούς με μέγιστη ενέργεια 1.3 J, κεντρικό μήκος κύματος 807 nm και διάρκεια FTL 24 fs σε ρυθμό επανάληψης 10 Hz. Το laser εστιάζεται από παραβολικό κάτοπτρο f/18 (f=1 m) σε στόχους jet αερίου, επιτυγχάνοντας εντάσεις έως 1×10¹⁹ W/cm². Βασικά διαγνωστικά:

Μαγνητικό φασματόμετρο: Δύο παράλληλοι μόνιμοι μαγνήτες (0.4-0.64 T) για ανάλυση ενέργειας ηλεκτρονίων (60-200+ MeV)
Οθόνη φωταύγειας (Lanex Regular): Απεικόνιση δέσμης ηλεκτρονίων με κάμερα CCD
Συμβολόμετρο Nomarski: Χαρακτηρισμός προφίλ πυκνότητας αερίου με αντίστροφο μετασχηματισμό Abel
Κάμερα ακτίνων Χ CCD (Raptor Eagle XO): Ανίχνευση ακτινοβολίας betatron
Σκιαγραφία: Οπτικοποίηση plasma channel με δέσμη ανίχνευσης fs

Υπολογιστική Προσέγγιση

Για την κατανόηση και πρόβλεψη της δυναμικής επιτάχυνσης, αναπτύσσουμε προηγμένες PIC προσομοιώσεις με τον κώδικα EPOCH:

PIC Μοντέλο: Προσομοίωση αλληλεπίδρασης laser-πλάσματος, σχηματισμού φυσαλίδας, έγχυσης και επιτάχυνσης ηλεκτρονίων, λαμβάνοντας υπόψη:

Εξισώσεις Maxwell με Yee solver και Boris pusher, Σχήμα Villasenor-Buneman για υπολογισμό ρεύματος
Συναρτήσεις σχήματος σωματιδίων 3ης-5ης τάξης, 4-5 μακροσωματίδια ανά κελί
Διαμόρφωση κινούμενου παραθύρου
Module ιονισμού πεδίου για αέρια πολλαπλών ηλεκτρονίων
Πειραματικά μετρημένα προφίλ πυκνότητας ως αρχικές συνθήκες

Εφαρμογές και Βασικά Ευρήματα

Βελτιστοποίηση contrast παλμού Laser

Aπορροφητής κορεσμού βελτιώνει το contrast κατά μία τάξη μεγέθους (10⁻¹¹ στα 100 ps πριν την μέγιστη κορυφή)
Υψηλό contrast → 5× καλύτερη ευστάθεια κατεύθυνσης δέσμης ηλεκτρονίων
Βελτίωση ευστάθειας ολικού φορτίου κατά παράγοντα 5

Προφίλ Πυκνότητας Αερίου και Σχεδιασμός Ακροφυσίων

Κυλινδρικό ακροφύσιο 0.8 mm: Sharp gas column, πυκνότητα έως 2×10¹⁹ cm⁻³, ψευδομονοενεργητικά ηλεκτρόνια στα 50 MeV
Κωνικό ακροφύσιο 3 mm: Τραπεζοειδές προφίλ, πυκνότητα 2×10¹⁸ cm⁻³, ενέργειες ηλεκτρονίων >100 MeV
Ακροφύσια εκτύπωσης 3D: Σχεδιασμός μέσω προσομοιώσεων CFD (ANSYS Fluent) με ενσωματωμένη γεωμετρία εσωτερικής βαλβίδας
Πέντε γεωμετρίες ακροφυσίων για διαφορετικά προφίλ πυκνότητας

Έλεγχος Chirp Laser

Θετικό chirp (+400 fs²) αυξάνει μέγιστη ενέργεια ηλεκτρονίων >50% σε σχέση με παλμούς FTL
Αρνητικό chirp παράγει ηλεκτρόνια κάτω από κατώφλι ανίχνευσης 60 MeV
Θετικά chirped παλμοί δημιουργούν ομαλότερες φυσαλίδες πλάσματος που ευνοούν έγχυση ηλεκτρονίων στο πίσω άκρο
Βέλτιστη τιμή chirp κλιμακώνεται με πυκνότητα πλάσματος

Στόχοι Αερίου Πολλαπλών Ηλεκτρονίων (He, N₂, Ne, Ar)

He: Πλήρως ιονισμένο πριν την κορυφή, σαφής σχηματισμός φυσαλίδας, αυτο-έγχυση
N₂: 5 ηλεκτρόνια ιονίζονται στο πρώτο μέτωπο, χαμηλότερη απόδοση ακτίνων Χ λόγω μεταβολών πυκνότητας
Ne: 8 ηλεκτρόνια προστίθενται σταδιακά, συμπεριφορά παρόμοια με He
Ar: Υψηλότερη απόδοση ακτίνων Χ betatron (tunelling ionization Ar¹³⁺ μετά την κορυφή)
Μηχανισμός έγχυσης μέσω ιονισμού αυξάνει τον αριθμό των ηλεκτρονίων εντός της φυσαλίδας

Ακτινοβολία Betatron

Ταυτόχρονη καταγραφή φασμάτων ηλεκτρονίων και προφίλ ακτίνων Χ
Ο αριθμός των φωτονίων ακτίνων Χ αυξάνεται με την ένταση του λέιζερ και την ενέργεια των ηλεκτρονίων
Η απόκλιση της δέσμης ακτίνων Χ μειώνεται καθώς τα ηλεκτρόνια γίνονται πιο ενεργητικά, κυμαινόμενη συνήθως από μερικά έως δεκάδες milliradians.
Στόχοι πολλών ηλεκτρονίων (όπως το Αργό – Ar) εμφανίζουν τρεις φορές (3×) υψηλότερη απόδοση ακτίνων Χ σε σχέση με το Ήλιο (He).

Παραδείγματα

Προσομοίωση PIC: Σχηματισμός Φυσαλίδας. Σχηματισμός πυκνότητας πλάσματος φυσαλίδας για παλμούς FTL, καθώς και για παλμούς με θετικό και αρνητικό chirp, σε χρόνους εξέλιξης PIC 8,6 ps και 9,6 ps. Μια πιο ομαλή φυσαλίδα πυκνότητας πλάσματος είναι εμφανής για τους παλμούς με θετικό chirp, η οποία ευνοεί το φαινόμενο wavebreaking και τη μετέπειτα επιτάχυνση της δέσμης ηλεκτρονίων.

Φάσματα Ηλεκτρονίων: Σύγκριση Ακροφυσίων. Τυπικά φάσματα ηλεκτρονίων με τη χρήση (α) του κυλινδρικού ακροφυσίου 0,8 mm χωρίς τον απορροφητή, (β) του κυλινδρικού ακροφυσίου 0,8 mm με τον απορροφητή και (γ) του κωνικού ακροφυσίου 3 mm με απορροφητή. Το κυλινδρικό ακροφύσιο παράγει οιονεί μονοενεργειακή δέσμη στα 50 MeV, ενώ το κωνικό ακροφύσιο παράγει φάσμα ευρέος φάσματος (broadband) που υπερβαίνει τα 100 MeV.

Μετρήσεις συμβολομετρίας μετατόπισης φάσης δύο τρισδιάστατα εκτυπωμένων (3D-printed) ακροφυσίων (Ακροφύσιο 1 και Ακροφύσιο 2) σε backing pressures 40 bar και 50 bar. Το Ακροφύσιο 1 παρουσιάζει ανώτερη συμμετρία ροής, η οποία αποδίδεται στην καλύτερη ποιότητα εκτύπωσης.

Αέριοι Στόχοι Πολυηλεκτρονικών Ατόμων. Αριθμός φωτονίων ακτίνων Χ συναρτήσει της μέγιστης ενέργειας ηλεκτρονίων για He, N₂, Ne, Ar. Το Ar παρουσιάζει την υψηλότερη απόδοση λόγω του tunneling ionization των ηλεκτρονίων των εσωτερικών στιβάδων.

Επιλεγμένες δημοσιεύσεις

Ong, J.F., Berceanu, A.C., Grigoriadis, A., Andrianaki, G., Dimitriou, V., Tatarakis, M., Papadogiannis, N.A., Benis, E.P. (2024). Non-linear QED approach for betatron radiation in a laser wakefield accelerator. Scientific Reports, 14, 605. https://doi.org/10.1038/s41598-023-50030-6

Grigoriadis, A., Andrianaki, G., Tazes, I., Dimitriou, V., Tatarakis, M., Benis, E.P., Papadogiannis, N.A. (2023). Efficient plasma electron accelerator driven by linearly chirped multi-10-TW laser pulses. Scientific Reports, 13, 2918. https://doi.org/10.1038/s41598-023-28755-1

Andrianaki, G., Grigoriadis, A., Skoulakis, A., Tazes, I., Mancelli, D., Fitilis, I., Dimitriou, V., Benis, E.P., Papadogiannis, N.A., Tatarakis, M., Nikolos, I.K. (2023). Design, manufacturing, evaluation, and performance of a 3D-printed, custom-made nozzle for laser wakefield acceleration experiments. Review of Scientific Instruments, 94, 103309. https://doi.org/10.1063/5.0169623

Grigoriadis, A., Andrianaki, G., Tatarakis, M., Benis, E.P., Papadogiannis, N.A. (2023). The role of laser chirp in relativistic electron acceleration using multi-electron gas targets. Plasma Physics and Controlled Fusion, 65, 044001. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6587/acbb25/meta

Grigoriadis, A., Andrianaki, G., Fitilis, I., Dimitriou, V., Clark, E.L., Papadogiannis, N.A., Benis, E.P., Tatarakis, M. (2022). Improving a high-power laser-based relativistic electron source: The role of laser pulse contrast and gas jet density profile. Plasma Physics and Controlled Fusion, 64, 044007. https://doi.org/10.1088/1361-6587/ac4b06

Grigoriadis, A., Andrianaki, G., Tatarakis, M., Benis, E.P., Papadogiannis, N.A. (2021). Betatron-type laser-plasma x-ray sources generated in multi-electron gas targets. Applied Physics Letters, 118, 131110. https://doi.org/10.1063/5.0046184