Oddělení radiační fyziky a urychlování elektronů

Skupina vývoje laserem buzených rentgenových zdrojů

Hlavním cílem této skupiny je vývoj a implementace koherentních i nekoherentních zdrojů rentgenového záření s velmi krátkou délkou pulzu, které umožní studium ultrarychlých jevů na atomární a molekulární úrovni v časovém i prostorovém měřítku. Laserem buzené zdroje krátkovlnného záření mají na rozdíl od velkých konvenčních zařízení, jakými jsou synchrotrony nebo lasery na volných elektronech, výhodu ve své kompaktnosti, takže umožňují přístup podstatně širší skupině uživatelů. Další přidanou hodnotou, kromě nižších nároků na prostor a tedy i náklady, je možnost přesné synchronizace rentgenových pulzů s jinými laserovými pulzy stejně jako možnost současného využití celého spektra různých typů rentgenového záření se svými specifickými vlastnostmi. Zajímavou možností je kombinace přesně synchronizovaných krátkých rentgenových pulzů (v oblasti VUV až gama záření s energií fotonů vyšší než 100 keV) se svazky urychlených částic (elektronů, protonů i iontů).

Mezi konkrétní zdroje vyvíjené touto skupinou patří: generace vysokých harmonických frekvencí v plynech, plazmové zdroje rentgenového záření, a zdroje využívající laserem urychlených relativistických elektronových svazků: plazmový betatron, inverzní Comptonův zdroj nebo generace undulátorového záření (laser na volných elektronech).

Skupina laserového urychlování elektronů

Urychlování elektronů buzené femtosekundovými lasery s vysokým špičkovým výkonem teoreticky předpověděli v roce 1979 Tajima a Dawson. Použití laserem indukované plazmové vlny bylo experimentálně demonstrováno před více než deseti lety a v současné době se tato technika denně používá v mnoha laboratořích po celém světě. Hlavní koncept elektronového urychlování je založen na narušení kvazi-neutrality plazmatu ponderomotorickou silou intenzivního laserového pulzu, který se v něm šíří. Tato síla vytlačí elektrony ze středu svazku a způsobí tím vznik brázdové vlny, která je podobná vlně na vodní hladině vznikající za jedoucí lodí.

Laserem generovaná plazmová vlna má obrovské elektrické pole, které velmi efektivně urychluje elektrony. Na velmi krátkých vzdálenostech (obvykle v řádu jednotek mm nebo cm)  jsou elektrony urychleny na stovky MeV až jednotky GeV, k čemuž je v konvenčním urychlovači potřeba vzdálenosti desítek až stovek metrů. Výsledek rychlého vývoje laserového urychlování elektronů je doložen skutečností, že v malých a středních laboratořích jsou v současné době k dispozici svazky elektronů s energií přibližně 1 GeV.

Takto generované svazky elektronů se používají pro generaci velmi krátkých pulzů rentgenového záření. Laserové systémy, které budou k dispozici v laboratořích ELI Beamlines, budou schopny generovat pulzy se špičkovým výkonem 1 PW (1000 TW) při vysoké opakovací frekvenci opakování (10 Hz) a 10 PW při nižší rychlosti opakování (1 výstřel za minutu). To otevírá zcela nové možnosti aplikací těchto sekundárních zdrojů celé vědecké komunitě.

Skupina teorie vysokých laserových polí

Tato skupina se zabývá především studiem fundamentálních jevů interakce velmi intenzivního laserového záření s hmotou. Rozšiřuje tedy znalosti laserového urychlování elektronů a iontů a také generování fotonů s vysokou energií. Prostřednictvím teoretických konceptů a simulací se zaměřuje se na studium nových režimů interakce, kdy nelze zanedbat jevy kvantové elektrodynamiky, jako jsou vytváření elektron-pozitronových párů, polarizace vakua nebo Abraham–Lorentzova síla (reakční síla urychlovaného náboje způsobená generací záření tohoto náboje). Pro experimentální zkoumání tohoto režimu bude provedena aktualizace stávající infrastruktury ELI-BL kolem 10 PW laserového svazku.