ΕΛΜΕΠΑ: Νέα δεδομένα για την παραγωγή ακτίνων-X από επιταχυντές λέιζερ πλάσματος

Οι επιταχυντές σχετικιστικών ηλεκτρονίων που βασίζονται σε πλάσμα υπερ-ισχυρού λέιζερ παρέχουν μια εξαιρετικά κατευθυντική πηγή παλμών ακτίνων-Χ τύπου βήτατρον με μεγάλη φωτεινότητα και συμφωνία φάσης με καινοτόμες εφαρμογές στην ιατρική επιστήμη, στην επιστήμη των υλικών και στη βασική έρευνα της σύντηξης υδρογόνου για την παραγωγή ενέργειας. Τέτοιες πηγές αναπτύσσονται στην Ελλάδα στα σύγχρονα εργαστήρια του Ινστιτούτου Φυσικής Πλάσματος και Laser (IPPL) του Ελληνικού Μεσογειακού Πανεπιστημίου (ΕΛΜΕΠΑ) που εδρεύει στο Ρέθυμνο Κρήτης και είναι σημείο πρόσβασης της Εθνικής Υποδομής HELLAS-CH.

Μέχρι στιγμής η ακτινοβολία βήτατρον, που βασίζεται στο πλάσμα λέιζερ, είχε εξηγηθεί σύμφωνα με την φυσική έννοια του κλασικού δυναμικού Liénard-Wiechert, που ενσωματώνει σωματιδιακές προσομοιώσεις σε υπολογιστικά κελιά (Particle in Cell), έχοντας όμως τεράστιες απαιτήσεις υπολογιστικής ισχύος οι οποίες ήταν και εξαιρετικά χρονοβόρες.

Αυτό άλλαξε πρόσφατα με τη συνεργατική δημοσίευση στις 05/01/2024 στο Περιοδικό Scientific Report του οίκου Springer Nature (J. F. Ong, A. C. Berceanu, A. Grigoriadis, G. Andrianaki, V. Dimitriou, M. Tatarakis, N. A. Papadogiannis & E. P. Benis, Non-linear QED approach for betatron radiation in a laser wakefield accelerator , Scientific Reports 14,  605 (2024)) του Ινστιτούτου Φυσικής Πλάσματος και Laser του ΕΛΜΕΠΑ με το Εθνικό Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής της Ρουμανίας (ευρωπαϊκή εγκατάσταση Extreme Light Infrastructure - ELI) με τη συμμετοχή της Σχολής Μηχανικών Παραγωγής και Διοίκησης του Πολυτεχνείου Κρήτης και του Τμήματος Φυσικής του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων.

Σε αυτή τη δημοσίευση, για πρώτη φορά διεθνώς, η παραγωγή ακτίνων Χ τύπου βήτατρον από το πλάσμα υπερισχυρού λέιζερ, περιγράφεται στο πιο θεμελιώδες επίπεδο της κβαντικής μηχανικής. Στην νέα αυτή προσέγγιση, η εκπομπή φωτονίων από τα σχετικιστικά ηλεκτρόνια στη φυσαλίδα πλάσματος, υπολογίζεται στο πιο θεμελιώδες επίπεδο της μη-γραμμικής κβαντικής ηλεκτροδυναμικής (QED).

Τα αριθμητικά αποτελέσματα ακτινοβολίας βήτατρον με βάση το QED προσομοιώθηκαν στο ισχυρότερο υπολογιστικό σύστημα υψηλών επιδόσεων (High Performance Computer – HPC) στην Ελλάδα με την ονομασία ARIS και είναι σε άριστη συμφωνία με πειράματα που έχουν λάβει χώρα στο IPPL και δημοσιεύτηκαν πρόσφατα σε περιοδικό του Αμερικάνικου Ινστιτούτου Φυσικής: (Α. Grigoriadis, G. Andrianaki, M. Tatarakis, E. P. Benis & N. A. Papadogiannis, Betatron-type laser-plasma x-ray sources generated in multi-electron gas targets , Appl. Phys. Lett. 118, 131110, (2021)). Επιπλέον, η QED θεωρία οδηγεί σε δραματική μείωση των απαιτήσεων του υπολογιστικού χρόνου υπολογισμού, καθιστώντας το συγκεκριμένο φυσικό μοντέλο ένα ευνοϊκό εργαλείο για το σχεδιασμό πειραμάτων ακτινοβολίας, ειδικά σε εγκαταστάσεις λέιζερ πολλών PettaWatts 1 PW=1 000 000 000 000 000 Watts).

Διαβάστε περισσότερες ειδήσεις από την Κρήτη και το Ηράκλειο