Πυρηνική Φυσική με Ακουστικά Κύματα: Καινοτόμοι κρυσταλλικοί ακουστικοί κυματιστές για παραγωγή ακτίνων-γ στενού φάσματος

Κάντε κλικ εδώ για να κατεβάσετε αυτό το έγγραφο

Κωνσταντίνος Καλέρης, Ευάγγελος Κασελούρης, Εμμανουήλ Κανιολάκης Καλούδης, Ελένη Παπαδάκη, Μάκης Μπακαρέζος, Βασίλειος Δημητρίου, Μιχαήλ Ταταράκης, Νεκτάριος Παπαδογιάννης

Η ελεγχόμενη και αποδοτική παραγωγή ακτίνων-γ σε καθορισμένες φασματικές περιοχές είναι εξαιρετικά σημαντική σε σύγχρονες επιστημονικές και τεχνολογικές εφαρμογές, όπως η πυρηνική φυσική, η φυσική στερεάς κατάστασης και η ιατρική Φυσική. Μέχρι και σήμερα, η παραγωγή σχετικά μονοχρωματικών ακτίνων-γ γίνεται σε επιταχυντές με χρήση τεράστιων ηλεκτρομαγνητών όπου τα φορτισμένα σχετικιστικά σωματίδια (πχ ηλεκτρόνια ή ποζιτρόνια) οδηγούνται σε κυματισμό με ισχυρότατα μαγνητικά πεδία . Οι εγκαταστάσεις αυτές είναι ιδιαίτερα κοστοβόρες υποδομές τεραστίων διαστάσεων με πολύ περιορισμένη προσβασιμότητα και χρηστικότητα με ανελαστικότητα στον έλεγχο της ενεργειακής περιοχής εκπομπής. Άλλου είδους πηγές μονοχρωματικής φωτεινής ακτινοβολίας, όπως τα Λέιζερ Ελεύθερων Ηλεκτρονίων (Free Electron Lasers -FELs) τα οποία χρησιμοποιούνται για την παραγωγή σύμφωνων ακτίνων Χ, αδυνατούν να παράξουν ακτινοβολία στην περιοχή των ακτίνων-γ λόγω τεχνολογικών περιορισμών. Οι κρυσταλλικές πηγές φωτός (Crystal Light Sources - CLS) αποτελούν μια ανερχόμενη καινοτόμα τεχνολογία που αναμένεται να επιτρέψει την ελεγχόμενη παραγωγή ακτινοβολίας-γ στενού φασματικού εύρους από απλές, οικονομικές και αποδοτικές κρυσταλλικές δομές μικρού μεγέθους. Ο απαιτούμενος κυματισμός των σχετικιστικών σωματιδίων θα γίνεται από τις φυσικές ηλεκτρικές δυνάμεις των πυρήνων ενός κρυσταλλικού στερεού των οποίων οι θέσεις μπορούν να διαμορφώνονται μακροσκοπικά με διάφορους στατικούς αλλά και δυναμικούς τρόπους, όπως τα υψίσυχνα ακουστικά κύματα. Η σχετική έρευνα στην Ευρώπη στηρίζεται για την πενταετία 2022 – 2027 από το πρόγραμμα χρηματοδότησης ερευνητικών έργων υψηλού ρίσκου – υψηλής απόδοσης PATHFINDER Europe του Ευρωπαϊκού Συμβουλίου Καινοτομίας (European Innovation Council - EIC), στο πλαίσιο του έργου TECHNO-CLS: Emerging technologies for crystal-based gamma-ray light sources (101046458 — TECHNO-CLS — HORIZON-EIC-2021-PATHFINDEROPEN-01). Το έργο στοχεύει στην επίτευξη των κρίσιμων επιστημονικών και τεχνολογικών τομών που απαιτούνται για τον σχεδιασμό και την πρακτική υλοποίηση πηγών ακτινοβολίας γ στην ενεργειακή περιοχή φωτονίων από τα 100 ΚeV μέχρι και τα GeV. Για το σκοπό αυτό, το TECHNO-CLS προτείνει την εκμετάλλευση και διαμόρφωση των ιδιαίτερα ισχυρών ηλεκτρικών πεδίων που αναπτύσσονται μέσα σε κρυσταλλικά υλικά από τους θετικά φορτισμένους πυρήνες των περιοδικά διατεταγμένων ατόμων του πλέγματος. Σε αυτή την κατεύθυνση, εισάγονται καινοτόμες δομές και διατάξεις κατάλληλα διαμορφωμένων γραμμικών, καμπυλωτών και περιοδικά καμπυλωμένων κρυστάλλων, μέσω των οποίων ελέγχεται η κίνηση, και συγκεκριμένα η επιτάχυνση, υπερ-σχετικιστικών δεσμών φορτισμένων σωματιδίων, με αποτέλεσμα την εκπομπή ακτίνων-γ σε διάφορες ζώνες ευρέως ή στενού φάσματος, ανάλογα με την εκάστοτε διάταξη . Η ερευνητική πρόταση του έργου TECHNO-CLS αξιολογήθηκε με 99,5% και έλαβε χρηματοδότηση συνολικού προϋπολογισμού 2,5 Μ€. Στο έργο συμμετέχουν 8 ευρωπαϊκοί ερευνητικοί φορείς και 2 ιδιωτικές επιχειρήσεις με συντονιστή το ερευνητικό κέντρο MBN με έδρα τη Φρανκφούρτη, ενώ ιδιαίτερα σημαντικό ρόλο έχει η ερευνητική ομάδα του Ινστιτούτου Φυσικής Πλάσματος και Λέιζερ (IPPL) του Ελληνικού Μεσογειακού Πανεπιστημίου (ΕΛΜΕΠΑ). Ο ρόλος της ομάδας είναι η ανάπτυξη καινοτόμου τεχνολογίας για την ελεγχόμενη παραγωγή ακτινοβολίας γ στενού φασματικού εύρους με ρυθμιζόμενα χαρακτηριστικά, μέσω της διαμόρφωσης δεσμών σχετικιστικών ποζιτρονίων μέσα σε ακουστικά διεγερμένους κρυσταλλικούς κυματιστές (crystal undulators). Η ακουστική διέγερση παράγεται είτε από ειδικούς υψίσυχνους πιεζοηλεκτρικούς κρυστάλλους είτε από υπερβραχείς παλμούς Λέιζερ. Τα υλικά όπου διαδίδεται η ακουστική διέγερση έχουν χαρακτηριστικά πολυστρωματικής διάταξης που προσιδιάζει με τους υψίσυχνους οπτοακουστικούς διαμορφωτές δεσμών Λέιζερ. Η ομάδα του ΕΛΜΕΠΑ, σε συνεργασία με το MBN, έχει ήδη παράξει υπολογιστικά αποτελέσματα που αποδεικνύουν την υλοποιησιμότητα των προτεινόμενων ακουστικά οδηγούμενων κρυσταλλικών κυματιστών με ρυθμιζόμενα χαρακτηριστικά της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας γ, ενώ αυτή τη στιγμή εργάζεται για την ανάπτυξη πειραματικής διάταξης με σκοπό την πραγματοποίηση πειραμάτων παραγωγής ακτίνων-γ στον επιταχυντή Mainzer Microtron στο Mainz της Γερμανίας. Τα πειράματα, τα οποία αναμένονται να εκτελεστούν μέσα στο ακαδημαϊκό έτος 2024-2025 πρόκειται να αποτελέσουν την πρώτη επίδειξη υλοποιησιμότητας της καινοτόμου τεχνολογίας σε επίπεδο proof-of-concept, με σημαντικές επιστημονικές και τεχνολογικές επιπτώσεις στον χώρο των κρυσταλλικών πηγών ακτίνων γ.