Kontakt: prof. RNDr. Pavel Kubeš, CSc.
Jsme skupina z Katedry fyziky, která se zabývá základním výzkumem horkého a hustého plazmatu, především výzkumem silnoproudého výboje podobného blesku.
Podílíme se na výuce a výchově studentů převážně v doktorském studijním programu Fyzika plazmatu (na FEL ČVUT) a v pokročilé části magisterského studia na FJFI ČVUT v Praze (obor Fyzika a technika termojaderné fúze).
Složení týmu
Nový člen týmu
Rádi přivítáme dalšího člena týmu na jakékoliv pozici, například: doktorand, pomocná vědecká síla, student vypracovávající bakalářskou nebo diplomovou práci. Hlavní podmínkou nejsou vynikající znalosti, ale zapálení pro věc, ať je to elektronika, měření, numerické simulace atd. (naše práce není jen o fyzice).
Jakým výzkumem se zabýváme
Silnoproudé výboje podobné blesku, takzvané Z-pinče, jsou v současnosti nejvýkonnějšími (500 000 GW, 2 MJ) a nejúčinnějšími (>15 %) laboratorními zdroji rentgenového záření. V posledních letech také došlo k překvapujícímu zjištění, že v implodujících Z-pinčích lze dosáhnout teploty iontů vyšší než 200 keV, tj. 2×109 K, což představuje největší teplotu iontů naměřenou v laboratoři.
Specializujeme se na diagnostiku různých druhů záření (viditelného, měkkého i tvrdého rentgenového), elektronů, iontů i neutronů a na diagnostiku elektrických veličin. Dále se zabýváme popisem procesů, které probíhají v hustém magnetizovaném plazmatu.
V plazmatu vytvořeném Z-pinčovými výboji může docházet také k fuzním reakcím. Studium neutronů pocházejících z D(d,n)3He fúzní reakce provádějí členové týmu jednak v Laboratoři silnoproudých výbojů na FEL, hlavně pak v zahraničí ve spolupráci s týmy v Ruské federaci a Polsku.
K čemu to je
Výše popsané experimentální výsledky výzkumu Z-pinčového výboje a také jednoduchý princip a konstrukce Z-pinčových zařízeních jsou hlavní motivací pro jejich další studium. Naše experimentální poznatky mají široké možnosti užití v následujících odvětvích výzkumu:
- výzkum termojaderné syntézy jako energetického zdroje pro naši civilizaci,
- vývoj levných impulzních zdrojů rychlých neutronů,
- laboratorní astrofyzika,
- studium plazmatu v silných magnetických polích,
- EUV litografie,
- experimenty s vysokou hustotou energie,
- testování životnosti jaderných zbraní,
- vývoj rentgenových laserů atd.
Součástí a velkou předností našeho výzkumu je možnost výchovy a přímé účasti studentů na provozovaných experimentech. Díky individuálnímu přístupu zkušených členů skupiny a díky pracovitosti studentů se zapálením pro danou věc jsou produkovány kvalitní studentské práce.
Na čem konkrétně pracujeme
PFZ-200 na FEL ČVUT v Praze
Domovským pracovištěm pro náš výzkum je laboratoř silnoproudých výbojů na Katedře fyziky FEL ČVUT v Praze. Máme zde k dispozici relativně malé zařízení PFZ-200. Jedná se o malý modifikovaný plazmový fokus, v jehož komoře lze vytvořit plazmový sloupec, kterým protéká proud 200 až 250 kA. Zařízení PFZ-200 je používáno k následujícím účelům: (i) Příprava a testování diagnostiky hustého plazmatu, kterou pak používáme na dalších, mnohem větších, zařízeních v zahraničí. (ii) Základní výzkum, kde zkoumáme způsoby urychlování iontů v hustém plazmatu a produkci fúzních neutronů. Pro ukázku jsme přiložili následující obrázek, kde je zobrazen časový vývoj pinčového výboje. Snímky byly pořízeny dírkovou kamerou s detektorem MCP s délkou expozice 5 nanosekund. (iii) K výuce v bakalářském, magisterském i doktorském studijním programu.
Při výbojích v aparatuře PFZ-200 dochází k urychlení iontů a elektronů na velké energie. V takovýchto podmínkách je generováno rentgenové záření a mohou být produkovány další energetické částice. V případě použití težkého vodíku (deuteria) jako náplně, jsou produkovány fúzní neutrony. Proto musí být provoz zařízení PFZ-200 na FEL ČVUT v Praze schválen Státním Úřadem pro Jadernou Bezpečnost (č.j. SÚJB/ RCAB/12776/2008). Naše zařízení bylo klasifikováno jako jednoduchý zdroj ionizujícího záření. Jedná se o jedno z mála univerzitních zařízení na světě, kde je možno vytvářet a měřit fúzní neutrony.
PF-1000 v IPPLM ve Varšavě
Aparatura plazmového fokusu PF-1000 umístěná v Institute of Plasma Physics and Laser Microfusion (IPPLM) ve Varšavě přestavuje výkonný zdroj fúzních neutronů na středně velké aparatuře při proudech až 2 MA. Plazma generované tímto zařízením je možné studovat pomocí komplexní rentgenové, neutronové, interferometrické a sondové diagnostiky v rámci výzkumu Mezinárodního centra hustého magnetizovaného plazmatu (ICDMP). V posledním roce byl tento výzkum zaměřen na studium vlivu materiálu odpařeného z elektrod, na studium vlivu vnějšího magnetického pole a na vlastnosti imploze deuteriového plazmatu těžším plynem, například neonem.
Na levém obrázku uvádíme skupinové foto z roku 2009 v IPPLM před zařízením PF-1000. Na pravém obrázku můžete vidět vizualizaci plazmového výboje typy plazmový fokus. Je zde znázorněn časový vývoj elektronové hustoty, který byl rekonstruován z 15ti interferomentických snímků.
GIT-12 v IHCE v Tomsku
Od roku 2011 spolupracujeme se skupinou Alexandra Shishlova z Institut silnoproudé elktroniky (IHCE) v Tomsku, který se nachází v Sibiřské části Ruské federace. V těchto místech je vystaven speciální generátor proudového pulsu GIT-12. Jedná se o terawattový generátor, který je schopný vyprodukovat proudový impuls o velikosti 5 MA s dobou nárůstu do maxima za 1 mikrosekundu. Z nejdůležitějších výsledků poslední doby (rok 2013) lze zmínit především největší dosud pozorované energie neutronů (>20 MeV) a iontů (>25 MeV) v Z-pinčích, druhý největší zisk z fúzní D(d,n)3He reakce na Z-pinčích (4×1012 neutronů na výstřel), tj. vysoce efektivní produkce fúzních neutronů o intenzitě 1020 reakcí za sekundu.
Pro ukázku uvádíme na následujícím obrázku neutronové time-of-flight signály z roku 2012, které byly změřeny čtyřmi detektory v různých vzdálenostech (vlevo) a následně zrekonstruovaný časový vývoj energetického spektra fúzních neutronů metodami Monte Carlo. Tato neutronová diagnostika je jednou z nejvýznamnějších diagnostik, kterou používáme a díky které dokážeme získat větší poznání o produkci fúzních neutronů než ostatní zahraniční pracoviště. Na dolním obrázku můžete vidět časově integrální snímek Z-pinčového výboje, který byl pořízen dírkovou kamerou o průměru 100 mikrometrů s beriliovým filtrem tloušťky 25 mikrometrů. Jedná se o dva snímky z různých výbojů z roku 2011 (č. 1408 a č. 1409).
Ostatní vědecká činnost
Kromě experimentů, které navrhujeme, připravuje a realizujeme na zarízeních PFZ-200, PF-1000 a GIT-12, jsme několikrát za rok osloveni s žádostí o instalaci a obsluhu diagnostiky na dalších zařízeních (laser PALS v Praze, experimenty v GSI v Darmstadtu, v CCHEN v Chile). Pro představu uvádíme fotografie z interakční mistnosti na laseru PALS v Praze (vlevo) a laseru PHELIX v Darmstadtu (vpravo).
Kdo financuje náš výzkum
Na financování našeho výzkumu se podílí největší měrou MŠMT ČR, dále pak GA ČR, ČVUT a IAEA. Konkrétně se jedná o následující projekty:
- MŠMT INGO LG13029: Výzkum v rámci Mezinárodního centra hustého magnetizovaného plazmatu.
- MŠMT Kontakt ME090871: Výzkum terawatových pinčů.
- GAČR grant č. P205/12/0454: Účinná produkce fúzních neutronů v Z-pinčích a v laserem produkovaném plazmatu.
- Studentský grant ČVUT č. 10/266/OHK3/3T/13: Elektrické výboje, základní výzkum a aplikace.
- Program IAEA RC 17088: Characterization of High Energy Deuteron Pulses Produced by Dense Magnetized Plasmas.
S kým spolupracujeme
Zahraniční spolupráce
- Institut fyziky plazmatu a laserové mikrosintézy (IPPLM) ve Varšavě, Polsko.
- Institut silnoproudé elktroniky (IHCE) v Tomsku, Ruská federace.
- Chilské centrum pro atomovou energii (CCHEN) v Santiagu de Chile, Chile.
- GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI) v Darmstadtu, Německo.
- Kurčatův institut atomové energie (NRC KI) v Moskvě, Ruská federace.
Spolupráce v ČR
- Ústav fyziky plazmatu (ÚFP) AV ČR v.v.i. v Praze.
- Fyzikální ústav (FÚ) AV ČR v.v.i. v Praze.
- Fakulta strojní (FS) ČVUT v Praze.
- Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská (FJFI) ČVUT v Praze.
- Český metrologický institut (ČMI) – Inspektorát pro ionizující záření.
- Ústav jaderné fyziky (ÚJF) AV ČR v.v.i. v Praze – Oddělení dozimetrie záření.
Envinet a.s.
Vybrané publikace
Publikace v odborných časopisech
Protože se naše skupina podílí na výzkumu v několika českých i zahraničních týmech, je seznam našich publikací poměrně dlouhý. Proto uvádíme pouze některé publikace od roku 2012.
- P. Kubes, D. Klir, J. Kravarik, K. Rezac, M. Paduch, T. Pisarczyk , M. Scholz, T. Chodukowski, I. Ivanova-Stanik, L. Karpinski, K. Tomaszewski, E. Zielinska, M. J. Sadowski: Energy Transformation in Column with Plasma Focus Discharge with MA Currents. IEEE Transactions on Plasma Science 40 (2012), 481-486.
- P. Kubes, D. Klir, M. Paduch, T. Pisarczyk , M. Scholz, T. Chodukowski, Z. Kalinowska, K. Rezac, J. Kravarik, J. Hitschfel, J. Kortanek, B. Bienkowska, I. Ivanova-Stanik, L. Karpinski, M. J. Sadowski, K. Tomaszewski and E. Zielinska: Characterization of the Neutron Production in the Modified MA Plasma-Focus. IEEE Transactions of Plasma Science 40 (2012), 1075-1080.
- P. Kubes, D. Klir, K. Rezac, M. Paduch, T. Pisarczyk , M. Scholz, T. Chodukowski, Z. Kalinowska, J. Hitschfel, J. Kortanek, J. Kravarik, I. Ivanova-Stanik, B. Bienkowska, L. Karpinski, E. Zielinska, M. J. Sadowski, K. Tomaszewski: Interferometry of the Plasma Focus Equipped with Forehead Cathode. Nukleonika 57, 189-192.
P. Kubes, V. Krauz, K. Mitrofanov, M. Paduch, M. Scholz, T. Pisarczyk , T. Chodukowski, Z. Kalinowska, L. Karpinski, D. Klir, J. Kortanek, E. Zielinska, J. Kravarik, K. Rezac: Correlation of Magnetic Probe and Neutron Signals with Interferometry Figures on the Plasma Focus Discharge. Plasma Phys. Control. Fusion 54 (2012), 105023. - Klir, D., Kubes, P., Paduch, M., Pisarczyk, T., Chodukowski, T., Scholz, M., Kalinowska, Z., Bienkowska, B., Karpinski, L., Kortanek, J., Kravarik, J., Rezac, K., Ivanova-Stanik, I., Tomaszewski, K., Zielinska, E.: Search for thermonuclear neutrons in a mega-ampere plasma focus. Plasma Phys. Control. Fusion 54 (2012), 015001.
- Klir, D., Kubes, P., Paduch, M., Pisarczyk, T., Chodukowski, T., Scholz, M., Kalinowska, Z., Zielinska, E., Bienkowska, B., Hitschfel, J., Jednorog, S., Karpinski, L., Kortanek, J., Kravarik, J., Rezac, K., Ivanova-Stanik, I., Tomaszewski, K.: Response to „Comment on ‚Experimental evidence of thermonuclear neutrons in a modified plasma focus'“. Appl. Phys. Lett. 100 (2012), 016102.
- Klir, D., Shishlov, A. V., Kubes, P., Rezac, K., Fursov, F. I., Kokshenev, V. A., Kovalchuk, B. M., Kravarik, J., Kurmaev, N. E., Labetsky, A. Yu, Ratakhin, N. A.: Deuterium gas puff Z-pinch at currents of 2 to 3 mega-ampere. PHYSICS OF PLASMAS 19 (2012), 032706.
- Klir, D., Soto L.: Drive parameter of neutron-optimized dense plasma foci. IEEE Transactions of Plasma Science 40 (2012), 3273-3279.
- K. Rezac, D. Klir, P. Kubes and J. Kravarik: Improvement of time-of-flight methods for reconstruction of neutron energy spectra from D(d,n)3He fusion reactions. Plasma Phys. Control. Fusion 54 (2012), 105011.
- Klír, D., Kokshenev, V., Kubeš, P., Labetsky, A., Paduch, M., et al.: Search for Drive Parameter of Neutron-Optimized Z-Pinches and Dense Plasma Foci, IEEE Transactions on Plasma Science. 2013, vol. 41, no. 11, p. 3129-3134.
- Klír, D., Shishlov, A., Kokshenev, V., Kubeš, P., Labetsky, A., et al.: Characterization of neutron emission from mega-ampere deuterium gas puff Z-pinch at microsecond implosion times, Plasma Physics and Controlled Fusion. 2013, vol. 55, no. 8.
- Kubeš, P., Klír, D., Kravárik, J., Řezáč, K., Kortánek, J., et al.: Scenario of Pinch Evolution in a Plasma Focus Discharge, Plasma Physics and Controlled Fusion. 2013, vol. 55, no. 3.
- Kubeš, P., Paduch, M., Klír, D., Kravárik, J., Řezáč, K., et al.: Correlation of X-ray emission with interferometry and neutron diagnostics at tungsten anode face and deuterium filling in plasma-focus discharge, Plasma Physics and Controlled Fusion. 2013, vol. 55, no. 55.
- D. Klir, P. Kubes, K. Rezac, J. Cikhardt, et al.: Efficient Neutron Production from a Novel Configuration of Deuterium Gas-Puff Z-Pinch, Phys. Rev. Lett. 112, 095001, 3 March 2014.
Významné studentské práce
- Daniel Klír: Studium XUV a měkkého rentgenového záření v magnetických pinčích, diplomová práce FJFI ČVUT, 2002. Oceněna Cenou Siemens.
- Karel Řezáč: Reconstruction of Neutron Energy Spectra in Z-pinch Fusion Experiments, disertační práce FEL ČVUT, 2011. Práce oceněna Cenou rektora za vynikající doktorskou práci – I. stupeň.
- Jakub Cikhardt: Konstrukce rychlého bolometru pro měření intenzity impulsního měkkého rentgenového záření, diplomová práce FEL ČVUT, 2012. 2x oceněné práce: Cena děkana FEL a Cena Nadace Preciosa.