Silnoproudé výboje

Katedra fyziky FEL ČVUT v Praze
Technická 2, 166 27 Praha 6
tel. 2 2435 2331

Kdo jsme?

Jsme skupina z Katedry fyziky, která se zabývá základním výzkumem horkého a hustého plazmatu, především výzkumem silnoproudého výboje podobného blesku.

Kromě výuky v bakalářském a magisterském studiu na FEL ČVUT (Fyzika 1, Fyzika 2, Astrofyzika, Fyzika pro elektroenergetiku) se podílíme na výuce (Diagnostika plazmatu) a výchově studentů v doktorském studijním programu Fyzika plazmatu (FEL ČVUT). Několik předmětů (Diagnostika plazmatu, Magnetické pinče a jejich využití v termonukleární fúzi) vyučujeme v magisterském studiu na FJFI ČVUT v Praze, obor Fyzika a technika termojaderné fúze.

Složení týmu:

prof. RNDr. Pavel Kubeš, CSc.
Vedoucí výzkumu plazmatických fokusů, který skupina realizuje především na zařízení PF-1000 v Ústavu fyziky plazmatu a laserové mikrofúze ve Vašavě. Vede spolupráci s Kurčatovým Institutem v Moskvě. Specializuje se na zpracování a interpretaci výsledků. Je řešitelem většiny projektů, které financují činnost skupiny. Je předsedou International Scientific Committee of Dense Magnetized Plasmas.

doc. Ing. Jozef Kravárik, CSc.
Vedoucí Laboratoře silnoproudých výbojů na Katedře fyziky, člen skupiny. Zabývá se především přípravou a testováním diagnostiky. Specializuje se na laserovou diagnostiku plazmatu. Je zodpovědný za zařízení PFZ-200, které je jedno z mála univerzitních zařízení, které dokáže generovat fúzní neutrony.
 
 

doc. Ing. Daniel Klír, Ph.D.
Vedoucí z-pinčového výzkumu, který skupina realizuje na zařízení GIT-12 v Ústavu silnoproudé elektroniky v Tomsku a generátoru HAWK v US Naval Research Laboratory ve Washnightonu DC. Dále má na starosti experimenty a spolupráci s CCHEN v Chile, s FJFI ČVUT v Praze, s ÚJF AV ČR v.v.i. v Praze a s FÚ AV ČR v.v.i. v Praze. Zaměřuje se na fyziku z-pinče, urychlení iontů, termojadernou syntézu a na diagnostiku plazmatu. Od roku 2017 je předsedou oborové rady PGS Fyzika plazmatu na FEL ČVUT v Praze.

Ing. Karel Řezáč, Ph.D.
Člen skupiny, dohlížející osoba na dodržování radiační bezpečnosti v Laboratoři silnoproudých výbojů. Specializuje se na numerické simulace pro diagnostiku plazmatu (rekonstrukce energetických spekter fúzních neutronů). Dále se specializuje na návrh, realizaci a přípravu diagnostických přístrojů rychlých iontů. Má na starosti spolupráci s Fakultou strojní ČVUT, Metrologickým institutem - Inspektorát pro ionizující záření a spolupráci s firmou Envinet a.s.
 

Ing. Jakub Cikhardt, Ph.D.
Je členem skupiny, který se zabývá vývojem experimentální elektroniky a diagnostiky, jejím použitím a interpretací výsledků při experimentech na z-pinčích, plazmatických fokusech a laserových systémech. V poslední době se zaměřuje zejména na diagnostické metody založené na jaderné aktivaci a spektrometrii záření gama.

Ing. Vojtěch Munzar
Student doktorského studia, zabývající se numerickými simulacemi rychlých MeV iontů v magnetickém poli z-pinče, zpracovává a interpretuje vybraná data z experimentů. Pomocí numerických simulací zkoumá parametry urychlených iontových svazků a magnetických polí v z-pinčích. Rámcové téma disertační práce: Účinná produkce rychlých iontů v z-pinčích.

Ing. Balzhima Cikhardtová
Je doktorandkou zaměřující se na laserovou interferometrii plazmatu. Pomocí této metody, jež umožňuje určit rozložení elektronové hustoty plazmatu, studuje výboje na plazmatických fokusech (dynamiku, rozvoj nestabilit, přesun hmoty uvnitř výboje atd.).

Ing. Ondřej Šíla
Doktorand. Specializuje se na numerické simulace pomocí MCNP kódu, který dokáže simulovat šíření elmag. záření, neutronů atd. různými materiály. Tyto simulace jsou významné při návrhu a konstrukci diagnostických přístrojů, napomáhají jejich správnému umístění a nastavení. Dále slouží pro lepší pochopení změřených dat. Rámcové téma disertační práce: Diagnostika fúzních neutronů v Z-pinčovém výboji.

Studenti
Na činnosti skupiny Silnoproudých výbojů se podílí studenti David Hladík, Jan Novotný, Lucia Čabrová, Pavla Bednářová (všichni FEL ČVUT) a Simona Buryšková (FJFI ČVUT).

Nový člen týmu
Rádi přivítáme dalšího člena týmu na jakékoliv pozici, například: doktorand, pomocná vědecká síla, středoškolská odborná činnost (SOČ), 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 typu z-pinče či plazmatického fokusu jsou charakteristické svou vysokou účinností konverze elektrické energie do energie plazmatu. V současné době se této skutečnosti využívá zejména pro produkci rentgenových impulzů, a tak jsou z-pinče nejvýkonnějšími (až 500 000 GW) i nejúčinnějšími (až 20%) laboratorními zdroji rentgenového záření. Princip z-pinče může být také využit k efektivní generaci energetických částic.

Produkce fúzních neutronů a urychlení iontů v pinčovém a laserem produkovaném plazmatu je předmětem výzkumu naší skupiny po dobu více než 15 let. Během této doby byla navázána zahraniční spolupráce (US Naval Research Laboratory ve Washingtonu, Sandia National Laboratories v Albuquerque, Nevada Terawatt Facility v Nevadě, Kurčatovův ústav atomové energie v Moskvě, GSI Helmholtzzentrum fur Schwerionenforschung v Darmstadtu, IPPLM ve Varšavě, IHCE v Tomsku), byly vyvinuty různé diagnostické přístroje a metody, a byla provedena celá řada experimentů na unikátních plazmatických zařízení.

Na megaampérovém z-pinči GIT-12 v Tomsku byly v roce 2013 získány průlomové výsledky s novou konfigurací deuteriového z-pinče, kdy byla pozorována účinná produkce fúzních neutronů a urychlení vodíkových iontů až na 40 MeV. Dosažené energie iontů několikanásobně převýšily jak dosavadní maximální pozorované hodnoty, tak numerické odhady. Přestože mechanismus urychlující ionty v z-pinčích byl příčinou první produkce fúzních neutronů ve výzkumu řízené termojaderné syntézy, tedy již před šedesáti lety, tak stále není znám a je předmětem rozsáhlé diskuze. Vzhledem k přirozenému výskytu pinčového jevu ve fúzním plazmatu, v iontových diodách či ve vesmíru, např. ve formě mezigalaktických výtrysků, může studium mechanismu urychlení částic v z-pinčích přispět také k lepšímu pochopení základních procesů v astrofyzikálním a fúzním plazmatu.

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 účinných zdrojů produkujících nanosekundové impulzy rychlých iontů, elektronů, neutronů a gama záření,
  • laboratorní astrofyzika,
  • studium plazmatu v silných magnetických polích,
  • EUV litografie,
  • experimenty s vysokou hustotou energie,
  • ověření numerických kódů simulující jaderné výbuchy (podkritické experimenty),
  • studium účinků jaderných zbraní,
  • 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 těžkého 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 představuje 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 2018 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 patnácti interferometrických snímků.

  

GIT-12 v IHCE v Tomsku

Od roku 2011 spolupracujeme se skupinou Alexandra Shishlova z Ústavu silnoproudé elektroniky (IHCE) v Tomsku, který se nachází v Sibiřské části Ruské federace. V těchto místech je vystaven speciální generátor proudových impulsů 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 beryliovým filtrem tloušťky 25 mikrometrů. Jedná se o dva snímky z různých výbojů z roku 2011 (č. 1408 a č. 1409).

Generátor HAWK v NRL, Washington DC

Experimenty na zařízení HAWK v US Naval Reseach Laboratory ve Washingtonu D.C. realizuje naše skupina od roku 2017. Zařízení HAWK je multifunkční vysoko induktivní generátor, který je schopen dodat do zátěže proud 700 kA během 1 mikrosekundy. Generátor HAWK je podobné konstrukce jako GIT-12. Proto experimenty na tomto zařízení poskytují nejen nová experimentální data z komplementárních diagnostických technik, ale i informaci o tom, jak se chová mechanismus urychlení v závislosti na elektrickém proudu. Na společném výzkumu se podílí několik zkušených vědeckých pracovníků (S. Jackson, A. Richardson, A. Beresnyak, J. Giuliani, S. Swanekamp, J.W. Schumer, B. Weber). Finančně je účast zahraničního partnera zajištěna a schválena v rámci Naval Research Laboratory Base Program.



Ostatní vědecká činnost

Kromě experimentů, které navrhujeme, připravuje a realizujeme na zařízeních 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, experimenty na NTF v UNR, Reno USA). Pro představu uvádíme fotografie z interakční místnosti 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 InterExcellence, Inter-Transfer LTT17015: Výzkum v rámci Mezinárodního centra hustého magnetizovaného plazmatu, období 2018-2021.
  • MŠMT InterExcellence, Inter-Action LTAUSA17084: Studium vysokoenergetických procesů v plazmatu produkovaném impulzními zdroji proudu, období 2017-2020.
  • Standardní projekt GAČR č. GA16-07036S: Mechanismy urychlení iontů v deuteriových z-pinčích, období 2016-2018.
  • Projekt OPVVV č. CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_019/0000778: Centrum pokročilých aplikovaných přírodních věd, období 2018-2023.
  • Studentský grant ČVUT č. SGS16/223/OHK3/3T/13: Elektrické výboje: experimentální výzkum, modelování a aplikace, období 2016-2018.
  • 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 mikrosyntézy (IPPLM) ve Varšavě, Polsko.
  • Ústav silnoproudé elektroniky (IHCE) v Tomsku, Ruská federace.
  • Americká národní laboratoř US Naval Research Laboratory, Washington DC, USA.
  • University of Nevada, Nevada Terawatt Facility, Reno, USA.
  • Chilské centrum pro atomovou energii (CCHEN) v Santiagu de Chile, Chile.
  • GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung (GSI) v Darmstadtu, Německo.
  • Kurčatovův ústav 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.

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  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.
  9. 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.
  10. D. Klír, P. Kubeš, K. Řezáč, J. Cikhardt, et al.: Efficient Neutron Production from a Novel Configuration of Deuterium Gas-Puff Z-Pinch, Phys. Rev. Lett. 2014, vol. 112, art. no. 095001.
  11. J. Cikhardt, J. Krasa, M. De Marco, M. Pfeifer, A. Velyhan, E. Krousky, B. Cikhardtova, D. Klir, K. Rezac, J. Ullschmied, J. Skala, P. Kubes, J. Kravarik: Measurement of the target current by inductive probe during laser interaction on terawatt laser system, Review of Scientific Instruments 85, 10, 103507 (2014).
  12. D. Klír, J. Krása, J. Cikhardt, R. Dudzak, E. Krousky, M. Pfeifer, K. Řezáč, O. Šíla, et al.: Efficient neutron production from sub-nanosecond laser pulse accelerating deuterons on target front side, Physics of Plasmas 2015, 22(9), art. no. 093117. ISSN 1070-664X.
  13. D. Klír, A. Shishlov, V. Kokshenev, P. Kubeš, A. Labetsky, K. Řezáč, R. Cherzidov, J. Cikhardt, et al.: Efficient generation of fast neutrons by magnetized deuterons in an optimized deuterium gas-puff z-pinch, Plasma Physics and Controlled Fusion. 2015, 57(4), art. no. 044005. ISSN 0741-3335. Highlights of 2015, Cover image, LabTalk.
  14. D. Klír, A. Shishlov, V. Kokshenev, P. Kubeš, A. Labetsky, et al.: Deuterium z-pinch as a powerful source of multi-MeV ions and neutrons for advanced applications, Physics of Plasmas 2016, vol. 23, no. 3, art. no. 0327025. Editor’s Picks, Physics of Plasmas 2016. Most Read in March 2016.
  15. D. Klír, A. Shishlov, V. Kokshenev, P. Kubeš, K. Řezáč, J. Kravárik, V. Munzar, J. Cikhardt, B. Cikhardtová, et al.: Ion acceleration mechanism in mega-ampere gas-puff z-pinches, New Journal of Physics 2018, vol. 20, no. 5, art. no. 053064.

Významné studentské práce a ocenění

  • Daniel Klír: Cena Siemens za diplomovou práci Studium XUV a měkkého rentgenového záření v magnetických pinčích, FJFI ČVUT, 2002.
  • Karel Řezáč: Cena rektora za vynikající doktorskou práci - I. stupeň za práci Reconstruction of Neutron Energy Spectra in Z-pinch Fusion Experiments, FEL ČVUT, 2011.
  • Jakub Cikhardt: POSTER 2011, 1. cena v kategorii Přírodní vědy za příspěvek The noise reduction of the measured signal in plasma diagnostic with adaptive filtration, 12. 5. 2011.
  • Jakub Cikhardt: Cena děkana FEL a Cena Nadace Preciosa za diplomovou práci Konstrukce rychlého bolometru pro měření intenzity impulsního měkkého rentgenového záření, FEL ČVUT, 2012.
  • Skupina Silnoproudých výbojů: Cenu rektora za vynikající výsledky ve výzkumu, rok 2014 - II. stupeň.
  • Jakub Cikhardt: Ocenění za příspěvek Measurement of target current at laser system PALS using inductive probe na letní škole 12th Kudowa Summer School “Towards Fusion Energy”, 13. 6. 2014
  • Vojtěch Munzar: Cena nakladatelství Springer za vynikající studentskou prezentaci na studentské konferenci diagnostiky plazmatu Fusion 2017 na téma Ion beams and magnetic fields in a deuterium Z-pinch, 15. 9. 2018.
  • Jakub Cikhardt: Cena děkana za dizertační práci High Energy Density Plasma Diagnostics Using Neutron and Gamma Detectors, 9. 5. 2018.
  • David Hladík: POSTER 2018, 1. cena v kategorii Přírodní vědy za příspěvek Calibration of the Silver Activation Counter of Neutrons for Laser System and Plasma Focus Experiments, 17. 5. 2018.

Odkazy na popularizační přednášky a rozhovory

Aktualizováno: říjen 2018


Za obsah odpovídá: doc. Ing. Milan Polívka, Ph.D.