Fakulta elektrotechnická

České vysoké učení technické v Praze

ČVUT v Praze

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.

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:

prof. RNDr. Pavel Kubeš, CSc.
Vedoucí skupiny. Má na starosti experimenty, které jsou prováděny na zařízení PF-1000 ve Varšavě. 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. Vychoval 8 doktorandů a v současnosti je školitelem dalších 3.
 

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.
Člen skupiny. Zaměřuje se na diagnostiku plazmatu, fyziku Z-pinče a řízenou termojadernou syntézu. Má na starosti experimenty, které jsou prováděny na zařízení GIT-12 v Tomsku, 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. Od roku 2012 je též samostatný vědecký pracovník v projektu ELI Beamlines.
 

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. Má na starosti spolupráci s Fakultrou strojní ČVUT, Metrologickým institutem - Inspektorát pro ionizující záření a spolupráci s firmou Envinet a.s.
 

Ing. Balzhima Batobolotova
Doktorandka. Specializuje se na centrální nastavení a řízení diagnostiky pomocí systému LabVIEW a na zpracování získaných dat. Rámcové téma disertační práce: Experimentální diagnostika horkého hustého impulzního plazmatu.

Ing. Jakub Cikhardt
Doktorand. Specializuje se na návrh, realizaci a testování elektronických diagnostických přístrojů. Rámcové téma disertační práce: Diagnostika energetických procesů v horkém plazmatu.

Ing. Jiří Kortánek
Doktorand. Specializuje se na počítačové zpracování obrazu, který je získán různými diagnostickými přístroji (interferometrickým měřením, bublinkovými detektory, proužkovou kamerou atd.). Téma disertační práce: Interferometrická diagnostika Z-pinčových struktur.

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.

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.

  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, 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.
  3. 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.
  4. 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.
  5. 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.
  6. 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.
  7. 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.
  8. Klir, D., Soto L.: Drive parameter of neutron-optimized dense plasma foci. IEEE Transactions of Plasma Science 40 (2012), 3273-3279.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.

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