Projekt megnevezése: Ultrarövid fény- és elektronimpulzusokkal indukált atomi és molekuláris folyamatok vizsgálata az ELI-ALPS-nál, módszer- és eszközfejlesztés
Támogató: Nemzeti Kutatási Fejlesztési és Innovációs Hivatal
Konzorciumvezető: Pécsi Tudományegyetem
Konzorciumi tag 1: Atommagkutató Intézet
Konzorciumi tag 2: Energiatudományi Kutatóközpont
Projekt azonosító: 2018-1.2.1-NKP-2018-00010
Témavezető: Dr. Battistig Gábor
A projekt támogatásának összege: 297 096 952 Ft, ebből EK támogatás: 44 005 432Ft
Támogatásintenzitás: 100%
Futamidő: 2018.09.01-2023.08.31
A projekt céljai:
A fény-anyag kölcsönhatás minél mélyebb megismerése alapvető fontosságú mind az élettelen, mind az élettudományok szempontjából. Az ELI-ALPS fotonforrás új kaput nyit a foton-anyag kölcsönhatások tanulmányozására. A nagy intenzitású, a 40 meV-120 eV foton-energia tartományba eső, 10-12-10-18 másodperc időtartamú impulzusok lehetővé teszik a foton-atom, molekula, szilárd és biológiai minta kölcsönhatásának időfüggő vizsgálatát, és ez alapvetően új tudományos felismerésekhez vezethet. A jelen pályázat keretében a konzorciumi partnerek két egymást támogató, több ponton kapcsolódó kutatási program megvalósítását tűzik ki célul. Az első egy új elektrongyorsítási módszer lehetőségeinek felderítése, a másik egy alapkutatási program a fotoionizáció új, nagyteljesítményű elektron-spektroszkópiai eszközökkel történő tanulmányozására.
Az MTA Atommagkutató Intézet (a továbbiakban: Atomki) az ELI-ALPS intézetben előállított egyedülálló fotonnyalábok felhasználására épülő alapkutatási programot kíván megvalósítani. Kísérleti vizsgálataink célja atomokon, molekulákon és szilárdmintákon lejátszódó fotoionizációs/gerjesztési folyamatok időbeli fejlődésének megfigyelése, értelmezése. Az elsődleges ionizáció attoszekundumos, az ezt követő atomi, molekuláris átrendeződés femtoszekundumos időskálán zajlik és az ELI-ALPS ultrarövid impulzusai ezek vizsgálatára kiválóan alkalmasak. A foton abszorpciót követően, időben leghamarabb, a céltárgyból kilépő úgynevezett fotoelektronok jelennek meg, majd ezt követik az átrendeződési folyamat során emittált Auger/autóionizációs-elektronok, fotoionok és fluoreszcens fotonok. Az előzőekből következik, hogy a foton-anyag kölcsönhatás dinamikájának vizsgálatára az egyik alapvető kísérleti megoldás a mintából kilépő töltött részecskék energia, impulzus és intenzitás eloszlásának meghatározása.
Napjainkban, alacsony energiájú töltött részecskék érzékelésére sok féle detektorrendszert fejlesztettek ki, melyek pumpa-próba elrendezésben követni tudják az ionizáció/gerjesztés során létrejövő végállapot időbeli fejlődését. Pályázatunkban egy olyan speciális, precíziós elektrosztatikus analizátort fogunk használni, amely alkalmas az ELI-ALPS nyalábjain dinamikai vizsgálatok végzésére, illetve az egyes nyalábcsatornák paramétereinek diagnosztikájára. A terahertzes sugárzások keltésében a Pécsi Tudományegyetem nemzetközileg élenjáró szerepet töltött be az elmúlt másfél évtizedben. Az általunk előállított impulzusok energiája, illetve az elektromos térerősség csúcsértéke megközelítette az 1 mJ, illetve az 1 MV/cm értékeket. A hagyományos mikrohullámú elektron-, és protongyorsítókban a hosszegységre eső gyorsítást az alkalmazott anyagok tulajdonságai behatárolják. Emiatt ezek a gyorsító berendezések nagyon nagyméretűek, extrém drágák, így a hozzáférésük korlátozott. A terahertzes források energiája, illetve csúcs elektromos térerőssége az elmúlt években elérte azt a küszöböt, hogy hatékonyan fel lehessen használni részecskék gyorsítására. Az elektronokkal megvalósított alternatív gyorsítók számos fontos anyagvizsgálati módszer laboratóriumi elvégezhetőségét biztosítanák.
A projekt során az ELI-ALPS infrastruktúrájának igénybe vételével, a projekt megvalósítására szövetkező konzorciumi partnerek kompetenciáira építve megalapozódik az ELI-ALPS közel-relativisztikus és relativisztikus energiájú elektronokat alkalmazó kísérleti állomásának az alapja. Az elvégzett kutatás eredményeképpen az ELI-ALPS birtokolni fogja a laboratóriumi skálájú elektrongyorsításhoz szükséges kulcselemeket (minta kamra, a gyorsításhoz szükséges mikromegmunkált komponensek, a kiegészítő alrendszerek részletes tervei). Ezek a már meglévő eszközökre épülve biztosítanak pikoszekundumos időbeli szélességű 1 nC nagyságrendbe eső energiájú elektroncsomagokat. A projekt végrehajtása során a szükséges anyagvizsgálati méréseket az ELI-ALPS NLTSF rendszerének felhasználásával kívánjuk elvégezni.
Eredmények:
Az MFA Mikrotechnológiai laboratórium alapvető feladata a projektben a mikroméretű szilícium dielektrikus gyorsító (DLA) szerkezet előállítása amelyekben a terahertzes tér nagy hatékonysággal képes elektron csomagokat gyorsítani. A projekt keretében a partnerekkel végzett közös munka során több iteráció során kialakult az a tesztstruktúra, amelyen már igazolható lehet a dielektrikus elektrongyorsítás.
A DLA chipek előállítására kidolgoztunk egy mikrotechnológiai lépéssort, ezzel ellátottunk elő tesztchipeket. A DLA chipeket töbször át kellett tervezni, mert a besugárzás hullámhosszához hozzá kellett igazítani a mikroszerkezet geometriai méreteit. A félszigetelő egykristály szilícium lapkák felületén kialakítandó mikrostruktúra geometriai méreteit a PTE munkatársai modellezéssel, szimulációval állapították meg, adták át részünkre. Új maszksorozatot készítettünk a már optimalizált geometriai méretekkel a 0.165 – 0.5 THz frekvenciatartományra. Az új maszksorozattal elkészítettünk több sorozat struktúrát, amelyeket pásztázó elektronmikroszkóppal vizsgáltunk. Az elkészült 1.6 mm × 4 mm méretű chipeket átadtuk a PTE munkatársainak.
