Innovative education and training in high power laser plasmas (PowerLaPs) for plasma physics, high power laser matter interactions and high energy density physics: experimental diagnostics and simulations

The second and final year of the Erasmus Plus programme "Innovative Education and Training in high power laser plasmas", otherwise known as PowerLaPs, is described. The PowerLaPs programme employs an innovative paradigm in that it is a multi-centre programme where teaching takes place in five separate institutes with a range of different aims and styles of delivery. The "in class" time is limited to four weeks a year, and the programme spans two years. PowerLaPs aims to train students from across Europe in theoretical, applied, and laboratory skills relevant to the pursuit of research in laser plasma interaction physics and inertial confinement fusion (ICF). Lectures are intermingled with laboratory sessions, and continuous assessment activities. The programme, which is led by workers from the Hellenic Mediterranean University, and supported by co-workers from Queens University Belfast, the University of Bordeaux, the Czech Technical University in Prague, Ecole Polytechnique, the University of Ioannina, the University of Salamanca, and the University of York, has just finished its second and final year. Six Learning Teaching Training (LTT) activities have been held, at the Queens University Belfast, the University of Bordeaux, the Czech Technical University, the University of Salamanca, and the Institute of Plasma Physics and Lasers (CPPL) of the Hellenic Mediterranean University. The last of these institute hosted two two-week long Intensive Programmes (IPs), whilst the activities at the other four universities were each five days in length. In addition to this a "Multiplier Event" was held at the University of Ioannina, which will be briefly described. In this second year the work has concentrated upon training in both experimental diagnostics and simulation techniques appropriate to the study of Plasma Physics, High Power Laser-Matter Interactions and High Energy Density Physics. The nature of the programme will be described in detail and some metrics relating to the activities carried out will be presented. In particular this paper will focus upon the overall assessment of the programme

Innovative Education and Training in high power laser plasmas (PowerLaPs) for plasma physics, high power laser-matter interactions and high energy density physics - Theory and experiments

The Erasmus Plus programme 'Innovative Education and Training in high power laser plasmas', otherwise known as PowerLaPs, is described. The PowerLaPs programme employs an innovative paradigm in that it is a multi-centre programme where teaching takes place in five separate institutes with a range of different aims and styles of delivery. The 'in class' time is limited to four weeks a year, and the programme spans two years. PowerLaPs aims to train students from across Europe in theoretical, applied and laboratory skills relevant to the pursuit of research in laser-plasma interaction physics and inertial confinement fusion (ICF). Lectures are intermingled with laboratory sessions and continuous assessment activities. The programme, which is led by workers from the Technological Educational Institute (TEI) of Crete, and supported by co-workers from the Queen's University Belfast, the University of Bordeaux, the Czech Technical University in Prague, Ecole Polytechnique, the University of Ioannina, the University of Salamanca and the University of York, has just completed its first year. Thus far three Learning Teaching Training (LTT) activities have been held, at the Queen's University Belfast, the University of Bordeaux and the Centre for Plasma Physics and Lasers (CPPL) of TEI Crete. The last of these was a two-week long Intensive Programme (IP), while the activities at the other two universities were each five days in length. Thus far work has concentrated upon training in both theoretical and experimental work in plasma physics, high power laser-matter interactions and high energy density physics. The nature of the programme will be described in detail and some metrics relating to the activities carried out to date will be presented

Two-photon absorption of new symmetric organic compounds

Η διφωτονική απορρόφηση (ΔΦΑ) είναι το μη γραμμικό-φαινόμενο κατά το οποίο δύο φωτόνια απορροφούνται ταυτόχρονα σε ένα υλικό μέσο. Τα τελευταία 20 χρόνια το φαινόμενο αυτό έχει προσελκύσει ιδιαίτερα το ενδιαφέρον της επιστημονικής κοινότητας για την ανακάλυψη νέων αποδοτικών ενώσεων λόγω και των εφαρμογών που έχει βρεθεί ότι μπορεί να προσφέρει. Η διφωτονική μικροσκοπία, ο διφωτονικός πολυμερισμός, η τρισδιάστατη αποθήκευση δεδομένων είναι μερικές από τις σημαντικές εφαρμογές που εκμεταλλεύονται τα πλεονεκτήματα της ΔΦΑ. Τη τελευταία δεκαετία η έρευνα επικεντρώνεται στη θεωρητική και πειραματική μελέτη της ΔΦΑ οργανικών ενώσεων με σκοπό την διασύνδεσης των χαρακτηριστικών της δομής των μορίων με την ΔΦΑ που παρέχουν και την εύρεση στρατηγικών σύνθεσης οργανικών ενώσεων υψηλής ΔΦΑ. Επίσης πολλές είναι οι επιστημονικές εργασίες που χρησιμοποιούν τις ενώσεις αυτές στην έρευνα για την ανάπτυξη και βελτίωση των διφωτονικών εφαρμογών. Στη διατριβή αυτή γίνεται μελέτη της ΔΦΑ συζυγιακών οργανικών ενώσεων αποτελούμενες από ένα κεντρικό τμήμα συνδεδεμένο αντιδιαμετρικά με δύο ίδιους υποκαταστάτες. Τα συμμετρικά αυτά μόρια έχουν ως κεντρικό τμήμα φλουορένιο ή αλκόξυ-φαινυλένιο ή καρβοξύλιο και διάφορους υποκαταστάτες στα άκρα. Η τεχνική μέτρησης διφωτονικά διεγερμένου φθορισμού με laser femtosecond χρησιμοποιήθηκε για τον υπολογισμό των τιμών της ενεργούς διατομής ΔΦΑ των μορίων στη φασματική περιοχή 750-840nm. Από τη συγκριτική μελέτη των ενώσεων προκύπτει ότι ο υποκαταστάτης φθαλιμίδιο προσφέρει την μεγαλύτερη ΔΦΑ και για τα τρία διαφορετικά κεντρικά τμήματα, ενώ όταν συνδέεται με το φλουορένιο έχει την υψηλότερη ενεργό διατομή ΔΦΑ φθάνοντας την τιμή των 1650GM στη φασματική περιοχή που μελετήθηκε. Επίσης παρατηρήθηκε ότι ο υποκαταστάτης ναφθαλιμίδιο προκαλεί μετατόπιση του μεγίστου ΔΦΑ σε αρκετά μεγαλύτερα μήκη κύματος. Παρόμοια μετατόπιση παρατηρείται και για τα μόρια με κεντρικό τμήμα το καρβαζόλιο. Η μετατόπιση αυτή του φάσματος ΔΦΑ δεν αντιστοιχεί σε μετατόπιση του φάσματος μονοφωτονικής απορρόφησης. Οφείλεται στην άρση της κεντροσυμμετρίας του μορίου, λόγω της διαμόρφωσης της δομής του, η οποία κάνει επιτρεπτή τη διφωτονική μετάβαση στην πρώτη μονοφωτονικά επιτρεπτή ενεργειακή κατάσταση που ειδάλλως είναι απαγορευμένη. Η επίδραση του διαλύτη στις διφωτονικές ιδιότητες των μορίων μελετάται επίσης στη διατριβή αυτή. Για τις τέσσερις πιο αποδοτικές ενώσεις, ως προς το διφωτονικά διεγερμένο φθορισμό, έγιναν μετρήσεις για τον υπολογισμό των φασμάτων ΔΦΑ τους σε πέντε διαλύτες διαφορετικής πολικότητας (διηλεκτρικής σταθεράς). Από τις μετρήσεις φάνηκε η σημαντική επίδραση του διαλύτη στη ΔΦΑ των τεσσάρων χρωστικών η οποία μεγιστοποιείται σε διαλύτη μεσαίας πολικότητας, ο τρεις στην ακετοφαινόνη και μια στο THF. Η χαμηλή κβαντική απόδοση φθορισμού που παρατηρείται στα διαλύματα με ακετοφαινόνης μειώνει αρκετά το διφωτονικά προκαλούμενο φθορισμό και κατατάσσει τo THF ως τον αποδοτικότερο διαλύτη για διφωτονικές εφαρμογές που εκμεταλλεύονται το φθορισμό. Επίσης και ο μη πολικός διαλύτης τολουόλιο προκαλεί έντονο φθορισμό λόγω της υψηλής κβαντικής απόδοσης παρόλο που επιφέρει δραστική μείωση της ΔΦΑ σε σύγκριση με τους άλλους διαλύτες που μελετήθηκαν. Δύο από τις χρωστικές που μελετήθηκαν ως προς τη ΔΦΑ τους χρησιμοποιήθηκαν ως φωτοεκκινητής πολυμερισμού ενός ακρυλικού μονομερούς και την μελέτη του πολυμερισμού συναρτήσει διαφόρων παραμέτρων ακτινοβόλησης της ρητίνης. Οι χρωστικές αυτές έχουν φλουορένιο ως κεντρικό τμήμα και υποκαταστάτες στα άκρα φθαλιμίδιο ή τριφαινυλαμίνη. Και οι δύο χρωστικές δύναται να προκαλέσουν τον πολυμερισμό του μονομερούς με ακτινοβόληση υπερβραχέων παλμών στα 800nm, αλλά η προσθήκη αμίνης ως συνεκκινητή μειώνει το κατώφλι ισχύος εκκίνησης του. Επίσης, σε υψηλές τιμές ισχύος ακτινοβόλησης στο ίδιο μήκος κύματος παρατηρήθηκε αυτο-πολυμερισμός του μονομερούς γεγονός το οποίο έχει επισημανθεί μία μόνο ακόμη φορά σε μια εργασία με ρητίνη μίξης τριών ακρυλικών μονομερών. Δύο ρητίνες που παρασκευάστηκαν στην παρούσα διατριβή αναμιγνύοντας το μονομερές με τη κάθε χρωστική και με προσθήκη του συνεκκινητή μελετήθηκαν για την εξάρτηση του πολυμερισμού από τον φακό εστίασης και από την ισχύ, την ταχύτητα σάρωσης και τη διάμετρο της δέσμης. Για το σκοπό αυτό κατασκευάστηκαν δοκίμια στα οποία εγγράφονταν πολυμερισμένες γραμμές μεταβάλλοντας κάποια από τις παραπάνω παραμέτρους και μετρώντας το πάχος και το ύψος των γραμμών αυτών από τις εικόνες μικροσκοπίου σάρωσης ηλεκτρονίων. Το γεγονός ότι ο μικρότερης ισχύος φακός παρατηρήθηκε ότι προκαλεί λεπτότερη γραμμή εξηγείται από το φαινόμενο κατωφλίου του πολυμερισμού. Ωστόσο η λεπτότερη γραμμή επιτυγχάνεται με τον ισχυρότερο φακό καθώς μπορεί να μειωθεί περισσότερο η ισχύς της δέσμης λόγω του χαμηλότερου κατωφλίου εκκίνησης του πολυμερισμού για το φακό αυτό. Η αύξηση της ταχύτητας σάρωσης ή η μείωση της ισχύος της δέσμης επιφέρουν μικρότερες διαστάσεις πάχους και ύψους της γραμμής που πολυμερίζεται. Επίσης η κατανομή της ισχύος ακτινοβόλησης σε ολόκληρο το πίσω άνοιγμα του φακού επιφέρει καλύτερη εστίαση και λεπτότερη πολυμερισμένη γραμμή. Ωστόσο η κατάλληλη χωρική διαμόρφωση της δέσμης μπορεί να μειώσει τις διαστάσεις των πολυμερισμένων δομών

Review of Fluorescence Spectroscopy in Environmental Quality Applications

Fluorescence spectroscopy is an optical spectroscopic method that has been applied for the assessment of environmental quality extensively during the last 20 years. Most of the earlier works have used conventional light sources in spectrofluorometers to assess quality. Many recent works have used laser sources of light for the same purpose. The improvement of the energy sources and of the higher resolution spectrometers has led to a tremendous increase in applications. The motivation for the present review study is the increasing use of laser sources in environmental applications. The review is divided in two parts. The fundamental principles of fluorescence spectroscopy are described in the first part. The environmental applications are described in the second part

Complex electrical conductivity measurements of a KTB amphibolite sample at elevated temperatures

In the present work, complex electrical conductivity measurements in the frequency range of 10 mHz–1 MHz and at elevated temperatures (423 K–1373 K) were carried out in amphibolite sample, originating from the KTB drilling. Impedance Cole–Cole plots were used to discriminate the contributions of grain interior, grain boundaries and electrode polarization effects to the measured conductivity spectra. At frequencies above 10 Hz where the electrode effects are negligible, ac-conductivity exhibits frequency dispersion according to a two-term power law behaviour, in most cases of the isothermal spectra. A conductivity relaxation step is observed during heating of the sample up to 773 K, which is attributed to strongly bound water, either in the form of hydroxyls in the crystal lattice of grains, or in the form of molecules trapped between the grain boundaries. The hysteresis plot of dc-conductivity shows an anomalous behaviour at around 1000 K during the heating procedure, due to the dehydroxylation of the sample. The electric modulus M* representation provides additional information over the low temperature range and the conductivity relaxation times were estimated for a limited temperature range. Thermal activation energies of Arrhenius type vary from 0.58 eV up to 1.50 eV, and they are ascribed to proton conduction at low temperature and hopping conduction of small polarons at higher temperatures

Characterization of an X-ray Source Generated by a Portable Low-Current X-Pinch

An X-pinch scheme of a low-current generator (45 kA, 50 ns rise time) is characterized as a potential efficient source of soft X-rays. The X-pinch target consists of wires of 5 μm in diameter—made from either tungsten (W) or gold (Au)-plated W—loaded at two angles of 55° and 98° between the crossed wires. Time-resolved soft X-ray emission measurements are performed to provide a secure correlation with the optical probing results. A reconstruction of the actual photodiode current profile procedure was adopted, capable of overcoming the limits of the slow rising and falling times due to the “slow” response of the diodes and the noise. The pure and Au-plated W deliver an average X-ray yield, which depends only on the angle of the crossed wires, and is measured to be ~50 mJ and ~70 mJ for the 98° and 55° crossed wire angles, respectively. An additional experimental setup was developed to characterize the X-pinch as a source of X-rays with energy higher than ~6 keV, via time-integrated measurements. The X-ray emission spectrum was found to have an upper limit at 13 keV for the Au-plated W configuration at 55°. The portable tabletop X-pinch proved to be ideal for use in X-ray radiography applications, such as the detection of interior defects in biological samples

A numerical study on laboratory plasma dynamics validated by low current x-pinch experiments

The computational study of x-pinch plasmas driven by pulsed power generators demands the development of advanced numerical models and simulation schemes, able to enlighten the experiments. The capabilities of PLUTO code are here extended to enable the investigation of low current produced x-pinch plasmas. The numerical modules of the code used and modified are presented and discussed. The simulations results are compared to experiments, carried out on a table-top pulsed power plasma generator implemented in a mode of producing a peak current of ~45 kA with a rise time (10%–90%) of 50 ns, loaded with Tungsten wires. The structural evolution of plasma density is studied and its influence on the magnetic field is analyzed with the help of the new simulation data. The simulated areal mass density is compared with the experimentally measured dense opaque region to enlighten the dense plasma evolution. In addition, the measured areal electron density is compared to the simulation results. Moreover, the new simulation data offer valuable insights to the main jet formation mechanisms, which are further analyzed and discussed in relation to the influence of the J × B force and the momentum. © 2020 IOP Publishing Ltd Printed in the U

Downscaled Finite Element Modeling of Metal Targets for Surface Roughness Level under Pulsed Laser Irradiation

A three-dimensional, thermal-structural finite element model, originally developed for the study of laser–solid interactions and the generation and propagation of surface acoustic waves in the macroscopic level, was downscaled for the investigation of the surface roughness influence on pulsed laser–solid interactions. The dimensions of the computational domain were reduced to include the laser-heated area of interest. The initially flat surface was progressively downscaled to model the spatial roughness profile characteristics with increasing geometrical accuracy. Since we focused on the plastic and melting regimes, where structural changes occur in the submicrometer scale, the proposed downscaling approach allowed for their accurate positioning. Additionally, the multiscale simulation results were discussed in relation to experimental findings based on white light interferometry. The combination of this multiscale modeling approach with the experimental methodology presented in this study provides a multilevel scientific tool for an in-depth analysis of the influence of heat parameters on the surface roughness of solid materials and can be further extended to various laser–solid interaction applications

High performance simulations of a single X-pinch

International audienceThe dynamics of plasmas produced by low current X-pinch devices are explored. This comprehensive computational study is the first step in the preparation of an experimental campaign aiming to understand the formation of plasma jets in table-top pulsed power X-pinch devices. Two state-of-the-art magneto-hydro-dynamic codes, GORGON and PLUTO, are used to simulate the evolution of the plasma and describe its key dynamic features. GORGON and PLUTO are built on different approximation schemes and the simulation results obtained are discussed and analyzed in relation to the physics adopted by each code. Both codes manage to accurately handle the numerical demands of the X-pinch plasma evolution and provide precise details on the mechanisms of the plasma expansion, the jet-formation, and the pinch generation. Furthermore, the influence of electrical resistivity, radiation transport and optically thin losses on the dynamic behaviour of the simulated X-pinch produced plasma is studied in PLUTO. Our findings highlight the capabilities of the GORGON and PLUTO codes in simulating the wide range of plasma conditions found in X-pinch experiments, enabling a direct comparison to the scheduled experiments