Extreme Light Infrastructure Nuclear PhysicsExtreme Light Infrastructure Nuclear Physics
2nd Workshop on Ion Beam Instrumentation
LULI, Paris, June 7th – 8th, 2012
Extreme Light Infrastructure (ELI)Extreme Light Infrastructure (ELI)
 2006 – ELI on ESFRI Roadmap
 ELI-PP 2007-2010 (FP7)
       ELI - Beamlines (Czech Republic)
        ELI - Attoseconds (Hungary)
        ELI - Nuclear Physics (Romania)
Project Approved by the EuropeanCompetitiveness Council (December 2009)
ELI-DC (Delivery Consortium): April 2010
 
22
February-April 2010
Scientific case “White Book” (100 scientists, 30 institutions)   (www.eli-np.ro)
 approved by ELI-NP International Scientific Advisory Board
August 2010
Feasibility Study
December 2010 – Romanian Government:
ELI-NP priority project
August 2011 – March 2012
Technical Design
January 2012
Submission of the application for funding
March 2012
Detailed technical design of the buildings.
ELI-NP  “Start-up” Activities
33
ELI-NP
NUCLEAR
Tandem acc.Cyclotron
γ – Irradiator
Adv. Detectors
Life & Env.
Radioisotopes
Reactor(decomm.)
Waste Proc.
ring rail/road
BUCHAREST
Lasers
Plasma
Optoelectronics
Material Physics
Theoretical Physics
Particle Physics
Bucharest-Magurele Physics CampusBucharest-Magurele Physics Campus
National Physics InstitutesNational Physics Institutes
Large equipments:
Ultra-short pulse high power laser system, 2 x 10PWmaximum power, ultrashort pulses (300J, 30fs)
Gamma radiation beam, high intensity and collimation,tunable energy up to 20MeV, bandwidth 10-3
Buildings – special requirements, 33000sqm total
Experiments
8 experimental areas, for gamma, laser, and gamma+laser
ELI-NP
55
Oscillators
+OPCPA preamps
multi-PW block
Apollon-type
Flashlamp based
400mJ/ 10Hz/ <20fs
Combined laser-gammaexperiments
Gamma/e-experiments
Multi-PWexperiments
  High rep-ratelaser experiments
0.1 – 1 PW
Oscillators
+ OPCPA preamps
300J/ 0.01Hz/ <30fs
 e- accelerator
Warm linac
multi-PW block
 Apollon-type
Flashlamp based
Laser
DPSSL 10J/>100Hz
Gamma beam
Compton based
0.1 – 20MeV
1PW block
Ti:Sapph
Flashlamp based
1PW block
Apollon-type
Flashlamp based
1PW block
Ti:Sapph
Flashlamp based
1PW block
Apollon-type
Flashlamp based
30J/ 0.1Hz/ <30fs
ELI-NP Facility ConceptELI-NP Facility Concept
66
ELI-NPELI-NP
Main buildingsMain buildings
Lasers
Gamma and experiments
Laboratories
Unique architecture
G:\ELI\IMAGES\M5.jpg
ELI – Nuclear Physics ResearchELI – Nuclear Physics Research
Nuclear Physics experiments to characterize laser – target interaction
Photonuclear reactions
Exotic Nuclear Physics and astrophysics
    complementary to other NP large facilities (FAIR, SPIRAL2)
Applications based on high intensity laser and very brilliant γ beams
     complementary to the other ELI pillars
ELI-NP in Romania
   in ‘Nuclear Physics Long Range Plan in Europe’  as a major facility
  
88
Advances in lasers scienceAdvances in lasers science
Gerard Mourou, 1985:  Chirped Pulse Amplification (CPA)
99
static field
+
-
1)           pushes the electrons;
2)The charge separation generates anelectrostatic longitudinal field:(Wake Fields or Snow Plough)
3)  The electrostatic field:
Particle acceleration by laserParticle acceleration by laser(Tajima, Dawson 1979)
1010
Wake – field acceleration
Secondary
target
Target normal sheats acceleration (TNSA)
Radiation pressure acceleration (RPA)
E~Ilaser1/2
-> secondary radiations
E~ I laser
Electrons and ionsaccelerated at solid statedensities  1024 cm-3
Collimated beams wereobtained, even of the size of theincident laser beam
The energies  up to hundreds ofMeV at high-power lasers(VULCAN, etc.)
Intensities may go up to 1012particles/laser pulse
electrons.tiff
Esarey, Schroeder, and Leemans
Rev. Mod. Phys., Vol. 81, No. 3,  2009
Laser intensity  ~ 1019 W/cm2
 Electrons Electrons
1111
Heavy ion beams at LULI (France)
Laser pulses:
     30 J, 300 fs, 1.05 μm => 5x1019 W/cm2.
Target:   1 μm C
              on rear side of 50 μm W foils
Detection: Thomson parabola spectrometers
                    + CR-39 track detectors
 Protons come from surface contamination
  Heating the target the protons are removed and
    heavy ions  are better  accelerated
 Protons, heavy ions Protons, heavy ions
1212
Maximum energy scales with laser beam intensity approximately as I0.5
TNSA at work at intensities of 1019 – 1021 W/cm2
 Proton acceleration Proton acceleration
1313
T. Lin et al., 2004, Univ. of Nebraska Digital Commons
Plateau of proton energy with increasing foil thickness
Graphs show results for multi-TW-class lasers
 Proton acceleration Proton acceleration
1414
T. Lin et al., 2004, Univ. of Nebraska Digital Commons
LLNL 100fs, 1020W/cm2 (2001)
Hercules laser, Michigan, 3x1020W/cm2, 30fs
Dependence of maximum energy function ofthe ion species
Graphs show results for multi-TW-class lasers
 Ion beam acceleration Ion beam acceleration
1515
Vulcan 50TW, Appleton Lab,2x1019W/cm2, thick lead target
Mylar target irradiated with a1019W/cm2 laser pulse
Compton backscattering is the most efficient    « frequency amplifier »
                         wdiff=4ge2wlaser
Ee=300 MeV  and optical laser <=> ge~ 600     => Eg > 3 MeV
but  very weak cross section: 6.6524 10-25 cm2
Therefore for a powerful γ beam, one needs:
- high intensity electron beams
- very brilliant optical photon beams
- very small collision volume
- very high repetition frequency
e
ELI-NP Gamma beam production
1616
gs
´
Separation
threshold
AX
Y
Nuclear Resonance Fluorescence (NRF)
Photoactivation
Photodisintegration
Absorption
(-activation)
´
1717
Photonuclear reactions
Particle beamsParticle beams
E6
E1
E5
E4
E3
E2
E7
E8
E1: laser-induced nuclear reactions – multi-PW laser experiments
protons E < 3GeV, I > 1011/pulse, div 40°, FWHM 300MeV
electrons up to 1.5GeV, I ~ 1011/pulse, div 40°, FWHM 150MeV
E6: Intense electron and gamma beams induced by high power laser:
electrons E < 40GeV, I < 1011/pulse, div 1°, FWHM 1MeV
E4/E5: Accelerated particle beams induced by high power laser beams (0,1/1 PW) at highrepetition rates (10/1Hz):
Protons 100MeV, I ~ 1011 – 1013 / pulse, div 40°, FWHM 10MeV
e- 50MeV-5GeV, I < 4*1010/pulse, div 1°-40°
Thermal electrons, I ~ 107 / pulse, div < 3°
Secondary particlesSecondary particles
E6
E1
E5
E4
E3
E2
E7
E8
Additionally, in E7 (Experiments with combined laser and gamma beams) and E8 (Nuclearreactions induced by high energy gamma beams), secondary particles will be created
Low intensities
Photodisintegration, photo-fission (E8)
Laser focused in vacuum (E7)
Laser-accelerated particles (E1, E6, E4, E5)
Background may pose problems to particle detection
Stand-alone High Power Laser Experiments
Nuclear Techniques for Characterization of Laser-Induced Radiations
Modelling of High-Intensity Laser Interaction with Matter
Stopping Power of  Charged Particles Bunches with Ultra-High Density
Laser Acceleration of  very dense Electrons, Protons and Heavy Ions Beams
Laser-Accelerated Th Beam to produce Neutron-Rich Nuclei around  the N =126 Waiting Point of the r-Process via the Fission-Fusion Reaction
A Relativistic Ultra-thin Electron Sheet used as a Relativistic Mirror for theProduction of Brilliant, Intense Coherent γ-Rays
 Studies of enhanced decay of 26Al in hot plasma environments
ELI – NP Experiments (1)
2020
Laser + γ /e− Beam
Probing the Pair Creation from the Vacuum in the Focus of Strong Electrical Fieldswith a High Energy γ Beam
The Real Part of the Index of Refraction of the Vacuum in High Fields: VacuumBirefringence
Cascades of e+e Pairs and γ -Rays triggered by a Single Slow Electron in StrongFields
Compton Scattering and Radiation Reaction of a Single Electron at High Intensities
Nuclear Lifetime Measurements by Streaking Conversion Electrons with a LaserField.
ELI – NP Experiments (2)
2121
Standalone γ /e experiments for nuclear spectroscopy andastrophysics
Measuring Narrow Doorway States, embedded in Regions of High Level Density in theFirst Nuclear Minimum, which are identified by specific (γ, f), (γ, p), (γ, n) Reactions
Study of pygmy and giant dipole resonances
Gamma scattering on nuclei
Fine-structure of Photo-response above the Particle Threshold: the (γ ,α), (γ,p) and (γ ,n)
Nuclear Resonance Fluorescence on Rare Isotopes and Isomers
Neutron Capture Cross Section of s-Process Branching Nuclei with Inverse Reactions
Measurements of (γ, p) and (γ, α) Reaction Cross Sections for p-ProcessNucleosynthesis
ELI – NP Experiments (3)
2222
Applications
Laser produced charged particle beams may become an attractivealternative  for large scale conventional facilities
Laser-driven betatron radiation - gamma beams
High Resolution, high Intensity X-Ray Beam
Intense Brilliant Positron-Source: 107e+/[s(mm mrad)2 0.1%BW]
Radioscopy and Tomography
Materials research in high intensity radiation fields
Applications of Nuclear Resonance Fluorescence
ELI – NP Experiments (4)
2323
Nuclear Resonance FluorescenceNuclear Resonance Fluorescence
ApplicationsApplications
 Management of Sensitive Nuclear Materials and Radioactive waste
- isotope-specific identification  238U/235U ,  239Pu,
- scan containers for nuclear material and explosives
 Burn-up of nuclear fuel rods
- fuel elements are frequently changed in position to obtain ahomogeneous burn-up
- measuring the final 235U, 238U content may allow to use fuel elements20% longer
- more nuclear energy without additional radioactive waste
2424
Radioisotopes for medical useRadioisotopes for medical use
   Ageing nuclear reactors that currently produce medical radioisotopes, growing demand–  shortages very likely in the future
   New approaches and methods for producing radioisotopes urgently needed
   Feasibility of producing a viable and reliable source of photo fission / photo nuclear-induced Mo-99 and other medical isotopes used globally for diagnostic medical imagingand radiotherapy is sought
   Producing of medical radioisotopes via the (γ, n) reactions
    e.g. 100Mo(γ, n) 99Mo
    195mPt: In chemotherapy of tumors it can be used to label platinum cytotoxic compoundsfor pharmacokinetic studies in order to exclude ”nonresponding” patients fromunnecessary chemotherapy and optimizing the dose of all chemotherapy
2525
Materials Science and EngineeringMaterials Science and Engineering
   Due to the extreme fields intensity provided by the combination of laser and gamma-raybeams, novel experimental studies of material behavior can be devised
   to understand, at the atomic scale, the behavior of materials subject to extreme radiationdoses and mechanical stress in order to synthesize new materials that can tolerate suchconditions
   Extremely BRIlliant Neutron-Source produced via the (γ ,n) Reaction without Moderation
  The structure and sometimes dynamics investigations by thermal neutrons scattering areamong the obligatory requirements in production of the new materials
  An Intense BRIlliant Positron-Source produced via the (γ, e+e) Reaction (BRIP) –polarized positron beam – microscopy
2626
Astrophysics – related studiesAstrophysics – related studies
   Production of heavy elements in the Universe – a central question for Astrophysics
   Neutron Capture Cross Section of s-Process Branching Nuclei with Inverse Reactions
  the single studies on long-lived branching points (e.g. 147Pm, 151Sm, 155Eu) showed that therecommended values of neutron capture cross sections in the models differ by up to 50% from theexperimentally determined values
   the inverse (γ,n) reaction could be used to decide for the most suitable parameter set and topredict a more reliable neutron capture cross section using these input values
   Measurements of (γ, p) and (γα) Reaction Cross Sections for p-Process Nucleosynthesis
   determination of the reaction rates by an absolute cross section measurement is possible usingmonoenergetic photon beams produced at ELI-NP
   tremendous advance to measure these rates directly
   broad database of reactions – high intense γ beam needed
2727
ELI-NP TimelineELI-NP Timeline
 June 2012:  Launch of  large tender procedures
 September 2012 – September 2014: Construction of buildings
 2014: TDRs for experiments ready
 July 2015:  Lasers and Gamma Beam – end of Phase 1
 December 2016 : Lasers and Gamma beam Phase 2
 January 2017: Beginning of operation
2828
Thank you!
www.eli-np.ro
G:\ELI\IMAGES\M1.jpg
Henig_manuscript_RPA_submitted
Experiment
Theory
2D PIC simulations
 RPA in DLC foils RPA in DLC foils
3333
aim: determination of transition strengths: need absolute values for groundstate transition width
NRF-experiments give product with branching ratio:
assumption:
no transition in low-lying states observed
but: many small branchings in other states?
self-absorption: measurement of absolute ground state transition widths
ELI Workshop
Norbert Pietralla, TU Darmstadt
Nuclear photonics
3434