El proyecto Tulipan ha tenido el siguiente cronograma:
Tras la primera campaña experimental post-pandemia se tuvo la oportunidad de probar un primer prototipo de blanco de cinta en el sistema láser de petavatio VEGA-3 (marzo 2021). Este sistema consistía en un soporte con un motor rotatorio y un retenedor. Pese a su diseño simple, se lograron series de 5 disparos a 1 Hz (un disparo por segundo) logrando energías máximas de protones hasta 8.5 ± 0.5 MeV. Los resultados fueron muy buenos demostrando la operación a alta tasa de repetición y desencadenando el interés por este tipo de solución.
A pesar de ello, se descubrieron algunos inconvenientes como la importancia de controlar y reducir el pulso electromagnético (EMP). Esto último impedía salvaguardar los motores y debilitaba la estabilidad a largo plazo del sistema de desenrollado, lo que no aseguraba el correcto alineamiento de los blancos sólidos. Por ello se inició el desarrollo de un segundo prototipo de tamaño más compacto y robusto, con una mejora del sistema de control y con mejoras para evitar los inconvenientes observados durante la primera prueba.
En el mes de julio de 2022 se ha realizado el experimento de puesta en marcha del sistema de alta presión en el CLPU para generar blancos con densidades próxima a la densidad crítica. Los resultados han sido muy prometedores logrando la aceleración y detección de protones e iones helio. Comienza ahora un análisis de resultados.
Se ha realizado con éxito la segunda campaña experimental con el blanco de cinta logrando el récord del mundo de producción de partículas aceleradas mediante interacción láser plasma en un sistema láser de petavatio. Se ha logrado producir haces de protones a un Hz en una ráfaga de 1000 disparos consecutivos. Además, se ha probado la robustez del sistema frente a condiciones extremas (radiación y pulso electromagnético). Por otro lado, se ha estudiado el uso de instrumentación de alta repetición para caracterizar y evaluar la estabilidad de la fuente de protones.
Se ha publicado el artículo: Proton and helium ions acceleration in near-critical density gas targets by short-pulse Ti:Sa PW-class laser en la revista Journal of Plasma Physics (2023), vol. 89, 965890601 (https://doi.org/10.1017/S0022377823001332) En dicho artículo se demuestra la aceleración de protones e iones helio en un blanco supersónico de alta presión logrando varios MeV de energía. Además, se ha logrado identificar correctamente el punto de interacción mediante imágenes de la emisión del plasma.
Se obtuvieron energías máximas de protones de 2.2 MeV y 1.75 MeV a 90° y 60°, respectivamente, y se alcanzó con éxito la optimización para obtener aceleración de protones en dirección de propagación con energías máximas de 2 MeV. Además, también se observaron distribuciones agrupadas de protones a 60°. En el caso del He²⁺, se obtuvieron energías máximas de aproximadamente 5.8 MeV únicamente en la dirección transversal. Finalmente, se midieron electrones hasta 70 MeV en la dirección de propagación. Se demostró que la optimización de la posición de la interacción (a través de interferometría y emisión de 2ω) fue fundamental para mejorar la aceleración de partículas en HRR. Además, se estableció un hito técnico con 41 disparos realizados con una sola boquilla hasta quedar completamente dañada, con una tasa máxima de repetición de 2 disparos por minuto. Se mostró que materiales de alta resistencia y mayores distancias desde la salida podrían mejorar la supervivencia de la boquilla. Se necesitaría un estudio que involucre varios cientos de disparos en condiciones optimizadas para demostrar definitivamente los potenciales del sistema en HRR. En experimentos futuros, planeamos reducir la duración del pulso láser hasta 30 fs y escanear densidades ligeramente por encima y por debajo de la densidad crítica para identificar los mejores parámetros para la optimización del perfil espectral de los iones. Hemos identificado la necesidad de desarrollar diagnósticos y mejorar el método de extracción de gas para aumentar la tasa de repetición de la fuente, pero se ha demostrado la utilidad potencial de los objetivos de chorro de gas como fuente de partículas para HRR.
Se ha diseñado un capturador de gas (gas cátcher) para limitar los problemas de generación de gas de alta presión en las cámaras de vacío. El sistema se ha diseñado de manera modular para estudiar un gran rango de soluciones y parámetros (conductancia y propiedades del perfil de densidad del gas). Este sistema será próximamente construido y probado.
Se ha publicado el artículo «On-line TNSA proton beam stabilization at 1 Hz in ultraintense laser-matter interaction en la prestigiosa revista High Power Laser Science and Engineering»
**En conclusión**, ráfagas de 1 Hz de hasta 1000 disparos láser produjeron, por primera vez, haces de protones estables a partir de objetivos de lámina metálica utilizando un láser de casi 1 PW, lo que representa el límite tecnológico de la instalación en términos de tasa de repetición. Se observó una degradación de la señal de protones al operar el objetivo a 1 Hz. Se dedujo que un desenfoque del láser fue el origen de la degradación de la señal, y que esto podría deberse a efectos térmicos en las rejillas del láser. El efecto del desenfoque del láser se compensó mediante el uso de la motorización del objetivo y de la lente de colimación en el sistema láser. Se encontró que una modificación de la posición del objetivo no afecta la calidad del haz, mientras que el cambio de la lente de colimación podría modificar la divergencia del haz de protones. También consideramos, para experimentos futuros, el uso de óptica adaptativa (es decir, espejo deformable) para mitigar este efecto.
Además, hemos identificado diagnósticos potenciales para controlar y optimizar la fuente de partículas en línea, permitiendo su uso en aplicaciones. El Monitor de Carga del Objetivo y las Cámaras de Ionización han demostrado su fiabilidad y estabilidad en este entorno hostil, y son capaces de medir cambios en las condiciones de interacción láser-plasma a 1 Hz. En este punto, pueden surgir otros problemas, como la degradación de la óptica y los detectores en la cámara experimental debido a la gran producción de escombros y partículas. Podemos concluir que se ha demostrado el principio de funcionamiento de los objetivos de alta tasa de repetición a 1 Hz para la producción de protones en interacción láser-plasma.
