Φυσικοί κυματιστές από ακουστικά νανοδιαμορφωμένα υλικά για την παραγωγή ισχυρών και μονοχρωματικών ακτίνων γ

Περιγραφή

Η παραγωγή ακτινοβολίας γ με ελεγχόμενα χαρακτηριστικά (στενή ζώνη, ρυθμιζόμενη ενέργεια, κατευθυντικότητα) αποτελεί μια από τις μεγάλες προκλήσεις της σύγχρονης φυσικής, με τεράστιες δυνατότητες εφαρμογής σε τομείς όπως η πυρηνική φυσική, η ιατρική απεικόνιση και θεραπεία, και η επιστήμη των υλικών. Οι υπάρχουσες τεχνολογίες (π.χ., σύγχροτρα, παλμικές πηγές, ραδιενεργά ισότοπα) έχουν σημαντικούς περιορισμούς σε κόστος, μέγεθος, δυνατότητα ρύθμισης και φασματική καθαρότητα.

Η ερευνητική μας ομάδα αναπτύσσει μια καινοτόμα προσέγγιση: τους Ακουστικά Οδηγούμενους Κρυσταλλικούς Κυματιστές (A-CUs). Η τεχνολογία αυτή συνδυάζει την ακουστική, την επιστήμη υλικών και τη φυσική υψηλών ενεργειών.

Αρχή Λειτουργίας:

1. Παραγωγή Ακουστικού Κύματος:Ένας πιεζοηλεκτρικός μετατροπέας συνδέεται σε έναν μονοκρύσταλλο πυριτίου (Si) υψηλής καθαρότητας. Διεγείροντας τον μετατροπέα με κατάλληλη συχνότητα (π.χ., 10-40 MHz), δημιουργείται ένα διαμήκες ακουστικό κύμα που διαδίδεται κατά μήκος του κρυστάλλου. Απορροφητικά υλικά στην άλλη άκρη εξασφαλίζουν ότι το κύμα είναι οδεύον και όχι στάσιμο.
2. Περιοδική Παραμόρφωση Πλέγματος:Το ακουστικό κύμα προκαλεί περιοδικές συμπιέσεις και αραιώσεις του κρυσταλλικού πλέγματος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα την περιοδική κάμψη των κρυσταλλικών επιπέδων (π.χ., των επιπέδων (110)), με πλάτος a και περίοδο λᵤ. Η περίοδος λᵤ σχετίζεται άμεσα με το μήκος κύματος του ακουστικού κύματος.
3. Διοχέτευση (Channeling) Ποζιτρονίων:Μια δέσμη υπερ-σχετικιστικών ποζιτρονίων (π.χ., 20 GeV, διαθέσιμη στο CERN) εισέρχεται στον κρύσταλλο υπό γωνία 45°, έτσι ώστε να κινείται κατά μήκος των (110) επιπέδων. Τα ποζιτρόνια “παγιδεύονται” στα κανάλια που σχηματίζονται μεταξύ των επιπέδων λόγω των ισχυρών ηλεκτρικών πεδίων.
4. Εκπομπή Ακτινοβολίας:Ακολουθώντας την κυματοειδή διαδρομή των λυγισμένων επιπέδων, τα ποζιτρόνια υφίστανται επιτάχυνση και εκπέμπουν ακτινοβολία (ακτινοβολία αδιαβατικού διαμορφωτή – CUR). Η ενέργεια των φωτονίων-γ καθορίζεται από την ενέργεια των ποζιτρονίων, την περίοδο κάμψης  (που ελέγχεται από τη συχνότητα του ακουστικού κύματος) και το πλάτος κάμψης  (που ελέγχεται από την ισχύ του ακουστικού κύματος). Η τεχνολογία αυτή υπόσχεται παραγωγή ακτινοβολίας στην περιοχή από keV έως MeV, με δυνατότητα επέκτασης και στην περιοχή GeV.

Μεθοδολογία:

1. Υπολογιστική Μοντελοποίηση & Προσομοίωση:
   • FEM (LS–DYNA):Αναπτύσσουμε λεπτομερή τρισδιάστατα μοντέλα πεπερασμένων στοιχείων για να προσομοιώσουμε τη διάδοση του ακουστικού κύματος εντός του κρυστάλλου Si. Υπολογίζουμε την επαγόμενη μετατόπιση του πλέγματος και τα προφίλ κάμψης των επιπέδων (110) για διάφορες συχνότητες (10 MHz, 40 MHz).
   • Relativistic Molecular Dynamics (MBN Explorer):Τα προφίλ κάμψης από τα FEM χρησιμοποιούνται ως είσοδος για προσομοιώσεις σχετικιστικής μοριακής δυναμικής, όπου υπολογίζονται οι τροχιές χιλιάδων ποζιτρονίων εντός του παραμορφωμένου κρυστάλλου. Από τις τροχιές αυτές, υπολογίζεται η φασματική κατανομή της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας γ. Τα αποτελέσματα δείχνουν σημαντική ενίσχυση της ακτινοβολίας σε στενές φασματικές ζώνες γύρω στα 2 MeV (για 10 MHz) και 10 MeV (για 40 MHz), επιβεβαιώνοντας τη λειτουργία της διάταξης.
2. Πειραματικός Χαρακτηρισμός:
   • Ανάπτυξη Πρωτοτύπων:Πρωτότυπες διατάξεις A-CU με κρυστάλλους Si πάχους 1 mm και πιεζοηλεκτρικούς μετατροπείς 10 και 20 MHz.
   • Απεικόνιση Διάθλασης Laser (FLRI):Αναπτύσσουμε μια οπτική μέθοδο υψηλής ακρίβειας για τον άμεσο χαρακτηρισμό του ακουστικού πεδίου εντός του κρυστάλλου. Ένας παλμός laser (ns) διέρχεται από τον κρύσταλλο. Η περιοδική μεταβολή του δείκτη διάθλασης λόγω του ακουστικού κύματος προκαλεί διάθλαση της δέσμης, δημιουργώντας μια χαρακτηριστική κατανομή έντασης σε μια κάμερα. Αναλύοντας αυτή την κατανομή με ένα ειδικά ανεπτυγμένο υπολογιστικό μοντέλο, υπολογίζουμε με ακρίβεια την πίεση, το μήκος κύματος και την αρμονικότητα του ακουστικού πεδίου.

Καινοτομία & Αντίκτυπος (βάσει Innovation Radar):

Η τεχνολογία αυτή, που αναπτύσσεται στο έργο TECHNO-CLS, έχει αναγνωριστεί από το Innovation Radar της Ευρωπαϊκής Επιτροπής. Χαρακτηρίζεται από:

• Δυναμικό Δημιουργίας Αγοράς:Απευθύνεται σε ανάγκες υπαρχουσών αγορών (βασική έρευνα, πυρηνική τεχνολογία, ιατρική).
• Στόχοι Βιώσιμης Ανάπτυξης (SDG):Συμβάλλει στον SDG 7 (Ενέργεια) και SDG 9 (Βιομηχανία, Καινοτομία).
• Επόμενα Βήματα:Προετοιμασία για είσοδο στην αγορά και κλιμάκωση των ευκαιριών.

Δημοσιεύσεις – Έργα

Kaleris, K., Kaselouris, E., Dimitriou, V., Kaniolakis-Kaloudis, E., Bakarezos, M., Tatarakis, M., Papadogiannis, N.A., Sushko, G.B., Korol, A.V., Solov’yov, A.V. (2025). Narrowband γ-ray radiation generation by acoustically driven crystalline undulators. Phys. Rev. Accel. Beams, 28, 033502. https://doi.org/10.1103/PhysRevAccelBeams.28.033502

Kaniolakis-Kaloudis, E., Papadogiannis, N.A., Orphanos, Y., Bakarezos, M., Kaleris, K. (2025). Precise control of high-frequency ultrasounds in thin crystals for the development of tunable narrowband and directional γ-ray sources. J. Acoust. Soc. Am., 158(6), 4007-4016. https://doi.org/10.1121/10.0039880

TECHNO-CLS (Horizon Europe EIC Pathfinder Open, G.A. 101046458). https://mbnresearch.com/TECHNO-CLS/Main

Innovation Radar: “Acoustic Wave Crystalline Undulators for tunable γ-ray generation”. https://innovation-radar.ec.europa.eu/innovation/63722

Innovation Radar: “Nanosecond laser interferometer system and phase imaging technology for characterization of CLS based on travelling acoustic waves”. https://innovation-radar.ec.europa.eu/innovation/63723

Δαμάζοντας τα κύματα: Το Ελληνικό Μεσογειακό Πανεπιστήμιο «τιθασεύει» τις ακτίνες γ – ΤΟ ΒΗΜΑ (tovima.gr)