Lav-energi RHIC elektronkøling får grønt lys, bogstaveligt talt

Justering af en række forstærkere og spejle med hår-tynd præcision på en bordplade forankret til en stålblok dybt under jorden, forskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Brookhaven National Laboratory har produceret en kraftig grøn laser. Lyset-den højeste gennemsnitlige grønne laser, der nogensinde er genereret af en enkelt fiberbaseret laser-vil være afgørende for eksperimenter inden for atomfysik på Labs Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC).

"Når det grønne lys rammer et mål 27 meter nedstrøms fra denne bordplade, det vil generere pulser af elektroner, der er nødvendige for at afkøle ionstrålerne ved RHIC for at holde dem kolliderende, "sagde Brookhaven -fysikeren Zhi Zhao, der byggede lasersystemet og er hovedforfatter på et papir, der beskriver dets attributter i Optik Express , et tidsskrift for Optical Society of America. Ud over at køle ionstråler ved RHIC, sådan en kraftig grøn laser kan også have applikationer i materialeforarbejdning, laserbearbejdning, og generering af andre lasere.

Brug af elektroner til at afkøle ionstråler

Høje kollisionshastigheder ved RHIC genererer reams af data for 1, 000 atomfysikere, der kommer til denne DOE Office of Science -brugerfacilitet for at studere de indviklede detaljer i materiens byggesten. Kollisionerne reducerer byggestenene til deres mest primitive form - en suppe af grundlæggende partikler, der efterligner forholdene i det tidlige univers. Men da ionerne cirkulerer gennem RHICs tunneler på 2,4 mil-omkreds, de har en tendens til at varme op og sprede sig fra hinanden, mindsker chancerne for, at der opstår kollisioner.

"Spredning inden for stråler får ionerne til at sprede sig og gå tabt, så strålen ikke overlever, "sagde RHIC accelerator fysiker Michiko Minty, en medforfatter på papiret og leder af projektet for at udvikle og integrere denne laser i RHIC-kollideroperationer.

Opvarmning er et særligt problem, når ionstrålerne cirkulerer ved relativt lave energier - i et område, RHIC -forskere bruger til at studere interessante aspekter af, hvordan ursuppen omdannes til mere velkendte protoner og neutroner. Så fysikere på RHIC har undersøgt måder til periodisk at injicere en strøm af relativt kølige elektroner for at fjerne noget af ionernes varme.

"Hele punktet med elektronkøling er at stoppe spredningen af ​​ionklaserne for at maksimere kollisionshastigheden, "Sagde Minty.

Elektronkøling har været en succes med andre partikelacceleratorer. Men hos RHIC undersøger fysikere nye strategier til at generere elektronstråler ved meget høje elektronenergier (milliarder af elektronvolt), som kræver brug af lineær radiofrekvensacceleration af energiske bundter.

"Vi er nødt til at lave bundter af elektroner, der overlapper med ionbundterne, og ionbundterne gentager sig. Så vi ønsker at generere et sæt pulstog af elektroner, der co-formerer sig med ionerne, så ionernes energi kan overføres til elektronerne, får ionstrålen til at skrumpe, "Sagde Minty.

Ideen er at bruge pulser fra en laser til at ramme et fotoemitterende materiale-et materiale, der udsender elektroner, når det rammes med den helt rigtige bølgelængde, eller farve, lys - inde i en fotokatodeelektronpistol. I tilfælde af fotokatoden installeret i elektronpistolen på RHIC, den magiske farve er grøn.

(Infra) rødt lys, grønt lys, 1, 2, 3!

For at få grønt lys, Brookhaven -teamet startede med noget usynligt, en infrarød (IR) "seed" laser ved relativt lav effekt. De sender modulerede pulser af det usynlige IR -lys gennem en række optiske fibre for at forstærke effekten.

Da lyset fra en ekstra IR "pumpe" laser kommer ind i fiberen, det ophidser elektroner i materialet, der beklæder fiberen. Når disse elektroner slapper tilbage til deres "grundtilstand, "de udsender fotoner af lys ved IR -bølgelængden, perfekt synkroniseret med frøets IR -bølger, gradvist øge signalstyrken i flere fiberforstærkerfaser.

Når den ønskede effekt er nået, den infrarøde laser rammer en "frekvens-fordobling" krystal.

"Når to fotoner af infrarødt lys rammer krystallen, den udsender en foton med kortere bølgelængde, "Forklarede Zhao." Frekvensdobling halverer i det væsentlige bølgelængden, ændre IR -input til grønt synligt lys. "

Det grønne laserlys zigzager derefter langs stier styret af spejle på bordpladen gennem forskellige optiske komponenter for at optimere nettolaseroutput. Disse inkluderer flere krystaller, der bruges til at konvertere korte laserpulser til et tog med flere pulser (tidsformet formning), en række forskellige linser til frembringelse af den ønskede tværgående profil af laserpulserne (rumlig formning), og såkaldte halvbølgeplader, der bruges til at passere eller afvise passage af laserstrålen for at styre den samlede laserintensitet.

Efter dette, laserlyset ledes til en række elektriske optiske modulatorer - "enheder, der hugger sektioner af laserlyset ud for at producere den ønskede sekvens af laserpulser - en sekvens, der matcher strukturen af ​​ionstrålerne, der skal køles, "Forklarede Minty.

Målet er at få timerne til at stemme overens med elektronpistolens frekvens, så de resulterende elektroner kan accelereres, så de passer perfekt til de accelererede ioner, der cirkulerer i RHIC.

"I sidste ende er det ionstrålens hastighed, der 'bestemmer', hvad vi har brug for, og alt skal matches med det. Vi får et signal fra ionaccelererende hulrum, der bruges til at generere timingsignalerne for komponenterne, der genererer laserpulsstrukturen, "Sagde Minty.

Forankring og test af lyset

Fiberlasere er særligt velegnede til at generere elektronbunker med høj lysstyrke i fotokatodektroninjektorer. Fiberens høje overflade-til-volumen-forhold understøtter frembringelse og levering af laserpulser ved høj gentagelseshastighed og høj gennemsnitlig lasereffekt. Også, dynamikken i laserlyset, der formerer sig gennem fiberen, fører til fremragende laserprofiler, lave variationer i laserens position, og vedligeholdelsesfri drift. Tilsammen resulterer disse egenskaber i langsigtet drift af en meget stabil laser, hvilket er afgørende for de RHIC fysiske programmer.

To nøglefaktorer, forskerne skal kontrollere, er laserens udryddelsesforhold - forskellen mellem laseren, der er tændt og slukket - og dens stabilitet.

"Hvis du har lys til stede, når det ikke skal være der, du får resterende elektroner, som kan forårsage uønskede effekter, "Sagde Minty." Vi sigter efter en faktor på 10-6, hvilket betyder, at når vi siger, at den er slukket, er den slukket, og kun en ud af en million elektroner vil komme igennem. "

For stabilitet, forskerne skal sikre, at lysets vej ikke afviger mere end 10 mikron fra dets udgangspunkt til fotokatodepistolen i RHIC -tunnelen, selv med alle forstærkningstrin og zigzagveje på bordpladen.

"Samlet set, stien er omkring 30 meter — 3 meter på bordpladen med 40 spejle, der skaber zigzagstien og 27 meter i overførselslinjen, "sagde Zhao, stående inde i den mobile trailer, der huser laseren uden for RHIC -ringen.

"Vi stabiliserede bordet ved at grave et stort hul og begrave en 50 tons stålblok ned på niveau med Long Islands vandspejl, og borede huller i traileren for at fastgøre laserbordet til den blok, "Sagde Minty." Du kan hoppe op og ned på gulvet herinde, og bordet bevæger sig ikke, "tilføjede hun, peger på superstabile stolper, der indeholder spejle og andre nøglekomponenter på det bevægelsesisolerede bord.

Også, de lange evakuerede rør, hvorigennem laseren bevæger sig, er afkoblet fra flere mindre optiske borde mellem traileren og elektronpistolen, der er placeret inde i RHIC -kabinettet. Disse borde huser optik og spejle med understøtninger ligeledes designet til termisk og vibrationsstabilitet.

Teamet - som også omfattede Brian Sheehy (for nylig pensioneret) og en ny tilføjelse, Patrick Inacker-har allerede opnået to betydelige milepæle for lavenergi-elektronkøleeksperimentet. Den 9. marts, 2017, de transporterede med succes en justeringslaser gennem hele lasertransportsystemet, efterfulgt den 5. april af den første vellykkede transport ved hjælp af det grønne laserlys. Første test af elektronkøling forventes at begynde under RHIC -operationer i slutningen af ​​2018 og begyndelsen af ​​2019.