Nyligt opgraderet laser kigger længere ind i det ekstreme univers på SLACs LCLS

Forskere ved Department of Energy's SLAC National Accelerator Laboratory opgraderede for nylig et kraftfuldt optisk lasersystem, der bruges til at skabe stødbølger, der genererer højtryksforhold som dem, der findes i planetarisk interiør. Lasersystemet leverer nu tre gange mere energi til eksperimenter med SLACs ultralette røntgenlaser, giver et mere kraftfuldt værktøj til at undersøge ekstreme materielle tilstande i vores univers.

Sammen, de optiske og røntgenlasere danner instrumentet Matter in Extreme Conditions (MEC) ved Linac Coherent Light Source (LCLS). Det optiske lasersystem med høj effekt skaber ekstreme temperatur- og trykforhold i materialer, og røntgenlaserstrålen fanger materialets reaktion.

Med denne teknologi, forskere har allerede undersøgt, hvordan meteor påvirker stødmineraler i jordskorpen og simulerede forhold i Jupiters indre ved at gøre aluminiumsfolie til en varm, tæt plasma.

Højere intensitet og mere kontrollerede pulsformer

MEC -instrumentteamet modtog finansiering fra Office of Fusion Energy Sciences (FES) inden for DOE's Office of Science til at fordoble mængden af ​​energi, den optiske stråle kan levere på 10 nanosekunder, fra 20 til 40 joule.

Men de gik endnu længere.

"Teamet overgik vores forventninger, en spændende bedrift for DOE High Energy Density -programmet og fremtidige MEC -instrumentbrugere, "siger Kramer Akli, programchef for High Energy Density Laboratory Plasma på FES.

Holdet tredoblet mængden af ​​energi, laseren kan levere på 10 nanosekunder til et sted på et mål, der ikke er større end bredden af ​​et par menneskehår. Når man fokuserer ned på det lille område, laseren giver brugerne en intensitet på op til 75 terawatts pr. kvadratcentimeter.

"Med andre ord, den opgraderede laser har samme effekt som 17 Teslas, der aflader deres 100 kilowatt-timers batterier på et sekund, "siger Eric Galtier, en MEC -instrumentforsker.

En del af energiopgraderingen kan tilskrives den optiske lasers nye, hjemmelavet diode pumpet front-end, designet med hjælp fra Marc Welch, en MEC laseringeniør. Forskerne byggede og automatiserede også et system til at forme laserpulser med ekstraordinær præcision, tillader brugerne væsentligt større fleksibilitet og kontrol over de pulsformer, der blev brugt i deres eksperimenter.

En mere kraftfuld og pålidelig laser betyder, at forskere kan studere højere trykregimer og nå betingelser, der er relevante for fusionsenergistudier.

Simulering af planternes kerne

MEC -opgraderingen er lovende for mange forskere, herunder Shaughnessy Brennan Brown, en doktorand i maskinteknik, hvis forskning fokuserer på videnskab med høj energitæthed, der spænder over kemi, materialevidenskab, og fysik. Brennan Brown bruger MEC's ​​eksperimentelle kobling til at drive stødbølger gennem silicium og generere højtryksforhold, der opstår i Jordens indre.

"MEC -opgraderingen på LCLS gør det muligt for forskere som mig at generere spændende, tidligere uudforskede regimer af eksotisk stof-som dem, der findes på Mars, vores næste planetariske trædesten - med afgørende pålidelighed og repeterbarhed, "Siger Brennan Brown.

Brennan Browns forskning undersøger de processer, hvorved silicium i Jordens kerne omorganiseres atomisk under høje temperatur- og trykforhold. De termodynamiske egenskaber ved disse højtrykstilstande påvirker vores magnetfelt, som beskytter os mod solvinden og giver os mulighed for at overleve på Jorden. Laseropgraderingen tillader Brennan Brown at nå højere tryk- og temperaturforhold inde i hendes prøver, et mangeårigt mål.

Intensity Plus Precision

Den optiske laser forstærker en laveffektstråle i etaper og når stadig mere høje energier. Imidlertid, kvaliteten af ​​laserstrålen og evnen til at kontrollere den formindskes under forstærkning. En puls af lav kvalitet kan starte og slutte med en væsentlig anden form, hvilket ikke er nyttigt for forskere, der forsøger at genskabe specifikke forhold.

"Den indledende lavenergipuls skal have en uberørt rumlig tilstand og den korrekt konfigurerede tidsform - det vil sige en præcis udformning af pulsens effekt som funktion af tiden - før forstærkning for at producere de laserpulsegenskaber, der er nødvendige for at muliggøre hver brugers eksperiment, "siger Michael Greenberg, MEC Laser Area Manager.

Hvert mål er unikt og kræver en bestemt energi og pulsform, gør manuelle tests og justeringer tidskrævende. Inden opgraderingen, holdet optimerede pulsformen i hånden, tager alt fra et par timer til et par dage for at kalibrere det korrekt.

For at løse dette problem skal du Eric Cunningham, laserforsker ved MEC, udviklet et automatiseret kontrolsystem til at forme den lavdrevne stråle før forstærkning.

"Det nye system giver mulighed for præcis tilpasning af pulsformen ved hjælp af et edb-feedback-loop-system, der analyserer pulserne og automatisk kalibrerer laseren igen, "Sagde Cunningham. Den nye optimizer er et lovende system til at generere mange pulser af høj kvalitet på den mest præcise og rettidige måde.

Ud over de forbedrede pulsformer, det opgraderede system afleverer energi på prøver mere konsekvent fra skud til skud, som gør det muligt for forskere meget tæt at gengive ekstreme materielle tilstande i deres prøver. Som resultat, både datakvaliteten og driftseffektiviteten forbedres.

Brennan Brown siger, at det er menneskene og teknologien, der gør instrumentet så succesfuldt:"Laserforskernes og ingeniørernes kapacitet og kompetence på MEC -eksperimentelle station tilbyder forskere de teknologiske ressourcer, de har brug for til at udforske ubesvarede spørgsmål om universet og bringe deres teorier til liv."