200-Terawatt-Laser bringen neue Extreme in Bezug auf Hitze und Druck in Röntgenexperimente | 2020

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Anonim

Es ist das erste Hochleistungslasersystem, das mit dem Röntgenlaser von SLAC, der Linac Coherent Light Source (LCLS), gekoppelt ist. LCLS kann extreme Formen von Materie, die durch die Hochleistungspulse erzeugt werden, präzise messen - mit Temperaturen von mehreren Millionen Grad und Drücken von fast 2 Milliarden Tonnen pro Quadratzoll, etwa 300 Milliarden Mal so hoch wie der Druck auf Meereshöhe -, während es sich am schnellsten umwandelt atomarer Maßstab. Der aufgerüstete Laser wird nützlich sein, um zu untersuchen, wie sich Materialien unter Stress umwandeln, und um die Physik der Kernfusion zu verstehen, die eines Tages als revolutionäre Energiequelle dienen könnte.

Die Wissenschaftler können mit ihren Impulsen auch eine Vielzahl von Teilchenstrahlen ansteuern, die Formen von Materie wie sternförmige dichte Plasmen auf neue Weise untersuchen. Plasmen, die als vierter Materiezustand gelten, weil sie nicht wie Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase sind, bestehen aus einer gasförmigen Suppe geladener Teilchen, die frei schwebende Elektronen und die Atome, von denen die Elektronen abgestreift wurden, enthalten.

"Dadurch erhalten wir mehr Einblicke in die Arbeitsprozesse, vom atomaren bis zum elektronischen Zustand", sagte Eduardo Granados, Laserwissenschaftler am SLAC, der das Upgrade beaufsichtigte.

Das aufgerüstete Lasersystem erreicht einen Spitzenwert von 200 Terawatt Leistung, der siebenmal höher ist als sein vorheriger Spitzenwert und etwa dem 100-fachen des weltweiten Gesamtleistungsverbrauchs entspricht, der in Zehntel "Femtosekunden" oder Billiardstelsekunden komprimiert ist. Die maximale Leistung vor dem Upgrade betrug 30 Terawatt. Die Impulse des Lasers sind jetzt weitaus stärker als die gesamte kombinierte Impulsleistung der mehr als 150 anderen Lasersysteme, die bei SLAC in Betrieb sind.

Neue Wege zur Materialprüfung

Auch wenn der aufgerüstete SLAC-Laser nicht der leistungsstärkste der Welt ist - ein in Japan in diesem Jahr fertiggestellter Laser hält jetzt den Rekord mit einer etwa zehnmal höheren Leistung, und viele andere Lasersysteme auf der ganzen Welt sind um ein Vielfaches leistungsstärker - was Einzigartig ist die Fähigkeit, mit den intensiven, ultraschnellen Röntgenpulsen zu synchronisieren, die in LCLS, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science, erzeugt werden.

Das Wachstum dieser Hochleistungslasersysteme rund um den Globus eröffnet neue Wege der Entdeckung und hat das Interesse von Forschern geweckt, die unter anderem in den Bereichen Astrophysik, Materialforschung, Planetenwissenschaften, Geologie sowie Nuklear- und Energiewissenschaften tätig sind. Am 30. September traf sich ein vom japanischen Wissenschaftsrat organisiertes internationales Symposium im SLAC, um die neuesten Entwicklungen bei der Verwendung von Hochleistungslasern und Röntgenlasern zur Untersuchung von Materie unter extremen Bedingungen zu erörtern. Hochleistungslaser-Workshop diese Woche im SLAC und während einer bevorstehenden Labor-Astrophysik-Konferenz im SLAC.

Der Hochleistungslaser von SLAC sendet Lichtimpulse mit unsichtbaren Frequenzen im nahen Infrarotbereich aus, die die Proben extremen Bedingungen aussetzen. Der Röntgenlaser prüft dann ihre Eigenschaften mit unglaublicher Präzision. Beide Lasersysteme können Impulse erzeugen, die in Femtosekunden gemessen werden, und die Zeitverzögerung zwischen den Hochleistungs- und Röntgenimpulsen kann eingestellt werden, um zu untersuchen, wie sich Materialien schnell umwandeln, nachdem sie von dem Hochleistungslaserimpuls getroffen wurden.

Der Hochleistungslaser kann auch zur gleichzeitigen Erzeugung von Teilchenstrahlen wie Gammastrahlen, Protonen und einer speziellen Form von Röntgenstrahlung, der Betatronstrahlung, verwendet werden, die zusammen mit LCLS-Impulsen zur Erforschung exotischer Materiezustände verwendet werden können neue Wege.

"Wir werden jetzt ein viel genaueres Bild davon bekommen, was bei Hochenergie-Röntgenlaserexperimenten passiert", sagte Granados.

Gelegenheit für zukünftige Upgrades

Das Herzstück des aufgerüsteten SLAC-Lasersystems, das in der Experimentierstation Matter in Extreme Conditions bei LCLS untergebracht ist, ist ein großes, hochwertiges Titansaphirglas mit einem Durchmesser von mehr als 3 Zoll. Der Kristall stimuliert und verstärkt das Licht eines anderen Lasers. Dieses verstärkte Licht wird auf einen Punkt fokussiert, der nur ein Millionstel Zoll breit ist, und Zeitmesssysteme helfen dabei, die Ankunft jedes Laserpulses mit einem LCLS-Röntgenlaserpuls mit einer Genauigkeit in Femtosekunden zu synchronisieren.

Der aufgerüstete Hochleistungslaser von LCLS wird Wissenschaftlern in der nächsten Versuchsrunde von LCLS zur Verfügung stehen, die im Oktober mit der Hälfte der von LCLS bereitgestellten Spitzenleistung von 100 Terawatt beginnt. Laut Granados soll die Intensität im Laufe der Zeit schrittweise auf 200 Terawatt gesteigert werden. Der Laser kann zunächst alle 3,5 Minuten einen Impuls bei 100 Terawatt mit einer Impulslänge von etwa 40 Femtosekunden abgeben. Bei einer Spitzenleistung von 200 Terawatt wird alle sieben Minuten ein Schuss abgegeben.

Granados sagte, dass das Lasersystem eventuell mit zusätzlicher Ausrüstung weiter aufgerüstet werden kann, bis zu 300 Terawatt und vielleicht bis zu 400 Terawatt.

Bereits vor dem Upgrade wurde das Lasersystem für ein einzigartiges LCLS-Experiment verwendet, bei dem mithilfe seines Pulses ein zweiter Röntgenstrahlstoß in Form von Betatron-Röntgenstrahlen erzeugt wurde. Diese Betatron-Röntgenstrahlen, die einen breiteren Energiebereich als die LCLS-Pulse abdecken und durch die Beschleunigung energiereicher Elektronen mit Laserlicht erzeugt wurden, wurden verwendet, um weitere Einzelheiten über die Proben zu enthüllen.

"Diese Betatron-Röntgenstrahlen sind eine vielversprechende Quelle für zukünftige Experimente, die wir jetzt bei höheren Energien testen möchten", sagte Granados.