Wetenschappers van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Department of Energy hebben onlangs een krachtig optisch lasersysteem geüpgraded dat wordt gebruikt om schokgolven te creëren die hogedrukcondities genereren zoals die worden aangetroffen in planetaire interieurs. Het lasersysteem levert nu drie keer meer energie voor experimenten met SLAC's ultraheldere röntgenlaser, een krachtiger hulpmiddel bieden voor het onderzoeken van extreme toestanden van materie in ons universum.

Samen, de optische en röntgenlasers vormen het Matter in Extreme Conditions (MEC) -instrument bij de Linac Coherent Light Source (LCLS). Het krachtige optische lasersysteem creëert extreme temperatuur- en drukomstandigheden in materialen, en de röntgenlaserstraal legt de reactie van het materiaal vast.

Met deze technologie, onderzoekers hebben al onderzocht hoe meteoorinslagen mineralen in de aardkorst schokken en de omstandigheden in het binnenste van Jupiter gesimuleerd door aluminiumfolie in een warme, dicht plasma.

Hogere intensiteit en meer gecontroleerde pulsvormen

Het MEC-instrumentteam ontving financiering van het Office of Fusion Energy Sciences (FES) binnen het Office of Science van de DOE om de hoeveelheid energie te verdubbelen die de optische straal in 10 nanoseconden kan leveren, van 20 tot 40 joule.

Maar ze gingen nog verder.

"Het team overtrof onze verwachtingen, een opwindende prestatie voor het DOE High Energy Density-programma en toekomstige MEC-instrumentgebruikers, " zegt Kramer Akli, programmamanager High Energy Density Laboratory Plasma bij FES.

Het team verdrievoudigde de hoeveelheid energie die de laser in 10 nanoseconden kan leveren aan een plek op een doel dat niet groter is dan de breedte van een paar menselijke haren. Wanneer gefocust op dat kleine gebied, de laser biedt gebruikers intensiteiten tot 75 terawatt per vierkante centimeter.

"Met andere woorden, de verbeterde laser heeft hetzelfde vermogen als 17 Tesla's die hun 100 kilowattuur-batterijen in één seconde ontladen, " zegt Eric Galtier, een MEC instrument wetenschapper.

Een deel van de energie-upgrade kan worden toegeschreven aan de nieuwe, zelfgemaakte diode gepompt front-end, ontworpen met de hulp van Marc Welch, een MEC-laseringenieur. De wetenschappers hebben ook een systeem gebouwd en geautomatiseerd om de laserpulsen met buitengewone precisie te vormen, waardoor gebruikers aanzienlijk meer flexibiliteit en controle hebben over de pulsvormen die in hun experimenten worden gebruikt.

Een krachtigere en betrouwbaardere laser betekent dat onderzoekers hogere drukregimes kunnen bestuderen en omstandigheden kunnen bereiken die relevant zijn voor studies over fusie-energie.

De kern van planeten simuleren

De MEC-upgrade is veelbelovend voor veel onderzoekers, waaronder Shaughnessy Brennan Brown, een doctoraatsstudent Werktuigbouwkunde, wiens onderzoek zich richt op wetenschap met hoge energiedichtheid, die de chemie omvat, materiaal kunde, en natuurkunde. Brennan Brown gebruikt het MEC-experimentele hok om schokgolven door silicium te sturen en hogedrukomstandigheden te genereren die zich in het binnenste van de aarde voordoen.

"De MEC-upgrade bij LCLS stelt onderzoekers zoals ik in staat om opwindende, voorheen onontgonnen regimes van exotische materie - zoals die op Mars, onze volgende planetaire springplank – met cruciale betrouwbaarheid en herhaalbaarheid, ' Zegt Brennan Brown.

Het onderzoek van Brennan Brown onderzoekt de processen waarmee silicium in de kern van de aarde atomair herschikt onder hoge temperatuur- en drukomstandigheden. De thermodynamische eigenschappen van deze hogedruktoestanden beïnvloeden ons magnetisch veld, die ons beschermt tegen de zonnewind en ons in staat stelt te overleven op aarde. De laserupgrade stelt Brennan Brown in staat om hogere druk- en temperatuuromstandigheden in haar monsters te bereiken, een langlopend doel.

Intensiteit plus precisie

De optische laser versterkt een straal met laag vermogen stapsgewijs en bereikt steeds hogere energieën. Echter, de kwaliteit van de laserstraal en het vermogen om deze te beheersen nemen af ​​tijdens versterking. Een puls van lage kwaliteit kan beginnen en eindigen met een aanzienlijk andere vorm, wat niet handig is voor onderzoekers die specifieke omstandigheden proberen na te bootsen.

"De initiële lage-energiepuls moet een ongerepte ruimtelijke modus en de correct geconfigureerde tijdelijke vorm hebben - dat wil zeggen, een nauwkeurig beeldhouwen van de kracht van de puls als functie van de tijd - vóór versterking om de laserpulskarakteristieken te produceren die nodig zijn om het experiment van elke gebruiker mogelijk te maken, " zegt Michael Greenberg, de MEC Laser Area Manager.

Elk doel is uniek en vereist een specifieke energie- en pulsvorm, handmatige tests en aanpassingen tijdrovend maken. Voorafgaand aan de upgrade, het team optimaliseerde de pulsvorm met de hand, het duurt een paar uur tot een paar dagen om het goed te kalibreren.

Om dit probleem op te lossen, Eric Cunningham, een laserwetenschapper bij MEC, ontwikkelde een geautomatiseerd controlesysteem om de straal met laag vermogen vorm te geven vóór versterking.

"Het nieuwe systeem maakt een nauwkeurige afstemming van de pulsvorm mogelijk met behulp van een geautomatiseerd feedbacklussysteem dat de pulsen analyseert en de laser automatisch opnieuw kalibreert, " zei Cunningham. De nieuwe optimizer is een veelbelovend systeem voor het genereren van veel hoogwaardige pulsen op de meest nauwkeurige en tijdige manier.

Naast de verbeterde pulsvormen, het verbeterde systeem deponeert energie consistenter op monsters van shot tot shot, waarmee onderzoekers extreme toestanden van materie in hun monsters zeer nauwkeurig kunnen reproduceren. Als resultaat, zowel de datakwaliteit als de operationele efficiëntie worden verbeterd.

Brennan Brown zegt dat het de mensen en technologie zijn die het instrument zo succesvol maken:"Het vermogen en de competentie van de laserwetenschappers en -ingenieurs van het MEC-experimentstation bieden onderzoekers de technologische middelen die ze nodig hebben om onbeantwoorde vragen van het universum te onderzoeken en hun theorieën naar leven."