200 teravatni laser prinaša nove ekstremne vročine, pritisk na rentgenske poskuse | 2020

Vsebina:

Anonim

To je prvi laserski sistem z visoko močjo, ki je povezan z rentgenskim laserjem SLAC, Linac Coherent Light Light (LCLS). LCLS lahko natančno meri ekstremne oblike snovi, ki jih ustvarjajo impulzi visoke moči - s temperaturami, ki dosežejo milijone stopinj in tlakov, ki se približujejo 2 milijardi ton na kvadratni palec, kar je približno 300 milijard krat tlak na morski gladini - saj se hitro spremeni atomska lestvica. Nadgrajen laser bo uporaben za proučevanje, kako se materiali spreminjajo pod stresom in za razumevanje fizike jedrske fuzije, ki bi lahko nekega dne služila kot revolucionarni vir energije.

Znanstveniki lahko uporabijo tudi svoje impulze za pogon različnih žarkov delcev, ki raziskujejo oblike snovi, kot so zvezdasto zgoščene plazme, na nove načine. Plazme, ki se štejejo za četrto stanje snovi, ker niso kot trdne snovi, tekočine ali plini, so sestavljene iz gazirane juhe nabitih delcev, ki vključuje proste plavajoče elektrone in od katerih so izločeni atomi elektronov.

"To nam bo dalo več vpogleda v procese pri delu, od atomskih do elektronskih držav," je dejal Eduardo Granados, laserski znanstvenik pri SLAC, ki je nadziral nadgradnjo.

Nadgrajen laserski sistem je zasnovan tako, da doseže vrhunec 200 teravatov moči, sedemkrat višji od prejšnjega vrha in enakovreden približno 100-kratni svetovni porabi električne energije, stisnjeni v desetine "femtosekund" ali kvadrilijonov sekunde. Njegova največja moč pred nadgradnjo je znašala 30 teravatov. Laserski impulzi so zdaj veliko močnejši od skupne skupne impulzne moči več kot 150 drugih laserskih sistemov, ki delujejo na SLAC.

Novi načini preverjanja materialov

Čeprav nadgrajeni laser SLAC ni najmočnejši na svetu, je na Japonskem letos dokončan laser, ki ima rekord, ki ima približno 10-krat večjo moč in številni drugi laserski sistemi po svetu so večkrat močnejši - kaj zaradi česar je edinstvena njegova zmožnost sinhronizacije z intenzivnimi ultra hitrimi rentgenskimi impulzi, ki jih proizvaja LCLS, urad za znanstveno pomoč uporabnikom DOE.

Rast teh visokozmogljivih laserskih sistemov po vsem svetu odpira nove možnosti za odkrivanje in navdušuje raziskovalce, ki se ukvarjajo z astrofiziko, raziskavami materialov, planetarnimi znanostmi, geologijo in jedrskimi in energetskimi znanostmi. 30. septembra se je mednarodni simpozij, ki ga je organiziral Znanstveni svet Japonske, srečal na SLAC, kjer so razpravljali o najnovejših dosežkih pri uporabi visokozmogljivih laserjev in rentgenskih laserjev za preučevanje snovi v ekstremnih pogojih, podobne razprave pa so načrtovane v dveh dan High-Power Laser Workshop ta teden na SLAC in na prihajajoči laboratorijski konferenci astrofizike v SLAC.

Visokozmogljiv laser SLAC oddaja svetlobne impulze na nevidnih, skoraj infrardečih frekvencah, ki potiskajo vzorce v ekstremne pogoje; rentgenski laser nato preveri njihove lastnosti z neverjetno natančnostjo. Oba laserska sistema lahko proizvajajo impulze, merjene v femtosekundah, in časovni zamik med močnimi in rentgenskimi pulzi se lahko prilagodi, da preuči, kako se materiali hitro transformirajo, ko jih zadene laserski impulz visoke moči.

Visokozmogljiv laser se lahko uporablja tudi za istočasno generiranje žarkov delcev, kot so gama žarki, protoni in specializirana oblika rentgenskih žarkov, imenovanih betatronsko sevanje, ki se lahko uporabijo skupaj z impulzi LCLS za raziskovanje eksotičnih stanj snovi v nove načine.

"Zdaj bomo imeli veliko natančnejšo sliko o tem, kaj se dogaja v eksperimentih z visokoenergijskimi laserskimi laserskimi žarki," je dejal Granados.

Priložnost za prihodnje posodobitve

V središču nadgrajenega laserskega sistema SLAC, ki je nameščen na poskusni postaji Matter in Extreme Conditions na LCLS, je velik, visokokakovosten titanov-safirni kristal, ki ima premer več kot 3 palce. Kristal stimulira in ojača svetlobo drugega laserja. Ta ojačana svetloba je usmerjena navzdol na točko, samo milijoninke palca čez, in časovni sistemi pomagajo sinhronizirati prihod vsakega laserskega impulza z LCLS laserskim pulzom z natančnostjo, izmerjeno v femtosekundah.

Nadgrajen laser z visoko močjo pri LCLS bo znancem na voljo v naslednjem krogu poskusov na LCLS, ki se bo začel oktobra, pri polovici predvidene maksimalne moči, 100 teravatov. Načrtuje se, da se bo njegova intenzivnost postopoma povečevala v smeri rednega delovanja na 200 teravatov, je dejal Granados. Laser bo sprva lahko sprožil en impulz vsakih 3,5 minute pri 100 teravatih, z dolžino impulza okoli 40 femtosekund. Pri največji moči 200 teravatov bo vsakih 7 minut streljal en strel.

Granados je dejal, da se lahko laserski sistem s pomočjo dodatne opreme dodatno nadgradi, do 300 teravatov in morda celo do 400 teravatov.

Še pred nadgradnjo je bil uporabljen laserski sistem za prvi poskus LCLS, ki je uporabil njegov impulz za izdelavo sekundarnega nihanja rentgenskih žarkov v obliki betatronskih rentgenskih žarkov. Za razkrivanje več podrobnosti o vzorcih so bili uporabljeni betatronski rentgenski žarki, ki pokrivajo širši energetski razpon od pulzov LCLS in so bili proizvedeni s pospeševanjem visokoenergetskih elektronov z lasersko svetlobo.

"Ti betatronski rentgenski žarki so obetaven vir za prihodnje poskuse, ki jih zdaj želimo preskusiti pri višjih energijah," je dejal Granados.