Forskare vid Institutionen för energis SLAC National Accelerator Laboratory uppgraderade nyligen ett kraftfullt optiskt lasersystem som används för att skapa chockvågor som genererar högtrycksförhållanden som de som finns i planetariska interiörer. Lasersystemet levererar nu tre gånger mer energi för experiment med SLAC:s ultralätta röntgenlaser, ger ett mer kraftfullt verktyg för att undersöka extrema materiella tillstånd i vårt universum.

Tillsammans, de optiska lasrarna och röntgenstrålarna bildar instrumentet Matter in Extreme Conditions (MEC) vid Linac Coherent Light Source (LCLS). Det kraftfulla optiska lasersystemet skapar extrema temperatur- och tryckförhållanden i material, och röntgenlaserstrålen fångar materialets svar.

Med denna teknik, forskare har redan undersökt hur meteor påverkar chockmineraler i jordskorpan och simulerade förhållanden i Jupiters inre genom att göra aluminiumfolie till en varm, tät plasma.

Högre intensitet och mer kontrollerade pulsformer

MEC -instrumentteamet fick finansiering från Office of Fusion Energy Sciences (FES) inom DOE:s Office of Science för att fördubbla mängden energi den optiska strålen kan leverera på 10 nanosekunder, från 20 till 40 joule.

Men de gick ännu längre.

"Teamet överträffade våra förväntningar, en spännande prestation för DOE High Energy Density -programmet och framtida MEC -instrumentanvändare, "säger Kramer Akli, programchef för High Energy Density Laboratory Plasma på FES.

Teamet tredubblade mängden energi lasern kan leverera på 10 nanosekunder till en plats på ett mål som inte är större än bredden på några mänskliga hårstrån. När man fokuserar ner till det lilla området, lasern ger användarna intensitet upp till 75 terawatt per kvadratcentimeter.

"Med andra ord, den uppgraderade lasern har samma effekt som 17 Teslas som laddar ur sina 100 kilowattimmars batterier på en sekund, "säger Eric Galtier, en MEC -instrumentforskare.

En del av energioppgraderingen kan hänföras till den optiska lasers nya, hemlagad diodpumpad front-end, designad med hjälp av Marc Welch, en MEC laseringenjör. Forskarna byggde och automatiserade också ett system för att forma laserpulserna med extraordinär precision, tillåter användare betydligt större flexibilitet och kontroll över de pulsformer som används i deras experiment.

En mer kraftfull och tillförlitlig laser innebär att forskare kan studera högre tryckregimer och nå förhållanden som är relevanta för fusionsenergistudier.

Simulera planets kärna

MEC -uppgraderingen är lovande för många forskare, inklusive Shaughnessy Brennan Brown, doktorand i maskinteknik, vars forskning fokuserar på vetenskap med hög energitäthet, som spänner över kemi, materialvetenskap, och fysik. Brennan Brown använder MEC:s experimenthölje för att driva chockvågor genom kisel och generera högtrycksförhållanden som uppstår i jordens inre.

"MEC -uppgraderingen på LCLS gör att forskare som jag kan skapa spännande, tidigare outforskade regimer av exotisk materia-som de som finns på Mars, vår nästa planetsteg - med avgörande tillförlitlighet och repeterbarhet, "Säger Brennan Brown.

Brennan Browns forskning undersöker de processer genom vilka kisel i jordens kärna omorganiseras atomiskt under höga temperatur- och tryckförhållanden. De termodynamiska egenskaperna hos dessa högtrycksstater påverkar vårt magnetfält, som skyddar oss från solvinden och gör att vi kan överleva på jorden. Laseruppgraderingen gör att Brennan Brown kan nå högre tryck- och temperaturförhållanden inuti sina prover, ett mångårigt mål.

Intensity Plus Precision

Den optiska lasern förstärker en lågeffektstråle i etapper och når allt högre energi. Dock, laserstrålens kvalitet och förmågan att kontrollera den minskar under förstärkning. En lågkvalitativ puls kan börja och sluta med en väsentligt annorlunda form, vilket inte är användbart för forskare som försöker återskapa specifika förhållanden.

"Den initiala lågenergipulsen måste ha ett orört rumsligt läge och korrekt konfigurerad tidsform - det vill säga en exakt bildning av pulsens effekt som en funktion av tiden - före förstärkning för att producera de laserpulsegenskaper som behövs för att möjliggöra varje användares experiment, "säger Michael Greenberg, MEC Laser Area Manager.

Varje mål är unikt och kräver en specifik energi och pulsform, att göra manuella tester och justeringar tidskrävande. Innan uppgraderingen, laget optimerade pulsformen för hand, tar allt från några timmar till några dagar för att korrekt kalibrera det.

Lös problemet genom att Eric Cunningham, laserforskare på MEC, utvecklat ett automatiserat styrsystem för att forma den lågdrivna strålen före förstärkning.

"Det nya systemet möjliggör exakt anpassning av pulsformen med hjälp av ett datoriserat återkopplingsslingsystem som analyserar pulserna och automatiskt kalibrerar om lasern, "Sa Cunningham. Den nya optimeraren är ett lovande system för att generera många högkvalitativa pulser på det mest exakta och tidiga sättet som möjligt.

Förutom de förbättrade pulsformerna, det uppgraderade systemet sätter energi på prover mer konsekvent från skott till skott, vilket gör att forskare mycket nära kan återge extrema materiella tillstånd i sina prover. Som ett resultat, både datakvaliteten och driftseffektiviteten förbättras.

Brennan Brown säger att det är människor och teknik som gör instrumentet så framgångsrikt:"Laservetenskapsmännens och ingenjörernas förmåga och kompetens vid MEC -experimentstationen erbjuder forskare de tekniska resurser de behöver för att utforska obesvarade frågor om universum och ta med sina teorier till liv."