Ученые приступят к пуско-наладочным испытаниям самого мощного лазера в США
Ученые из Мичиганского университета приступили к пуско-наладочным работам над лазером, который станет самым мощным в США. Лазер готовится отправить свои первые импульсы в экспериментальную мишень. Финансируемый Национальным научным фондом, он станет местом назначения для исследователей, изучающих экстремальную плазму в США и во всем мире. Названная ZEUS, лазерная система сверхкоротких импульсов, эквивалентная зетаваттам, она будет исследовать физику квантовой вселенной, а также космического пространства, и, как ожидается, внесет свой вклад в новые технологии в медицине, электронике и национальной безопасности.
«ZEUS станет лазером с самой высокой пиковой мощностью в США и одной из самых мощных лазерных систем в мире. Мы с нетерпением ждем расширения исследовательского сообщества и привлечения людей с новыми идеями для экспериментов и приложений», — сказал Карл Крушельник, директор Центра сверхбыстрых оптических исследований, в котором находится ZEUS, и профессор инженерии Генри Дж. Гомберга.
Первая целевая область, которая заработает, — это целевая область с высокой повторяемостью, в которой проводятся эксперименты с более частыми, но менее мощными лазерными импульсами. Выпускник Мичигана Франклин Доллар, адъюнкт-профессор физики и астрономии Калифорнийского университета в Ирвине, является первым пользователем, и его команда исследует новый вид рентгеновского изображения. Они будут использовать ZEUS для отправки импульсов инфракрасного лазера в газовую мишень из гелия, превращая ее в плазму. Эта плазма ускоряет электроны до высоких энергий, и эти электронные пучки затем раскачиваются, создавая очень компактные импульсы рентгеновского излучения.
Команда Доллара исследует, как создавать и использовать эти новые виды источников рентгеновского излучения. По его словам, поскольку мягкие ткани поглощают рентгеновские лучи с одинаковой скоростью, обычные медицинские рентгеновские аппараты должны доставлять высокие дозы радиации, прежде чем они смогут отличить опухоль от здоровой ткани. Но во время учебы в докторантуре под руководством Крушельника Доллар использовал предшественника ZEUS для изображения стрекозы, продемонстрировав перспективу лазероподобных рентгеновских импульсов. Различные мягкие ткани панциря стрекозы в разной степени задерживали рентгеновские лучи, создавая интерференционные картины в рентгеновских волнах. Эти картины выявили мягкие структуры с очень короткими импульсами рентгеновского излучения — несколько миллионных миллиардных долей секунды — и, следовательно, малыми дозами рентгеновского излучения.
«Мы могли видеть каждый маленький орган, а также крошечные микроволоски на его ноге», — сказал Доллар. «Очень интересно думать о том, как мы могли бы использовать эти лазерные рентгеновские лучи для получения изображений с низкой дозой, используя тот факт, что они похожи на лазер, вместо того, чтобы полагаться на абсорбционную визуализацию прошлого. ” В этом первом запуске команда ZEUS начинает с мощности 30 тераватт (30 триллионов ватт), что составляет около 3% от текущих самых мощных лазеров в США и 1% от возможной максимальной мощности ZEUS.
«Во время эксперимента здесь мы направим первый свет в камеру-мишень и дойдем до уровня в 300 тераватт», — сказал Джон Нис, научный сотрудник в области электротехники и вычислительной техники. Нис руководит созданием лазера вместе с Анатолием Максимчуком, ученым-исследователем в области электротехники и вычислительной техники, который руководит разработкой экспериментальных областей.
Команда Доллара планирует вернуться поздней осенью для еще одного запуска, стремясь к полной мощности, предназначенной для целевой области с высокой повторяемостью, 500 тераватт. Максимальная мощность в 3 петаватт или квадриллион ватт будет направлена на различные целевые области, которые будут завершены позже. Первый тест с использованием целевой области для характерного эксперимента ZEUS ожидается в 2023 году. В этом эксперименте будет использоваться лазер для генерации пучка высокоскоростных электронов, а затем электроны будут направляться непосредственно в лазерные импульсы. Для электронов это имитирует зетаваттный лазерный импульс — в миллион раз мощнее, чем 3 петаватт ZEUS. Помимо исследования основ нашего понимания квантовой вселенной, ZEUS позволит исследователям изучить, что происходит внутри некоторых из самых экстремальных объектов в космосе.
«Магнетары, которые представляют собой нейтронные звезды с чрезвычайно сильными магнитными полями вокруг них, и такие объекты, как активные ядра галактик, окруженные очень горячей плазмой, — мы можем воссоздать микрофизику горячей плазмы в чрезвычайно сильных полях в лаборатории», — сказала Луиза Виллингейл, заместитель директора . ZEUS и доцент кафедры электротехники и вычислительной техники.
ZEUS предлагает не только научные и технологические возможности, но и, благодаря общедисциплинарным усилиям по увеличению числа специалистов в области лазерной физики, создает возможности для карьерного роста. Доллар привел всю свою команду, чтобы получить практический опыт эксперимента по вводу в эксплуатацию лазера мирового класса.
«Нам в Michigan Engineering повезло, что у нас есть одни из самых сильных академических и исследовательских возможностей в мире, и мы используем эти возможности для улучшения жизни реальных людей. ZEUS демонстрирует нашу приверженность фундаментальной науке — использование инженерии для понимания материи на ее самых базовых уровнях, а затем использование этих знаний для поиска решений реальных проблем», — сказал Алек Д. Галлимор, декан инженерного факультета Роберта Дж. Власика.
Первая веха эксперимента кажется особенно трудно заработанной из-за того, как пандемия нарушила строительство на раннем этапе, когда команда все еще перестраивала здание для размещения гораздо более крупного лазера. Менеджер проекта Франко Байер пересмотрел графики, определив работу, которую можно было бы выполнять параллельно, а не последовательно, чтобы максимально приблизиться к первоначальным срокам.
«Наша команда в ZEUS очень рада тому, что наша тяжелая работа окупилась, и, несмотря на все задержки с доставкой оборудования после пандемии, мы соблюдаем первоначальный график. Этот эксперимент — начало постепенного наращивания мощности до полного ввода в эксплуатацию осенью 2023 года», — сказал Байер.