Die jahrzehntelange Führungsrolle des Lawrence Livermore National Laboratory bei der Entwicklung von Hochenergielasern wird genutzt, um eine Schlüsselkomponente für ein umfassendes Upgrade der Linac Coherent Light Source (LCLS) des SLAC National Accelerator Laboratory bereitzustellen.
In den nächsten Jahren wird das Advanced Photon Technologies (APT)-Programm des LLNL eines der weltweit leistungsstärksten Petawatt (Billiarden Watt)-Lasersysteme für die Installation in einer modernisierten Matter in Extreme Conditions (MEC)-Experimentieranlage am LCLS entwerfen und bauen, die finanziert wird vom Office of Science-Fusion Energy Sciences-Programm des Energieministeriums.
Der neue Laser wird mit dem LCLS-Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFEL) gekoppelt, um das Verständnis der Physik der hohen Energiedichte (HED), der Plasmaphysik, der Fusionsenergie, der Laser-Plasma-Wechselwirkungen, der Astrophysik, der Planetenwissenschaft und anderer physikalischer Aspekte zu verbessern Phänomene.
Die bestehende MEC-Anlage verwendet optische Laser, die mit Röntgenlaserpulsen von LCLS gekoppelt sind, um die Eigenschaften von Materie bei extremen Temperaturen und Drücken zu untersuchen. MEC-Experimente haben bahnbrechende wissenschaftliche Ergebnisse hervorgebracht, wie die ersten Beobachtungen von „Diamantregen“ unter Bedingungen, von denen angenommen wird, dass sie tief im Inneren riesiger Eisplaneten wie Uranus und Neptun existieren.
Das MEC-Upgrade (MEC-U) ist zum Teil motiviert durch zunehmende Forderungen an die Vereinigten Staaten, die Weltklasse-Führung in der Hochleistungslasertechnologie wiederherzustellen, wie im Bericht der National Academies of Science, Engineering, and Medicine von 2018 , „Möglichkeiten in intensiven ultraschnellen Lasern: Auf der Suche nach dem hellsten Licht.“
SLAC arbeitet mit LLNL und dem Labor für Laserenergie (LLE) der Universität Rochester zusammen, um die MEC-U-Anlage in einer neuen unterirdischen Kaverne zu entwerfen und zu bauen. Der Rep-Rated-Laser (RRL) von LLNL, der mit bis zu 10 Hz (10 Impulse pro Sekunde) feuern kann, und ein von LLE entwickelter Hochenergie-Kilojoule-Laser werden in zwei neue Versuchsbereiche einspeisen, die eine Zielkammer und eine Reihe von dedizierten Diagnostik, die auf die HED-Wissenschaft zugeschnitten ist.
Das LCLS, Teil des zwei Meilen langen linearen Teilchenbeschleunigers von SLAC in Menlo Park, Kalifornien, ist in der Lage, 120 Röntgenpulse pro Sekunde zu liefern, von denen jeder einige Femtosekunden (Billiardstel Sekunden) dauert. Ein gleichzeitiges Upgrade namens LCLS-II wird eine Million Impulse pro Sekunde in einem nahezu kontinuierlichen Röntgenstrahl liefern, der im Durchschnitt 10.000-mal heller sein wird und die zuvor erreichbare Röntgenenergie verdoppeln wird.
„Die neuen Hochleistungslaser, die von Livermore und Rochester entwickelt werden, sind für sich genommen weltweit führend“, sagte Alan Fry, der MEC-U-Projektleiter. „Ihre Kopplung mit LCLS erhöht ihren wissenschaftlichen Nutzen dramatisch, und die Kombination wird eine beispiellose Fähigkeit sein.“
„Mit dem 10-Hz-Petawatt-Laser, den wir bauen, zusammen mit dem Langpuls-Kompressionslaser von LLE und den verbesserten LCLS-Fähigkeiten werden das LCLS und seine MEC-U-Anlage das US-Flaggschiff für Laser mit hoher Wiederholrate getriebene HED-Experimente“, sagte Vincent Tang, NIF & Photon Science Program Director für High Energy Density and Photon Systems.
„Die Verbindung der neuesten und besten ultraschnellen Lasertechnologien mit der LCLS-Beamline in der MEC-U-Einrichtung wird den Vereinigten Staaten eine grundlegend neue Hochdurchsatz-HED-Fähigkeit für Entdeckungswissenschaft und nationale Sicherheitsforschung geben“, fügte Tang hinzu. „Wir werden in der Lage sein, unser Verständnis von Plasmen und Materialien bei extremen Drücken und Temperaturen schnell zu erweitern und gleichzeitig unsere Fähigkeit zu verbessern, HED-Technologien und -Systeme mit einer Wiederholungsrate und einem Maßstab zu betreiben, der für wichtige zukünftige Anwendungen wie die Trägheitsfusionsenergie relevant ist.“
Die National Nuclear Security Administration (NNSA) hat Interesse an einer Partnerschaft mit dem Office of Science bekundet, um das Upgrade mit zusätzlichen hochenergetischen Langpulslaserfähigkeiten zu erweitern, um das wissenschaftsbasierte Stockpile Stewardship Program der NNSA weiter zu unterstützen. Zu den Zielen würde gehören, die Fähigkeit der Wissenschaftler zu verbessern, die Leistung von verantwortungsbewussten Materialien der nächsten Generation in extremen Umgebungen vorherzusagen; die Mikrophysik der Trägheitseinschlussfusion studieren; und ermöglichen die Untersuchung größerer Volumina von Materialien mit hoher Atomzahl als bisher möglich.
HAPLS aufgeladen
Tom Spinka, Projektmanager und leitender Wissenschaftler für das RRL des LLNL, sagte, dass es sich um eine vereinfachte und energiereichere Version des High-Repetition-Rate Advanced Petawatt Laser System (HAPLS) handeln wird, das von 2014 bis 2018 vom APT-Programm entworfen und entwickelt wurde. HAPLS, der weltweit erste vollständig diodengepumpte Petawatt-Laser, ist jetzt eine Schlüsselkomponente der Beamlines-Anlage der Europäischen Union für extreme Lichtinfrastruktur in der Tschechischen Republik (siehe „Fortschrittlicher Laser verspricht spannende Anwendungen„).
„Das RRL wird auf der bahnbrechenden Arbeit aufbauen, die an HAPLS geleistet wurde“, sagte Spinka. „Es wird die direkte Chirped-Pulse-Verstärkungstechnik, die in NIFs blitzlampengepumptem Neodym-dotiertem Glas Advanced Radiographic Capability verwendet wird, mit der HAPLS-Dioden-gepumpten Glaspumplasertechnologie in einer raffinierten Architektur koppeln, die durch das Laboratory Directed Research and Development-Programm von LLNL entwickelt wurde.
„Diese Architektur, die ursprünglich als Scalable High-power Advanced Radiographic Capability, oder SHARC, bezeichnet wurde, eliminiert die verlustbehaftete zweite Stufe (titandotierter Saphir) des HAPLS-Lasersystems“, sagte Spinka, „und liefert letztendlich etwa fünfmal höhere Energie als HAPLS die gleiche Spitzenleistung und Wiederholungsrate.“
Das RRL von LLNL für die MEC-U-Anlage wird parallel zur Leistungssteigerung des HAPLS-Lasers (jetzt bekannt als L3-HAPLS) bei ELI-Beamlines auf seine vollständigen Designspezifikationen entwickelt. Es wird auch zusätzliche fortschrittliche Lasertechnologien nutzen, die von APT entwickelt werden, einschließlich eines neuen Hochenergie-Faraday-Rotators, der im Rahmen einer kooperativen Forschungs- und Entwicklungsvereinbarung mit Electro-Optics Technologies Inc. entwickelt wurde.
Neue Physik ermöglichen
„MEC-U ist ein zentraler Bestandteil der Strategie von NIF&PS zur Entwicklung ultraschneller Laser der nächsten Generation mit hoher Durchschnittsleistung und zur Ermöglichung von HED-Wissenschaft mit hoher Wiederholungsrate“, sagte Tang. „Die neue Physik, die das MEC-U ermöglicht, ist breit gefächert und in hohem Maße auf LLNL-Missionen anwendbar. Es ist eine aufregende Gelegenheit für LLNL und die Community.“
„Wir arbeiten nicht nur mit einigen der führenden Laserlabors der Welt zusammen“, fügte Fry hinzu, „sondern wir arbeiten auch mit weltweiten Experten für experimentelle Wissenschaft, Wissenschaft mit hoher Energiedichte und den Betrieb des DOE Office of Science zusammen Nutzereinrichtungen, in denen Wissenschaftler aus aller Welt Experimente durchführen können.“
Der Zugang zur Einrichtung wird teilweise durch LaserNetUS erleichtert, ein Forschungsnetzwerk, das den Zugang zu hochintensiven Lasereinrichtungen in Laboren und Universitäten im ganzen Land fördert.
MEC-U wurde vom Office of Science des DOE im vergangenen Herbst genehmigt, um von der konzeptionellen Entwurfsphase zum vorläufigen Entwurf überzugehen, wobei der Bau voraussichtlich in etwa zwei Jahren beginnen wird.
Das APT RRL-Team wird von Tang als Senior-Teamleiter geleitet; Spinka als Projektleiter und leitender Wissenschaftler; Robert Plummer als Projektingenieur; und Brendan Reagan als Laserarchitekt.