Der Laser, der der leistungsstärkste in den Vereinigten Staaten sein wird, bereitet sich darauf vor, seine ersten Impulse in ein experimentelles Ziel an der Universität von Michigan zu senden.
Es heißt ZEUS, das Zetawatt-Äquivalent-Ultrakurzpuls-Lasersystem, und wird die Physik des Quantenuniversums sowie des Weltraums erforschen, und es wird erwartet, dass es zu neuen Technologien in Medizin, Elektronik und nationaler Sicherheit beiträgt.
„ZEUS wird der Laser mit der höchsten Spitzenleistung in den USA und eines der leistungsstärksten Lasersysteme der Welt sein. Wir freuen uns darauf, die Forschungsgemeinschaft zu erweitern und Menschen mit neuen Ideen für Experimente und Anwendungen einzubringen“, sagte Karl Krushelnick, Direktor des Center for Ultrafast Optical Science, das ZEUS beherbergt, und Henry J. Gomberg Collegiate Professor of Engineering.
Der erste Zielbereich, der in Betrieb genommen wird, ist der Zielbereich mit hoher Wiederholung, in dem Experimente mit häufigeren Laserpulsen mit geringerer Leistung durchgeführt werden. Michigan Alaun Franklin Dollar, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie an der University of California Irvine, ist der erste Benutzer, und sein Team erforscht eine neue Art der Röntgenbildgebung.
Sie werden ZEUS verwenden, um Infrarotlaserpulse in ein Gastarget aus Helium zu senden und es in Plasma umzuwandeln. Dieses Plasma beschleunigt Elektronen auf hohe Energien, und diese Elektronenstrahlen wackeln dann, um sehr kompakte Röntgenpulse zu erzeugen.
Das Team von Dollar untersucht, wie man diese neuartigen Röntgenquellen herstellt und verwendet. Da Weichteile Röntgenstrahlen mit sehr ähnlichen Raten absorbieren, müssen grundlegende medizinische Röntgengeräte hohe Strahlendosen abgeben, bevor sie zwischen einem Tumor und gesundem Gewebe unterscheiden können, sagte er.
Bildnachweis: University of Michigan
Aber während seiner Doktorarbeit bei Krushelnick nutzte Dollar den Vorgänger von ZEUS, um eine Kleinlibelle abzubilden, was das Versprechen von laserähnlichen Röntgenimpulsen zeigte. Verschiedene Weichteile im Panzer der Kleinlibelle verzögerten Röntgenstrahlen unterschiedlich stark und erzeugten so Interferenzmuster in den Röntgenwellen. Diese Muster zeigten die weichen Strukturen mit sehr kurzen Röntgenpulsen – einige Millionstel einer Milliardstel Sekunde – und damit kleinen Röntgendosen.
„Wir konnten jedes kleine Organ sowie die winzigen Mikrohaare an seinem Bein sehen“, sagte Dollar. „Es ist sehr aufregend, darüber nachzudenken, wie wir diese laserähnlichen Röntgenstrahlen für die Bildgebung mit niedriger Dosis verwenden könnten, wobei wir uns die Tatsache zunutze machen, dass sie laserähnlich sind, anstatt sich auf die Absorptionsbildgebung der Vergangenheit verlassen zu müssen. „
Bei diesem ersten Durchlauf startet das ZEUS-Team mit einer Leistung von 30 Terawatt (30 Billionen Watt), etwa 3 % der derzeit stärksten Laser in den USA und 1 % der späteren Maximalleistung von ZEUS.
„Während des Experiments hier werden wir das erste Licht zur Zielkammer durchlassen und uns auf dieses 300-Terawatt-Niveau entwickeln“, sagte John Nees, ein Forschungswissenschaftler in Elektro- und Computertechnik.
Nees leitet den Bau des Lasers zusammen mit Anatoly Maksimchuk, einem Forschungswissenschaftler in Elektro- und Computertechnik, der die Entwicklung der experimentellen Bereiche leitet.
Das Team von Dollar plant, im späten Herbst für einen weiteren Lauf zurückzukehren, um die volle Leistung zu erzielen, die für den Zielbereich mit hoher Wiederholungszahl von 500 Terawatt vorgesehen ist. Die maximale Leistung von 3 Petawatt oder Billiarden Watt wird in verschiedene Zielgebiete fließen, die später fertiggestellt werden sollen. Der erste Test unter Verwendung des Zielgebiets für das Signaturexperiment von ZEUS wird für 2023 erwartet.
Dieses Experiment wird den Laser verwenden, um einen Strahl von Hochgeschwindigkeitselektronen zu erzeugen und die Elektronen dann direkt in die Laserpulse zu leiten. Für die Elektronen simuliert das einen Zetawatt-Laserpuls – eine Million Mal stärker als die 3 Petawatt von ZEUS. Neben der Erforschung der Grundlagen unseres Verständnisses des Quantenuniversums wird ZEUS es den Forschern ermöglichen, zu untersuchen, was im Inneren einiger der extremsten Objekte im Weltraum vor sich geht.
„Magnetare, das sind Neutronensterne mit extrem starken Magnetfeldern um sie herum, und Objekte wie aktive galaktische Kerne, die von sehr heißem Plasma umgeben sind – wir können die Mikrophysik von heißem Plasma in extrem starken Feldern im Labor nachbilden“, sagte Louise Willingale, stellvertretende Direktorin von ZEUS und außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Computertechnik.
ZEUS bietet nicht nur wissenschaftliche und technologische Möglichkeiten, sondern schafft mit den disziplinübergreifenden Bemühungen, die Belegschaft der Laserphysik zu vergrößern, auch Karrieremöglichkeiten. Dollar brachte sein gesamtes Team mit, um praktische Erfahrungen bei einem Inbetriebnahmeexperiment an einem Weltklasse-Laser zu sammeln.