Der Laser, welcher der leistungsstärkste in den Vereinigten Staaten sein wird, bereitet sich darauf vor, seine ersten Pulse in ein Versuchsziel an der Universität von Michigan zu senden. Der von der National Science Foundation finanzierte Laser wird ein Ziel für Forscher sein, die extreme Plasmen in den USA und weltweit untersuchen.
ZEUS, das Zetawatt-äquivalente Ultrakurzpuls-Lasersystem, wird die Physik des Quantenuniversums und des Weltraums erforschen und soll zu neuen Technologien in der Medizin, Elektronik und nationalen Sicherheit beitragen.
„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 vergrößern und Menschen mit neuen Ideen für Experimente und Anwendungen zu gewinnen“, sagt Karl Krushelnick, Direktor des Zentrums für ultraschnelle optische Wissenschaft, in dem ZEUS untergebracht ist, und Henry J. Gomberg Collegiate Professor of Engineering.
Neue Art der Röntgenbildgebung
Der erste Zielbereich, der in Betrieb genommen wird, ist der Zielbereich mit hoher Wiederholungsrate, in dem Experimente mit häufigeren, aber schwächeren Laserpulsen durchgeführt werden. Michigan-Absolvent Franklin Dollar, außerordentlicher Professor für Physik und Astronomie an der University of California Irvine, ist der erste Nutzer, und sein Team erforscht eine neue Art der Röntgenbildgebung.
Sie werden mit ZEUS Infrarot-Laserpulse in ein Helium-Gasziel senden, das dadurch in Plasma verwandelt wird. Dieses Plasma beschleunigt Elektronen auf hohe Energien, und diese Elektronenstrahlen wackeln dann, um sehr kompakte Röntgenpulse zu erzeugen.
Dollars Team erforscht, wie diese neuartigen Röntgenquellen hergestellt und genutzt werden können. Da weiches Gewebe Röntgenstrahlen sehr ähnlich absorbiert, müssen medizinische Röntgengeräte hohe Strahlendosen abgeben, bevor sie zwischen einem Tumor und gesundem Gewebe unterscheiden können, sagt er.
Während seines Promotionsstudiums bei Krushelnick nutzte Dollar den Vorgänger von ZEUS, um eine Libelle abzubilden, was die vielversprechende Wirkung von laserähnlichen Röntgenimpulsen zeigte. Verschiedene Weichgewebe im Panzer der Libelle verzögerten die Röntgenstrahlen unterschiedlich stark, wodurch Interferenzmuster in den Röntgenwellen entstanden. Diese Muster enthüllten die weichen Strukturen mit sehr kurzen Röntgenpulsen – einige Millionstel einer Milliardstel Sekunde – und somit mit geringen Röntgendosen.
„Wir konnten jedes kleine Organ und sogar die winzigen Mikrohaare am Bein sehen“, so Dollar. „Es ist sehr aufregend, sich vorzustellen, wie wir diese laserähnlichen Röntgenstrahlen für eine Bildgebung mit geringer Dosis verwenden können, indem wir die Tatsache ausnutzen, dass sie laserähnlich sind, anstatt uns auf die Absorptionsbildgebung der Vergangenheit zu verlassen.“
Volle Leistung im Herbst
Bei diesem ersten Durchlauf startet das ZEUS-Team mit einer Leistung von 30 TW (30 Billionen Watt), was etwa 3 Prozent der derzeit leistungsstärksten Laser in den USA und 1 Prozent der möglichen Höchstleistung von ZEUS entspricht. „Während des Experiments hier werden wir das erste Licht in die Zielkammer leiten und uns in Richtung der 300 TW entwickeln“, sagte John Nees, ein Forscher im Bereich Elektrotechnik und Computertechnik.
Nees leitet den Bau des Lasers zusammen mit Anatoly Maksimchuk, einem Forscher im Bereich Elektrotechnik und Computertechnik, der die Entwicklung der Experimentierbereiche leitet. Dollars Team plant, im Spätherbst zu einem weiteren Durchgang zurückzukehren, um die volle Leistung von 500 TW zu erreichen, die für den Zielbereich mit hoher Wiederholungsrate vorgesehen ist. Die maximale Leistung von 3 Petawatt, da heißt Billiarden Watt, wird an verschiedene Zielbereiche gehen, die später fertiggestellt werden. Der erste Test mit dem Zielbereich für das ZEUS-Signatur-Experiment wird für 2023 erwartet.
Grundlage für Zetawatt-Laserpuls
Bei diesem Experiment wird der Laser verwendet, um einen Strahl von Hochgeschwindigkeitselektronen zu erzeugen, die dann direkt in die Laserpulse geleitet werden. Für die Elektronen wird so ein Zetawatt-Laserpuls simuliert – eine Million Mal stärker als die 3 Petawatt von ZEUS. ZEUS wird nicht nur die Grundlagen unseres Verständnisses des Quantenuniversums erforschen, sondern den Forschern auch ermöglichen, die Vorgänge im Inneren einiger der extremsten Objekte im Weltraum zu untersuchen.
„Magnetare, das sind Neutronensterne, die von extrem starken Magnetfeldern umgeben sind, 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“, sagt Louise Willingale, stellvertretende Direktorin von ZEUS und außerordentliche Professorin für Elektrotechnik und Computertechnik.
ZEUS bietet nicht nur wissenschaftliche und technologische Möglichkeiten, sondern schafft mit den disziplinweiten Bemühungen, das Personal in der Laserphysik aufzustocken, auch Karrieremöglichkeiten. Dollar brachte sein gesamtes Team mit, um die praktische Erfahrung eines Inbetriebnahme-Experiments an einem Weltklasse-Laser zu machen.
„Wir bei Michigan Engineering können uns glücklich schätzen, dass wir über einige der stärksten akademischen und forschungsbezogenen Kapazitäten der Welt verfügen, und wir nutzen diese Stärke, um das Leben der Menschen zu verbessern. ZEUS ist ein Beispiel für unser Engagement in der Grundlagenforschung – wir nutzen die Technik, um die Materie auf ihren grundlegendsten Ebenen zu verstehen, und setzen dieses Wissen dann ein, um Lösungen für reale Probleme zu entwickeln“, sagt Alec D. Gallimore, der Robert J. Vlasic Dean of Engineering.
Startschwierigkeiten durch Pandemie
Der erste Meilenstein bei den Experimenten ist besonders schwer verdient, weil die Pandemie die Bauarbeiten früh unterbrochen hat, als das Team noch dabei war, das Gebäude für einen viel größeren Laser umzubauen. Projektleiter Franko Bayer überprüfte die Zeitpläne und ermittelte Arbeiten, die parallel und nicht nacheinander ausgeführt werden konnten, um den ursprünglichen Zeitplan möglichst genau einzuhalten.
„Unser Team bei ZEUS ist sehr erfreut, dass sich unsere harte Arbeit ausgezahlt hat und wir trotz aller Verzögerungen bei der Lieferung der Ausrüstung nach der Pandemie unseren ursprünglichen Zeitplan einhalten können. Dieses Experiment ist der Beginn des schrittweisen Hochfahrens der Leistung bis zur vollständigen Inbetriebnahme im Herbst 2023“, so Bayer.
