Электронное охлаждение RHIC с низким энергопотреблением буквально получает зеленый свет

Электронное охлаждение RHIC с низким энергопотреблением буквально получает зеленый свет

«Когда зеленый свет падает на цель в 27 метрах ниже по потоку от этой поверхности стола, он будет генерировать импульсы электронов, необходимые для охлаждения ионных пучков на RHIC, чтобы они сталкивались», — сказал физик из Брукхейвена Чжи Чжао, который построил лазерную систему и является ведущим автором. на бумаге с описанием ее атрибутов в Optics Express, журнале Оптического общества Америки. Помимо охлаждения ионных пучков в RHIC, такой мощный зеленый лазер может также найти применение в обработке материалов, лазерной обработке и генерации других лазеров.

Использование электронов для охлаждения ионных пучков
Высокая частота столкновений в RHIC генерирует огромное количество данных для 1000 физиков-ядерщиков, которые приезжают в этот пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики США, чтобы изучить сложные детали строительных блоков материи. Столкновения превращают строительные блоки в их наиболее примитивную форму — суп из элементарных частиц, имитирующий условия ранней Вселенной. Но поскольку ионы циркулируют через RHIC 2.Туннели с окружностью 4 мили, они имеют тенденцию нагреваться и расширяться, уменьшая вероятность столкновения.

«Рассеяние внутри луча приводит к тому, что ионы распространяются и теряются, поэтому луч не выживает», — сказал физик-ускоритель RHIC Мичико Минти, соавтор статьи и руководитель проекта по разработке и интеграции этого лазера в Работа коллайдера RHIC.
Нагревание представляет собой особую проблему, когда ионные пучки циркулируют при относительно низких энергиях — в диапазоне, который ученые RHIC используют для изучения интересных аспектов того, как изначальный суп превращается в более знакомые протоны и нейтроны. Итак, физики из RHIC изучали способы периодического введения потока относительно холодных электронов, чтобы отводить часть тепла ионов.

«Весь смысл электронного охлаждения заключается в том, чтобы остановить распространение ионных сгустков, чтобы максимизировать частоту столкновений», — сказал Минти.
Электронное охлаждение успешно применяется на других ускорителях частиц.

Но в RHIC физики изучают новые стратегии генерации электронных пучков при очень высоких энергиях электронов (миллиарды электрон-вольт), что требует использования линейного радиочастотного ускорения энергетических сгустков.
«Мы должны создать сгустки электронов, которые перекрываются с ионными сгустками, и ионные сгустки повторяются. Поэтому мы хотим сгенерировать набор последовательностей импульсов электронов, которые распространяются вместе с ионами, чтобы энергия ионов могла передаваться электронам, заставляя ионный пучок сжиматься », — сказала Минти.
Идея состоит в том, чтобы использовать импульсы лазера для попадания в фотоэмиссионный материал — материал, который испускает электроны при попадании света нужной длины или цвета — внутри фотокатодной электронной пушки.

В случае фотокатода, установленного в электронной пушке на RHIC, волшебный цвет — зеленый.
(Инфра) красный свет, зеленый свет, 1, 2, 3!
Чтобы сделать зеленый свет, команда Брукхейвена начала с чего-то невидимого — инфракрасного (ИК) «затравочного» лазера при относительно низкой мощности.

Они посылают модулированные импульсы этого невидимого ИК-света через серию оптических волокон для усиления мощности.

Когда свет от дополнительного инфракрасного лазера "накачки" попадает в волокно, он возбуждает электроны в материале, покрывающем волокно. Когда эти электроны релаксируют обратно в свое «основное состояние», они излучают фотоны света с длиной волны ИК-излучения, идеально синхронизированные с затравочными ИК-волнами, постепенно увеличивая силу сигнала в каскадах с несколькими волоконными усилителями.
Как только желаемая мощность достигается, инфракрасный лазер поражает кристалл, удваивающий частоту.

«Когда два фотона инфракрасного света попадают на кристалл, он излучает один фотон с более короткой длиной волны», — пояснил Чжао. "Удвоение частоты существенно сокращает длину волны вдвое, изменяя вход ИК-излучения на зеленый видимый свет."
Затем зеленый лазерный свет зигзагообразно движется по траекториям, направляемым зеркалами на столешнице через различные оптические компоненты, чтобы оптимизировать чистую мощность лазера.

К ним относятся несколько кристаллов, используемых для преобразования коротких лазерных импульсов в последовательность из нескольких импульсов (временное формирование), множество линз для создания желаемого поперечного профиля лазерных импульсов (пространственное формирование) и так называемые полуволновые пластины, используемые для пропускать или отклонять прохождение лазерного луча для управления общей интенсивностью лазера.
После этого лазерный свет направляется к серии электрооптических модуляторов — «устройств, которые вырезают части лазерного света для создания желаемой последовательности лазерных импульсов — последовательности, которая соответствует структуре ионных пучков, подлежащих охлаждению. ", — пояснила Минти.
Цель состоит в том, чтобы синхронизировать импульсы с частотой электронной пушки, чтобы полученные электроны могли быть ускорены, чтобы идеально соответствовать ускоренным ионам, циркулирующим в RHIC.
"В конце концов, именно скорость ионного пучка" решает ", что нам нужно, и все должно быть согласовано с этим. «Мы получаем сигнал от резонаторов ускорения ионов, который используется для генерации сигналов синхронизации для компонентов, формирующих структуру лазерного импульса», — сказал Минти.

Закрепление и проверка света
Волоконные лазеры особенно хорошо подходят для генерации сгустков электронов высокой яркости в фотокатодных инжекторах электронов. Высокое отношение поверхности к объему волокна поддерживает генерацию и доставку лазерных импульсов с высокой частотой повторения и высокой средней мощностью лазера. Кроме того, динамика лазерного света, распространяющегося по оптоволокну, приводит к отличным профилям лазера, небольшим колебаниям положения лазера и работе, не требующей обслуживания.

В совокупности эти свойства обеспечивают долгосрочную работу высокостабильного лазера, что очень важно для программ RHIC по физике.
Два ключевых фактора, которые необходимо контролировать ученым, — это коэффициент ослабления лазера — разница между включением и выключением лазера — и его стабильность.
«Если у вас есть свет, когда его не должно быть, вы получите остаточные электроны, которые могут вызвать нежелательные эффекты», — сказала Минти. "Мы стремимся к коэффициенту 10-6, что означает, что когда мы говорим, что он выключен, он выключен, и только один электрон из миллиона пройдет через."

Для стабильности ученым необходимо убедиться, что путь света не отклоняется более чем на 10 микрон от начальной точки до фотокатодной пушки в туннеле RHIC, даже со всеми этапами усиления и зигзагообразными дорожками на столе.
«В целом путь составляет около 30 метров — 3 метра по столешнице с 40 зеркалами, образующими зигзагообразный путь, и 27 метров по транспортной линии», — сказал Чжао, стоя внутри мобильного трейлера с лазером за пределами кольца RHIC.

«Мы стабилизировали стол, выкопав большую яму и закопав 50-тонный стальной блок на уровне грунтовых вод Лонг-Айленда, а также просверлили отверстия в трейлере, чтобы прикрепить лазерный стол к этому блоку», — сказала Минти. «Здесь можно прыгать вверх и вниз по полу, и стол не двигается», — добавила она, указав на сверхустойчивые стойки, на которых держатся зеркала и другие ключевые компоненты на столе с изоляцией от движения.
Кроме того, длинные откачанные трубы, по которым проходит лазер, отделены от нескольких меньших оптических столов между прицепом и электронной пушкой, расположенной внутри корпуса RHIC.

Эти столы содержат оптику и зеркала с опорами, также разработанными для обеспечения термической и вибростойкости.
Команда, в которую также входили Брайан Шихи (недавно вышедший на пенсию) и новый сотрудник, Патрик Инакер, уже достигла двух важных вех в эксперименте по низкоэнергетическому электронному охлаждению.

9 марта 2017 г. они успешно перенесли выравнивающий лазер через всю систему лазерной транспортировки, а 5 апреля — первая успешная транспортировка с использованием зеленого лазерного света. Ожидается, что первые испытания электронного охлаждения начнутся во время эксплуатации RHIC в конце 2018 — начале 2019 года.

Портал обо всем