În interiorul camerei cu laser. Fasciculul este conținut în interiorul conductei albastre.
Credit: Ahmed Helal
Dacă traversezi curtea deschisă din fața clădirii de Fizică, Matematică și Astronomie de la University of Texas at Austin, vei vedea un turn de 17 etaje și o clădire imensă în formă de L. Ceea ce nu vei vedea este ce se află sub tine. La două niveluri sub pământ, în spatele unor uși duble grele, marcate cu un logo pe care majoritatea studenților nu l-au observat niciodată, se află unul dintre cele mai puternice lasere din Statele Unite.
Am fost cercetătorul principal în domeniul laserelor la Texas Petawatt, sau TPW, cum îi spuneam noi, între 2020 și 2024. Texas Petawatt, care este în prezent închis din cauza tăierilor de finanțare, era un centru de cercetare finanțat de guvern, unde oamenii de știință din întreaga țară solicitau timp pentru a utiliza echipamente specializate. Făcea parte din LaserNetUS, o rețea a Department of Energy formată din laboratoare cu lasere de mare putere.
Acest tip de laser pornește de la un impuls minuscul de lumină, îl extinde astfel încât să nu distrugă elementele optice și îl amplifică până când, pentru o fracțiune de clipă, transportă mai multă putere decât întreaga rețea electrică a Statelor Unite. Apoi comprimă impulsul înapoi la o trilionime de secundă pentru a crea o stea într-o cameră de vid.
Într-o zi obișnuită de „tragere”, ținta poate fi o bucată de folie metalică mai subțire decât un fir de păr uman, un jet de gaz sau o mică bilă de plastic, fiecare concepută pentru a răspunde unei întrebări științifice diferite.
Cercetători din toată țara solicitau timp pe TPW pentru a studia de toate, de la fizica interiorului stelelor și energia de fuziune până la noi abordări în tratamentul cancerului.
Cei mai mulți oameni aud despre lasere petawatt și își imaginează ceva desprins dintr-un film. O „zi de tragere” înseamnă, de fapt, ore de muncă liniștită și repetitivă, urmate de aproximativ 10 secunde în care nimeni nu respiră.
Acum lucrez ca cercetător la University of Texas-Austin, studiind interacțiunea laserelor cu diferite materiale, dar o zi tipică de utilizare a laserului din perioada în care conduceam TPW arăta astfel:
7:00
Ajung cu două ore înainte de prima utilizare programată. Îmi pun halatul, bocancii și plasa pentru păr și intru în camera curată, rece. Laserul nu se pornește pur și simplu. Trebuie să-l trezești cu grijă.
Încep cu oscilatorul, o cutie mică ce generează prima „sămânță” de lumină. Notez parametrii care definesc comportamentul laserului în timpul tragerii: energia, frecvența centrală, presiunea de vid din tuburi, nivelul și debitul apei de răcire. În această etapă, aceștia sunt fixați, indiferent de experiment. Laserul trebuie să funcționeze identic de fiecare dată înainte ca experimentele să poată începe. Apoi pornesc laserul de pompare care va amplifica acest impuls minuscul de la nanojouli până la aproximativ o jumătate de joule.
Anatomia unui laser petawatt. Un impuls minuscul pornește din oscilator, este întins în timp pentru a evita deteriorarea opticii, este amplificat prin etape din ce în ce mai mari, apoi este comprimat înapoi la o trilionime de secundă în interiorul camerei de vid din dreapta.
Credit: Ahmed Helal
Sistemul are nevoie de cel puțin 30 de minute pentru a se stabiliza. În acest timp, verific alinierea prin fiecare orificiu și fiecare cameră de-a lungul traseului fasciculului. O mică nealiniere în această etapă nu este doar o problemă; poate fi catastrofală, un fascicul deviat la putere maximă poate arde componentele optice care necesită luni pentru a fi obținute și înlocuite, întârziind întregul sistem laser.
Construirea fasciculului
După ce sistemul s-a încălzit, trimit fasciculul în primul amplificator: o tijă de sticlă înconjurată de flashuri strălucitoare care pompează lumină în sticlă, ca și cum ai încărca o baterie. La fiecare trecere, fasciculul absoarbe energie din sticlă și devine mai puternic. Apoi fasciculul ajunge într-o tijă mai mare, unde face patru treceri, acumulând mai multă energie de fiecare dată până ajunge la aproximativ 12 jouli, cam energia unei mingi aruncate cu putere printr-o cameră.
Acest proces singur durează aproape o oră, cea mai mare parte fiind petrecută verificând și confirmând alinierea și energia în fiecare etapă.
Carcasa albastră adăpostește etapa finală și cea mai puternică a laserului. Cablurile care coboară din tavan transportă energia electrică dintr-o cameră dedicată de condensatori de la etajul superior, unde bănci uriașe de sarcină stocată alimentează lămpile flash care oferă fasciculului ultima și cea mai mare creștere de energie.
Credit: Ahmed Helal
Extind fasciculul și îl trimit prin etapa finală: amplificatoarele cu disc. Două amplificatoare, fiecare format din două discuri masive de sticlă de 30 de centimetri, sunt alimentate de o bancă uriașă de flashuri acționate de bănci de condensatori, practic baterii uriașe care stochează energie electrică și o eliberează brusc. Sunt atât de mari, încât au propria lor încăpere pe un etaj separat. Obturatoarele optice rapide dintre fiecare etapă acționează ca niște porți, controlând exact când și unde se deplasează fasciculul.
Punctul culminant
Când echipa experimentală confirmă că ținta este în poziție, îmi cere să pregătesc o declanșare a sistemului. Parcurg lista lungă de verificări. Testăm obturatoarele și trecem în modul de tragere al sistemului. Fiecare monitor din instalație afișează același mesaj, „System Shot Mode”, și clipește în roșu.
Camera de control Texas Petawatt permite cercetătorilor să urmărească o varietate de parametri și indicatori. În stânga se află butonul mare roșu de oprire de urgență.
Credit: Ahmed Helal
Mă aplec spre microfonul de la pupitrul de control, o piesă veche care pare desprinsă dintr-o cameră radio din al Doilea Război Mondial, și anunț că intrăm în modul de declanșare. Apoi deschid „beam dump”-ul compresorului, o placă grea de sticlă care, în mod normal, blochează fasciculul să ajungă la țintă. Durează aproximativ două minute să se deplaseze.
„Se face verificarea, se face verificarea pentru o tragere a sistemului.”
Anunțul se aude în difuzoare în toată instalația. Iau o cheie mică de interblocare, îmi pun ochelarii de protecție pentru laser și cobor. Parcurg un traseu precis prin fiecare încăpere, verificând că nu mai este nimeni în interior. Pe măsură ce merg, închid fiecare ușă cu cheia. Dacă cineva deschide una dintre aceste uși după ce le-am blocat, întreaga secvență de declanșare a laserului se anulează.
Înapoi în camera de control, mă așez și încep să încarc băncile de condensatori. În acest punct, nu mai există cale de întoarcere decât o oprire de urgență, iar asta înseamnă pierderea tragerii și așteptarea răcirii sistemului.
„Se încarcă.”
Camera devine tăcută. Toți au ochii pe monitoare. Nimeni nu vorbește.
De obicei schimb o privire cu cercetătorul pentru al cărui proiect este tragerea, astăzi este Joe, un cercetător invitat de la Los Alamos National Laboratory, care a proiectat ținta pe care urmează să o vaporizăm. Strânge ceașca de cafea ca și cum i-ar datora bani. Mă întorc la consolă.
„Încărcare completă. Tragere în trei, doi, unu. Foc.”
Apăs butonul. Un bubuit puternic străbate clădirea în timp ce toată energia stocată este eliberată în fascicul. Monitoarele se blochează, capturând totul în momentul tragerii: profilurile fasciculului, spectrele, diagnosticele. Acești indicatori oferă o imagine completă a modului în care a funcționat laserul și dacă tragerea a fost curată. Jos, în camera de vid, un punct mai mic decât un fir de păr a atins temperaturi de milioane de grade.
Mă las pe spate în scaun și încep să notez parametrii laserului, în timp ce toată lumea expiră. Cel responsabil de siguranța radiologică merge primul pentru a verifica valorile din jurul camerei țintei înainte ca altcineva să intre. Echipa experimentală urmează pentru a colecta datele.
Uneori totul funcționează perfect. Alteori un obturator nu se deschide și pierzi tragerea.
De exemplu, într-o după-amiază din 2023, petrecuserăm trei ore pregătind o declanșare prioritară. Ținta aliniată. Condensatorii încărcați. Am apăsat butonul și nu s-a auzit nimic. Un obturator cedase undeva în lanț. Monitoarele au rămas înghețate, arătând negru. Nimeni nu a spus nimic. Am scris „SHOT FAILED” în jurnal și am început secvența de răcire de o oră. Asta este partea pe care nu o arată filmele: statul în liniște, așteptând să încerci din nou. Am reușit tragerea patru ore mai târziu.
Această anticipare face parte din muncă: ore de răbdare pentru 10 secunde la care nu te obișnuiești niciodată. Totul se întâmplă sub un campus pe care mii de oameni merg deasupra, fără să știe că, pentru o fracțiune de secundă, un punct minuscul de materie mai fierbinte decât suprafața Soarelui a existat chiar sub picioarele lor.
Traducere după I’ve fired one of America’s most powerful lasers de Ahmed Helal, Research Scientist, The University of Texas at Austin.
