Forskere udvikler bredbåndsrøntgenkilde, der er nødvendig for at udføre nye målinger på NIF

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har udviklet en røntgenkilde, der kan diagnosticere temperatur i eksperimenter, der undersøger forhold som dem, der er i centrum af planeter.

Den nye kilde vil blive brugt til at udføre eksperimenter med udvidet røntgenabsorptionsfinstruktur (EXAFS) ved National Ignition Facility (NIF). Værket blev udgivet i Anvendt fysik bogstaver og blev vist som en Editor's Pick.

"I løbet af en række eksperimenter med udvikling af røntgenkilder på NIF, vi var i stand til at fastslå, at titanium (Ti) folier producerer 30 gange flere kontinuum røntgenstråler end implosion kapsel baggrundslys i det røntgenspektrale område af interesse og mellem to til fire gange mere end guld (Au) folier under identiske laserforhold, "sagde Andy Krygier, LLNL fysiker og hovedforfatter.

Forståelse af udvidet røntgenabsorption fin struktur

"Selvom der er mange anvendelsesmuligheder for røntgenkilder, arbejdet var primært fokuseret på at gøre det muligt at måle EXAFS af højt komprimerede materialer i fast tilstand. Dette er et meget vanskeligt regime at operere i, og det krævede i sidste ende en masse indsats og ressourcer at opnå, " sagde Krygier.

Den primære motivation for EXAFS-eksperimenterne er at bestemme temperaturen af ​​prøver ved Mbar-tryk - forhold som dem i midten af ​​planeterne (1 Mbar =1 million gange atmosfæretryk). "Med dette arbejde, vi har nu mulighed for at udføre EXAFS-målinger på NIF over en bred vifte af materialer og forhold, som ikke tidligere var mulige på nogen facilitet i verden."

Under disse betingelser, hvor faste stoffer kan komprimeres med en faktor to eller flere, materialerne kan have helt andre egenskaber end ved hverdagens omgivelsesforhold. Røntgenkilden, der er udviklet i dette arbejde, vil muliggøre målinger af forskellige materialer med højere Z, som er af betydning for laboratoriets mission. Denne platform vil også åbne muligheder for videnskabelig opdagelse i materialeegenskaber under ekstreme forhold.

Måling af EXAFS kræver detektering af signaler, der er nogle få procent af det overordnede signal og er den underliggende årsag til, at holdet har brugt så mange kræfter på at udvikle en intens, spektralt glat baggrundsbelysning.

Yuan Ping, LLNL-fysiker og kampagnelederen for arbejdet, sagde resultaterne konkluderer en succes i udviklingen af ​​baggrundslys til EXAFS-projektet. "EXAFS -målinger ved hjælp af denne baglygte er allerede startet på NIF, og metoden forventes at muliggøre fremtidige målinger, der er en kritisk del af LLNL's støtte til NNSA's Stockpile Stewardship Program, " hun sagde.

Det foretrukne arrangement af atomer eller krystalstruktur ændres med temperatur og tryk i mange materialer og er i øjeblikket undersøgt af TARDIS (target diffraction in situ) platformen på NIF. Strukturen er også en af ​​mange ting, der påvirker forholdet mellem tryk og tæthed, som er under undersøgelse af rampekompressionsplatformen hos NIF, samt styrken, som er under undersøgelse af RT-platformen hos NIF.

"Alle disse vigtige platforme mangler temperaturmålinger, " sagde Krygier. "Det er målet for EXAFS-platformen at teste de termiske modeller, der understøtter ligningen af ​​tilstandsmodeller, der bruges i hydrodynamiske koder, såvel som at komplementere de andre materialeplatforme."

Der har været en stor indsats for at udvikle røntgenkilder ved hjælp af opvarmede folier af andre hold, men disse bestræbelser har ofte fokuseret på forskellige røntgenenergier eller optimering af linjeemission (en snæver-i-energi røntgenstråling som følge af en atomart overgang), Krygier sagde.

"EXAFS-eksperimenter kræver eksplicit en anden type røntgenkilde end mange andre på NIF, " sagde han. "Fordi EXAFS-signalet er kodet over et relativt bredt, men specifik, række af røntgenenergier, vi var nødt til at optimere bredbåndskontinuumemissionen i multi-keV energiområdet, i stedet for linjeemissionen, som er alt for snæver i energi til EXAFS."

Teamet har fastslået, at det er muligt, ved at bruge NIF-lasernes meget høje effekttæthed, at ionisere titanium i dens indre skal. "Denne høje grad af ionisering gør det muligt for en kontinuum røntgen-emissionsproces kaldet free-bound at blive vigtig og faktisk dominere den samlede kontinuum røntgen-emission, " han sagde.

Krygier sagde, at denne proces fører til en stærkere kontinuumemission i multi-keV-regimet fra titanium end fra sølv eller guld. "Iagttagelsen af, at opvarmning af en titaniumfolie giver stærkere kontinuumemission end med sølv eller guld, var uventet i starten, men efter omhyggelig dataanalyse, vi fastslog, at fritbundne overgange spillede en vigtig rolle. Til sidst, dataene og modellen stemmer godt overens," sagde han.

Elijah Kemp, LLNL fysiker, hjulpet i fortolkningen af ​​dataene med rad-hydro (HYDRA) og atomic-kinetics (SCRAM) modellering, der hjalp med at bekræfte datafortolkningen. Han sagde, at videnskabsmænd har en tendens til at bære rundt på en standardværktøjskasse med generaliserede skaleringslove for forskellige fysiske fænomener, der fører til den antagelse, at en guldbaggrundsbelysning ville overgå sølv og titanium. Kontinuum røntgenstråling er generelt kendt for at stige med atomnummeret, imidlertid, opvarmning af prøven til det regime, hvor fribundne overgange var vigtige, muliggjorde titaniumi, hvis atomnummer er 22, at overstråle sølv og guld, hvis atomnummer er 47 og 79, henholdsvis.

"Selvom disse allestedsnærværende skaleringer kan hjælpe med hurtigt at styre ens intuition, de kan også føre til tilsyneladende paradoksale resultater, " sagde han. "Et af de vigtigste budskaber fra dette arbejde er ikke naivt at stole på overgeneraliserede tommelfingerregler, der så ofte bruges til for tidligt at indsnævre undersøgelser af parameteroptimering."

Team indsats

Denne indsats krævede, at holdet skulle se ud over typiske røntgen-emissionsprocesser for at forstå dataene fra eksperimenter. De stolede på eksperter på tværs af en bred vifte af discipliner, herunder materialevidenskab, plasmafysik, Røntgenspektroskopi og hydrodynamisk simulering under planlægning og analyse.

Teamet var oprindeligt fokuseret på en anden tilgang, ved hjælp af imploderende kapsler, men besluttede til sidst, at det ikke ville producere nok røntgenstråler til at foretage EXAFS-målinger.

"Det er en af ​​de få gange, hvor videnskaben faktisk fungerer, som den er portrætteret i film, hvor alle på holdet i et rum (dengang vi kunne mødes i lokaler) foreslog ideer på en tavle, " sagde Krygier. "Resultater som dette er et reelt bevis på det forskningsmiljø i verdensklasse, der findes på LLNL."