Forskere skaber et unikt instrument til at undersøge det mest ekstreme stof på Jorden

Laserproducerede plasmaer med høj energitæthed, beslægtet med dem, der findes i stjerner, atomeksplosioner, og kernen af ​​gigantiske planeter, kan være den mest ekstreme tilstand af stof, der er skabt på Jorden. Nu er forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), bygger på næsten ti års samarbejde med National Ignition Facility (NIF) ved DOE's Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), har designet et nyt røntgenkrystalspektrometer til at levere højopløsningsmålinger af et udfordrende træk ved NIF-producerede HED-plasmaer.

Mest kraftfulde lasere

Samarbejdet med NIF, hjemsted for verdens største og mest kraftfulde lasere, repræsenterer en stor udvidelse for PPPL's ​​røntgenkrystalspektrometerdesign, som bruges af fusionslaboratorier rundt om i verden til at registrere på detektorer spektret af røntgenstråler fra plasmaet – gasser fra elektroner og atomkerner, eller ioner - der giver næring til fusionsreaktioner. Disse PPPL-instrumenter måler profiler af nøgleparametre såsom ion- og elektrontemperaturer i store volumener af varme plasmaer, der er magnetisk indesluttet i doughnut-formede tokamak-fusionsenheder for at lette fusionsreaktioner. Derimod NIF laserproducerede HED-plasmaer er små, punktlignende stoffer, der kræver forskelligt designede spektrometre til højopløsningsundersøgelser.

"Vi har tidligere bygget et spektrometer til NIF, der har været ret vellykket, sagde fysiker Manfred Bitter, mangeårigt medlem af PPPL-designteamet. Det spektrometer, leveret i 2017, giver højopløsningsmålinger af temperaturen og tætheden af ​​NIF ekstreme plasmaer til inerti indeslutning fusionseksperimenter, og de opnåede data er blevet præsenteret i inviterede foredrag og peer-reviewede publikationer.

HED-eksperimenterne adskiller sig fra de magnetisk afgrænsede eksperimenter, som PPPL udfører i mange henseender. En stor forskel, der påvirker designet af spektrometre, er den lille størrelse af laserproducerede HED-plasmaer, hvis mængder typisk er i størrelsesordenen en kubik millimeter og kan betragtes som punktlignende røntgenkilder. Denne lille størrelse kan sammenlignes med udvidede tokamak-plasmaer, som har rumfang på flere kubikmeter og kræver meget forskellige diagnostiske designs.

Nye designudfordringer

PPPLs nye spektrometer til NIF reagerer på nye designudfordringer. De kræver måling af en fin struktur i røntgenspektrene af HED-plasmaer, der afslører deres stoftilstand under ekstreme forhold. Sådanne målinger kan vise, om ionerne i det højt komprimerede plasma er tilfældigt, eller væskelignende arrangement, eller i et mere ordnet gitterlignende arrangement, der er typisk for et fast stof.

Denne kritiske tilstand af stof kan detekteres i det, der kaldes Extended X-ray Absorption Fine-Structure (EXAFS) - det tekniske udtryk for de små intensitetsvariationer, eller vrikker, i røntgenenergispektret registreret af krystalspektrometre. "Standard krystalformer, der er blevet brugt til diagnosticering af HED-plasmaer, indtil nu, ikke kan bruges i dette tilfælde, " sagde Bitter, hovedforfatter til et papir i Gennemgang af videnskabelige instrumenter der beskriver PPPL-spektrometeret, der fremstilles til NIF. "Deres opløsning og fotongennemstrømning er ikke høj nok, og de introducerer billeddannelse og andre fejl."

Det er de udfordringer, det nye krystalspektrometer skal møde, Bitter sagde:

• For at reducere statistiske fejl, designet skal tilpasses en høj gennemstrømning af fotoner, de lyspartikler, som røntgenkilder og alle andre lyskilder udsender. Den røntgenreflekterende krystal skal derfor have et stort areal uden at introducere nogen af ​​de billedfejl, som store standardkrystaller har tendens til at producere.
• Krystallen skal afspejle den brede række af røntgenenergier, som den fine struktur observeres over.
• Endelig, krystal- og detektorarrangementerne skal minimere virkningerne af det, der kaldes kildestørrelsesudvidelse. Dette problem skyldes den lille, men ikke ubetydelig, størrelsen af ​​et laserproduceret HED-plasma, der forringes, eller roder, den spektrale opløsning. De standard krystalformer, der har været brugt indtil nu, kan ikke helt eliminere eller minimere disse udvidende effekter.

Bitter og PPPL-fysiker Novimir Pablant arbejdede sammen om at designe det nye spektrometer. Bitter kom på ideen om at forme krystallen, der afspejler spektret i form af det, der kaldes en sinusformet spiral. Disse spiraler betegner en familie af kurver, hvis former kan bestemmes til at antage nogen reel værdi, gør det muligt at vælge en speciel form af krystal. Pablant, der var medforfatter til Gennemgang af videnskabelige instrumenter papir, skabt en computerkode til at designe den sinusformede krystal i en proces, som han skitserer i et nyligt indsendt ledsagende papir til det samme tidsskrift.

"Jeg udviklede en kode, der ville give mig mulighed for at modellere den komplicerede 3D-form af krystallen og simulere ydeevnen af ​​dette nye spektrometerdesign, " sagde Pablant. Simuleringerne viste, at krystallens ydeevne markerede "en fem gange forbedring i energiopløsning for dette NIF-projekt sammenlignet med deres tidligere spektrometerdesign."

Samarbejdet flytter til NIF i oktober, når det nye spektrometer er planlagt til testning der, med forskere ved begge laboratorier, der spændt afventer resultaterne. "Eksperimenter på NIF, der måler EXFAS-spektret ved høje røntgenenergier, har haft lave signaler, " sagde Marilyn Schneider, leder af Radiative Properties Group på Fysik- og biovidenskabsdirektoratet for LLNL og en medforfatter af papiret. "Spektrometerdesignet beskrevet i papiret koncentrerer det lave signal og øger signal-til-støj-forholdet, mens den høje opløsning, der kræves for at observere EXAFS, opretholdes, " hun sagde.

Eksperimentel verifikation er det næste trin, der kræves. "Vi nåede frem til dette design efter flere forsøg og er sikre på, at det vil fungere, "sagde Bitter." Men vi har endnu ikke testet designet på NIF og skal se, hvordan det fungerer i efteråret. "