Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben een röntgenbron ontwikkeld die de temperatuur kan diagnosticeren in experimenten die omstandigheden zoals die in het centrum van planeten onderzoeken.

De nieuwe bron zal worden gebruikt voor het uitvoeren van experimenten met uitgebreide röntgenabsorptie met fijne structuur (EXAFS) in de National Ignition Facility (NIF). Het werk is gepubliceerd in Technische Natuurkunde Brieven en werd gekenmerkt als een Editor's Pick.

"Over een reeks experimenten met röntgenbronnen bij het NIF, we konden vaststellen dat titanium (Ti)-folies 30 keer meer continuüm-röntgenstralen produceren dan implosiecapsule-achtergrondverlichting in het röntgenspectrale bereik van interesse en tussen twee tot vier keer meer dan gouden (Au)-folies onder identieke laseromstandigheden, " zei Andy Krygier, LLNL natuurkundige en hoofdauteur.

Uitgebreide röntgenabsorptie fijne structuur begrijpen

"Hoewel er veel toepassingen zijn voor röntgenbronnen, het werk was vooral gericht op het mogelijk maken van het meten van EXAFS van sterk gecomprimeerde materialen in vaste toestand. Dit is een zeer moeilijk regime om in te opereren en het vergde uiteindelijk veel inspanning en middelen om dit te bereiken, ' zei Krygier.

De primaire motivatie van de EXAFS-experimenten is het bepalen van de temperatuur van monsters bij Mbar-druk - omstandigheden zoals die in het centrum van planeten (1 Mbar =1 miljoen keer atmosferische druk). "Met dit werk we hebben nu de mogelijkheid om EXAFS-metingen bij NIF uit te voeren over een breed scala aan materialen en omstandigheden die voorheen in geen enkele faciliteit ter wereld mogelijk waren."

Onder deze omstandigheden, waar vaste stoffen met een factor twee of meer kunnen worden samengedrukt, de materialen kunnen totaal andere eigenschappen hebben dan bij alledaagse omgevingsomstandigheden. De in dit werk ontwikkelde röntgenbron zal metingen mogelijk maken van verschillende hogere Z-materialen die van belang zijn voor de missie van het Lab. Dit platform biedt ook mogelijkheden voor wetenschappelijke ontdekkingen in materiaaleigenschappen onder extreme omstandigheden.

Het meten van EXAFS vereist het detecteren van signalen die een paar procent van het totale signaal uitmaken en is de onderliggende reden dat het team zoveel moeite heeft gestoken in het ontwikkelen van een intense, spectraal vloeiende achtergrondverlichting.

Yuan Ping, LLNL-fysicus en de campagneleider van het werk, zei dat de bevindingen een succes zijn bij de ontwikkeling van achtergrondverlichting voor het EXAFS-project. "EXAFS-metingen met deze achtergrondverlichting zijn al begonnen bij NIF en de aanpak zal naar verwachting toekomstige metingen mogelijk maken die een cruciaal onderdeel zijn van LLNL's ondersteuning van NNSA's Stockpile Stewardship Program, " ze zei.

De voorkeursrangschikking van atomen of kristalstructuur verandert met temperatuur en druk in veel materialen en wordt momenteel onderzocht door het TARDIS-platform (target diffraction in situ) bij NIF. De structuur is ook een van de vele dingen die de relatie tussen druk en dichtheid beïnvloeden, die wordt onderzocht door het platform voor compressie van hellingen bij NIF, evenals de kracht, die wordt onderzocht door het RT-platform van NIF.

"Al deze belangrijke platforms missen temperatuurmetingen, " Zei Krygier. "Het is het doel van het EXAFS-platform om de thermische modellen te testen die de vergelijking van toestandsmodellen ondersteunen die in hydrodynamische codes worden gebruikt, evenals de andere materiaalplatforms aan te vullen."

Er is veel moeite gedaan om röntgenbronnen te ontwikkelen met behulp van verwarmde folies door andere teams, maar deze inspanningen waren vaak gericht op verschillende röntgenenergieën of het optimaliseren van lijnemissie (een röntgenemissie met smalle energie als gevolg van een atomaire overgang), zei Krygier.

"EXAFS-experimenten vereisen expliciet een ander type röntgenbron dan vele andere bij NIF, " zei hij. "Omdat het EXAFS-signaal is gecodeerd over een relatief brede, maar specifiek, bereik van röntgenstralingsenergieën, we moesten de breedbandcontinuümemissie in het multi-keV-energiebereik optimaliseren, in plaats van de lijnemissie, dat is veel te smal qua energie voor EXAFS."

Het team heeft vastgesteld dat het mogelijk is, door gebruik te maken van de zeer hoge vermogensdichtheid van de NIF-lasers, om titanium in de binnenschaal te ioniseren. "Deze hoge mate van ionisatie maakt het mogelijk dat een continuüm-röntgenemissieproces, dat vrij gebonden wordt genoemd, belangrijk wordt en feitelijk de algehele continuüm-röntgenemissie domineert, " hij zei.

Krygier zei dat dit proces leidt tot een sterkere continuümemissie in het multi-keV-regime van titanium dan van zilver of goud. "De waarneming dat het verhitten van een titaniumfolie een sterkere continuüm-emissie produceert dan met zilver of goud was aanvankelijk onverwacht, maar na zorgvuldige gegevensanalyse, we stelden vast dat vrije overgangen een belangrijke rol speelden. Uiteindelijk, de gegevens en het model komen mooi overeen." zei hij.

Elia Kemp, LLNL natuurkundige, geholpen bij de interpretatie van de gegevens met de rad-hydro (HYDRA) en atomic-kinetics (SCRAM) modellering die hielpen bij het bevestigen van de gegevensinterpretatie. Hij zei dat wetenschappers de neiging hebben om een ​​standaard gereedschapskist met gegeneraliseerde schaalwetten mee te nemen voor verschillende fysieke verschijnselen die leiden tot de veronderstelling dat een gouden achtergrondverlichting beter zou presteren dan zilver en titanium. Het is algemeen bekend dat continuüm röntgenstraling toeneemt met het atoomnummer, echter, verwarming van het monster tot het regime waar vrijgebonden overgangen belangrijk waren, maakte titaniumi mogelijk, waarvan het atoomnummer 22 is, om zilver en goud te overtreffen, waarvan de atoomnummers 47 en 79 zijn, respectievelijk.

"Hoewel deze alomtegenwoordige schalen kunnen helpen om iemands intuïtie snel te leiden, ze kunnen ook leiden tot schijnbaar paradoxale resultaten, " zei hij. "Een van de belangrijkste boodschappen van dit werk is om niet naïef te vertrouwen op overdreven algemene vuistregels die zo vaak worden gebruikt om studies over parameteroptimalisatie voortijdig te beperken."

Teamprestatie

Door deze inspanning moest het team verder kijken dan de typische röntgenemissieprocessen om de gegevens van experimenten te begrijpen. Ze vertrouwden op experts in een breed scala van disciplines, waaronder materiaalkunde, plasmafysica, Röntgenspectroscopie en hydrodynamische simulatie tijdens planning en analyse.

Het team was aanvankelijk gericht op een andere aanpak, met behulp van imploderende capsules, maar stelde uiteindelijk vast dat het niet genoeg röntgenstralen zou produceren om EXAFS-metingen te doen.

"Het is een van de weinige keren dat wetenschap echt werkt zoals het wordt afgebeeld in films met iedereen in het team in een kamer (toen we nog in kamers konden vergaderen) ideeën op een whiteboard voorstelt, "Zei Krygier. "Resultaten als deze zijn een echt bewijs van de onderzoeksomgeving van wereldklasse die bestaat bij LLNL."