Wetenschappers van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben onlangs de resultaten gepubliceerd van een experimentele campagne van drie weken in de Jupiter Laser Facility van het Lab om de prestaties van met laser verwarmde additief vervaardigde schuimen te testen.

Het project helpt bij de ondersteuning van twee belangrijke focusgebieden van het laboratorium, inclusief het helpen bevorderen van additieve productie en door verbeteringen in de prestaties van hohlraums mogelijk te maken - dit zijn met laser verwarmde holtes die een röntgenstralingsaandrijving produceren die een met deuterium gevulde capsule implodeert.

Het werk ondersteunt ook de vooruitgang van de state-of-the-art in wetenschap met hoge energiedichtheid. Vooral, door efficiëntere hohlraums mogelijk te maken, het zou moeten helpen bij het bereiken van het doel van het programma voor inertie opsluiting (ICF) om ontsteking in het laboratorium te bereiken.

Oggie Jones, hoofdauteur van het werk dat te zien was in Fysica van plasma's , zei dat, voor zover het team wist, dit de eerste keer was dat experimenten werden gedaan op met laser verwarmde schuimen die met gestructureerde additieven zijn vervaardigd.

De belangrijkste bevindingen in het onderzoek toonden aan dat met laser verwarmde, additief vervaardigde schuimen zich in veel opzichten hetzelfde gedroegen als chemische (aerogel) schuimen met vergelijkbare dichtheden. De hoeveelheid terugverstrooid laserlicht voor een bepaalde laserintensiteit en de voortplantingssnelheid van een thermische golf door het plasma waren vergelijkbaar.

"Dit was waar, hoewel de door additieven vervaardigde schuimen draadstructuren hebben die 100 keer dikker zijn dan chemische schuimen met dezelfde dichtheid, Jones zei. "Het additief vervaardigde schuim zelf bleek zich ook redelijk onafhankelijk van de schaalgrootte te gedragen."

Het team testte geometrisch vergelijkbare door additieven vervaardigde schuimen, een met filamenten van 0,5 micron dik en een met filamenten van 10 micron dik. De backscatter- en röntgenbeeldsignaturen waren bijna niet te onderscheiden. Het team ontdekte dat gepubliceerde schuimanalysemodellen over het algemeen de gemeten thermische voortplantingssnelheden en temperaturen die in de experimenten werden gemeten, konden verklaren.

Jones legde uit dat het gebruik van schuimmaterialen in hohlraums nieuwe ontwerpmogelijkheden opent in indirecte aandrijving in traagheidsopsluitingsfusie. Vooral, schuim kan in de hohlraum worden geplaatst om de muren te bekleden.

"Als de dichtheid van het schuim zorgvuldig wordt gekozen, het is mogelijk om te veranderen hoe het hohlraum-wandmateriaal in de loop van de tijd uitzet en zo mogelijk de symmetrie van de stralingsaandrijving op de ICF-capsule te verbeteren, " hij zei.

In aanvulling, schuimen met een zeer lage dichtheid, gedoteerd met verschillende elementen, kunnen worden gebruikt om de plasmacondities in het hohlraum aan te passen en mogelijk laserplasma-interacties (laserbackscatter) te verminderen. Door additieven vervaardigde schuimen zorgen voor de beste controle over de plasmacondities. Dichtheids- en doteringsgradiënten kunnen in het schuim worden ingebouwd. Aangezien deze schuimen zich in de hohlraum bevinden, de manier waarop ze door de laser worden verwarmd, is essentieel om hun algehele impact op de prestaties van hohlraum te begrijpen.

De experimenten gebruikten een enkele 527 nanometer (groene) laserstraal. De laserpuls was 200 joule, ongeveer twee nanoseconden in duur en resulteerde in een maximale laserintensiteit van 3x1014 W/cm ² op de schuimdoelen. Gedurende een week van straaltijd, het team schoot ongeveer 20 verschillende schuimdoelen.

Elijah Kemp was de leidende experimentator van dit project en co-auteurs waren onder meer Steve Langer, Benjamin Winjum, Dick Berger, James Oakdale, Michail Belyaev, Jürgen Biener, Monika Biener, Dirk Mariscal, José Milovich, Michaël Stadermann, Phil Sterne en Scott Wilks.

Een tweede artikel over dit onderzoek, gericht op numerieke simulaties van deze experimenten, is ook geaccepteerd voor publicatie door Plasma Physics and Controlled Fusion. Auteurs zijn onder andere Jose Milovich, Ogden Jones, Dick Berger, Elia Kemp, James Oakdale, Jürgen Biener, Mike Beljaev, Dirk Mariscal, Steve Langer, Phil Sterne, Scott Sepke en Michael Stadermann.

De nieuwe schuimdoelen werden bij LLNL geproduceerd door een groep onder leiding van Stadermann, Jürgen Biener en Oakdale.

Het werk werd gefinancierd door LLNL's Weapons and Complex Integration Laboratory Directed Research and Development (LDRD) programma getiteld "Foams in Hohlraums."

Dit onderzoek heeft geleid tot een vervolg LDRD-project met de titel 'Foam Fills for LPI Suppression'. In dit project, onderzoekers zullen specifieke schuimvulconfiguraties met lage dichtheid onderzoeken die leiden tot verminderde terugverstrooiing in ICF-hohlraums.

"Als het lukt, dit onderzoek zou hohlraums in staat kunnen stellen te werken bij vuldichtheden die niet werkten met eenvoudige heliumgasvullingen, "Zei Jones. "Dit zou een ontwerpruimte openen die eerder was gesloten vanwege overmatige laserverstrooiing."