Lasergeproduceerde plasma's met hoge energiedichtheid, verwant aan die gevonden in sterren, nucleaire explosies, en de kern van reuzenplaneten, is misschien wel de meest extreme staat van materie die op aarde is gecreëerd. Nu wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), voortbouwend op bijna een decennium van samenwerking met de National Ignition Facility (NIF) in het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) van de DOE, hebben een nieuwe röntgenkristalspectrometer ontworpen om metingen met hoge resolutie te leveren van een uitdagend kenmerk van door NIF geproduceerde HED-plasma's.

Meest krachtige lasers

De samenwerking met NIF, de thuisbasis van 's werelds grootste en krachtigste lasers, vertegenwoordigt een belangrijke uitbreiding voor PPPL's ​​röntgenkristalspectrometerontwerpen, die door fusielaboratoria over de hele wereld worden gebruikt om op detectoren het spectrum van röntgenstralen van het plasma vast te leggen - gassen van elektronen en atoomkernen, of ionen - die fusiereacties voeden. Deze PPPL-instrumenten meten profielen van belangrijke parameters zoals de ion- en elektronentemperaturen in grote volumes hete plasma's die magnetisch zijn opgesloten in donutvormige tokamak-fusie-apparaten om fusiereacties te vergemakkelijken. Daarentegen, NIF-laser-geproduceerde HED-plasma's zijn klein, puntachtige stoffen die verschillend ontworpen spectrometers nodig hebben voor onderzoeken met hoge resolutie.

"We hebben eerder een spectrometer gebouwd voor de NIF die behoorlijk succesvol is geweest, " zei natuurkundige Manfred Bitter, een lange tijd lid van het PPPL ontwerpteam. Die spectrometer, geleverd in 2017, biedt metingen met hoge resolutie van de temperatuur en dichtheid van NIF-extreme plasma's voor fusie-experimenten met traagheidsopsluiting, en de verkregen gegevens zijn gepresenteerd in uitgenodigde gesprekken en peer-reviewed publicaties.

De HED-experimenten verschillen in veel opzichten van de magnetisch opgesloten experimenten die PPPL uitvoert. Een groot verschil dat het ontwerp van spectrometers beïnvloedt, is de kleine omvang van lasergeproduceerde HED-plasma's, waarvan de volumes typisch in de orde van een kubieke millimeter zijn en kunnen worden beschouwd als puntachtige röntgenbronnen. Dit kleine formaat is vergelijkbaar met verlengde tokamak-plasma's, die volumes van enkele kubieke meters hebben en zeer verschillende diagnostische ontwerpen vereisen.

Nieuwe ontwerpuitdagingen

De nieuwe spectrometer van PPPL voor de NIF speelt in op nieuwe ontwerpuitdagingen. Ze vragen om het meten van een fijne structuur in de röntgenspectra van HED-plasma's die hun toestand van materie onder extreme omstandigheden onthullen. Dergelijke metingen kunnen aantonen of de ionen in het sterk gecomprimeerde plasma zich in een willekeurige, of vloeistofachtige opstelling, of in een meer geordende roosterachtige opstelling die typerend is voor een vaste stof.

Deze kritieke toestand van materie kan worden gedetecteerd in wat de Extended X-ray Absorption Fine-Structure (EXAFS) wordt genoemd - de technische term voor de kleine intensiteitsvariaties, of wiebelt, in het röntgenenergiespectrum opgenomen door kristalspectrometers. "De standaard kristalvormen die zijn gebruikt voor de diagnose van HED-plasma's, tot dusver, kan in dit geval niet worden gebruikt, " zei Bitter, hoofdauteur van een paper in the Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten dat beschrijft de PPPL-spectrometer die wordt gefabriceerd voor de NIF. "Hun resolutie en fotonendoorvoer zijn niet hoog genoeg en ze introduceren beeld- en andere fouten."

Dit zijn de uitdagingen waar de nieuwe kristalspectrometer aan moet voldoen, Bitter zei:

• Om statistische fouten te verminderen, het ontwerp moet zijn aangepast aan een hoge doorvoer van fotonen, de lichtdeeltjes die röntgenbronnen en alle andere lichtbronnen uitzenden. Het röntgenreflecterende kristal moet daarom een ​​groot oppervlak hebben zonder enige van de afbeeldingsfouten te introduceren die grote standaardkristallen de neiging hebben te produceren.
• Het kristal moet het brede scala aan röntgenstralingsenergieën weerspiegelen waarover de fijne structuur wordt waargenomen.
• Eindelijk, de kristal- en detectoropstellingen moeten de effecten minimaliseren van wat bronverbreding wordt genoemd. Dit probleem vloeit voort uit de kleine, maar niet te verwaarlozen, grootte van een lasergeproduceerd HED-plasma dat verslechtert, of warboel, de spectrale resolutie. De standaard kristalvormen die tot nu toe zijn gebruikt, kunnen deze verbredingseffecten niet volledig elimineren of minimaliseren.

Bitter en PPPL-natuurkundige Novimir Pablant werkten samen om de nieuwe spectrometer te ontwerpen. Bitter kwam op het idee om het kristal te vormen dat het spectrum weerspiegelt in de vorm van een zogenaamde sinusoïdale spiraal. Deze spiralen duiden een familie van krommen aan waarvan de vorm kan worden bepaald om elke reële waarde aan te nemen, waardoor het mogelijk is om een ​​speciale vorm van kristal te selecteren. Pablant, wie is co-auteur van de Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten papier, creëerde een computercode om het sinusoïdale kristal te ontwerpen in een proces dat hij schetst in een onlangs ingediend begeleidend artikel bij hetzelfde tijdschrift.

"Ik heb een code ontwikkeld waarmee ik de gecompliceerde 3D-vorm van het kristal kan modelleren en de prestaties van dit nieuwe spectrometerontwerp kan simuleren, " zei Pablant. De simulaties toonden aan dat de prestaties van het kristal "een vijfvoudige verbetering in energieresolutie voor dit NIF-project markeerden in vergelijking met hun vorige spectrometerontwerp."

De samenwerking zal in oktober verhuizen naar NIF, wanneer de nieuwe spectrometer daar zal worden getest, met onderzoekers van beide laboratoria die reikhalzend uitkijken naar de resultaten. "Experimenten bij de NIF die het EXFAS-spectrum meten bij hoge röntgenstralingsenergieën hadden lage signalen, " zei Marilyn Schneider, leider van de Radiative Properties Group bij de Physics and Life Sciences Directorate van LLNL en een co-auteur van het papier. "Het spectrometerontwerp dat in het document wordt beschreven, concentreert het lage signaal en verhoogt de signaal-ruisverhouding met behoud van de hoge resolutie die nodig is voor het observeren van EXAFS, " ze zei.

Experimentele verificatie is de volgende stap die nodig is. "We zijn na verschillende pogingen tot dit ontwerp gekomen en zijn ervan overtuigd dat het zal werken, " zei Bitter. "Maar we hebben het ontwerp bij NIF nog niet getest en moeten in het najaar zien hoe het presteert."