• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Forskare skapar unika instrument för att undersöka den mest extrema materien på jorden

    Fysiker Manfred Bitter, upp till höger, och Novimir Pablant, nedre vänstra, med figurer från spektrometer design affisch. Skisser inkluderar målkammare för laserproducerade plasma, övre mitten, och en kristallspektrometer, nedre höger. Kredit:Elle Starkman/PPPL Office of Communications.

    Laserproducerade plasma med hög energidensitet, liknande de som finns i stjärnor, kärnvapenexplosioner, och kärnan i jätteplaneter, kan vara det mest extrema tillståndet av materia som skapats på jorden. Nu är forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), bygger på nästan ett decennium av samarbete med National Ignition Facility (NIF) vid DOE:s Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), har designat en ny röntgenkristallspektrometer för att ge högupplösta mätningar av en utmanande egenskap hos NIF-producerade HED-plasma.

    Mest kraftfulla lasrar

    Samarbetet med NIF, hem till världens största och mest kraftfulla lasrar, representerar en stor expansion för PPPL:s röntgenkristallspektrometerkonstruktioner, som används av fusionslaboratorier runt om i världen för att på detektorer registrera spektrumet av röntgenstrålar från plasma – gaser av elektroner och atomkärnor, eller joner – som underblåser fusionsreaktioner. Dessa PPPL-instrument mäter profiler av nyckelparametrar som jon- och elektrontemperaturer i stora volymer av heta plasma som är magnetiskt inneslutna i munkformade tokamak-fusionsenheter för att underlätta fusionsreaktioner. Däremot, NIF laserproducerade HED-plasma är små, punktliknande ämnen som kräver olika utformade spektrometrar för högupplösta studier.

    "Vi byggde tidigare en spektrometer för NIF som har varit ganska framgångsrik, sade fysikern Manfred Bitter, en långvarig medlem i PPPL-designteamet. Den spektrometern, levereras 2017, tillhandahåller högupplösta mätningar av temperaturen och densiteten hos NIF-extremplasma för fusionsexperiment med tröghetsinneslutning, och de erhållna uppgifterna har presenterats i inbjudna föredrag och refereegranskade publikationer.

    HED-experimenten skiljer sig från de magnetiskt begränsade experiment som PPPL genomför i många avseenden. En stor skillnad som påverkar utformningen av spektrometrar är den lilla storleken på laserproducerade HED-plasma, vars volymer vanligtvis är i storleksordningen en kubikmillimeter och kan betraktas som punktliknande röntgenkällor. Denna lilla storlek kan jämföras med utökade tokamakplasma, som har volymer på flera kubikmeter och kräver mycket olika diagnostiska utformningar.

    Nya designutmaningar

    PPPL:s nya spektrometer för NIF svarar på nya designutmaningar. De kräver att man mäter en fin struktur i röntgenspektra av HED-plasma som avslöjar deras materiatillstånd under extrema förhållanden. Sådana mätningar kan visa om jonerna i den högkomprimerade plasman är slumpmässigt, eller vätskeliknande arrangemang, eller i ett mer ordnat gallerliknande arrangemang som är typiskt för en solid.

    Detta kritiska tillstånd av materia kan upptäckas i det som kallas Extended X-ray Absorption Fine-Structure (EXAFS) – den tekniska termen för de små intensitetsvariationerna, eller vickar, i röntgenens energispektrum som registrerats med kristallspektrometrar. "Standardkristallformerna som har använts för diagnos av HED-plasma, än så länge, kan inte användas i detta fall, sa Bitter, huvudförfattare till en artikel i Granskning av vetenskapliga instrument som beskriver PPPL -spektrometern som tillverkas för NIF. "Deras upplösning och fotongenomströmning är inte tillräckligt hög och de introducerar bildbehandling och andra fel."

    Det här är utmaningarna som den nya kristallspektrometern måste möta, Bitter sa:

    • För att minska statistiska fel, designen måste anpassas till en hög genomströmning av fotoner, de ljuspartiklar som röntgenkällor och alla andra ljuskällor avger. Den röntgenreflekterande kristallen måste därför ha en stor yta utan att introducera några av de bildfel som stora standardkristaller tenderar att producera.
    • Kristallen måste återspegla det breda spektrum av röntgenenergier över vilka den fina strukturen observeras.
    • Till sist, kristall- och detektorarrangemangen måste minimera effekterna av vad som kallas källstorleksbreddning. Detta problem beror på den lilla, men inte försumbar, storleken på en laserproducerad HED-plasma som försämras, eller stök, spektralupplösningen. Standardkristallformerna som har använts fram till nu kan inte helt eliminera eller minimera dessa breddningseffekter.

    Bitter och PPPL-fysikern Novimir Pablant arbetade tillsammans för att designa den nya spektrometern. Bitter kom på idén att forma kristallen som speglar spektrumet i form av det som kallas en sinusformad spiral. Dessa spiraler betecknar en familj av kurvor vars former kan bestämmas för att anta något verkligt värde, gör det möjligt att välja en speciell form av kristall. Pablant, som var medförfattare till Granskning av vetenskapliga instrument papper, skapat en datorkod för att designa den sinusformade kristallen i en process som han beskriver i en nyligen inskickad följeslagare till samma tidskrift.

    "Jag utvecklade en kod som skulle tillåta mig att modellera den komplicerade 3D-formen av kristallen och simulera prestandan hos denna nya spektrometerdesign, " Sa Pablant. Simuleringarna visade att prestanda för kristallen markerade "en fem gånger förbättring av energiupplösningen för detta NIF-projekt jämfört med deras tidigare spektrometerdesign."

    Samarbetet flyttar till NIF i oktober när den nya spektrometern ska testas där, med forskare vid båda laboratorierna som ivrigt väntar på resultaten. "Experiment vid NIF som mäter EXFAS-spektrumet vid höga röntgenenergier har haft låga signaler, sa Marilyn Schneider, ledare för gruppen Radiative Properties vid LLNL:s direktorat för fysik och biovetenskap och en medförfattare till uppsatsen. "Spektrometerdesignen som beskrivs i tidningen koncentrerar den låga signalen och ökar signal-brusförhållandet samtidigt som den höga upplösningen som krävs för att observera EXAFS bibehålls, " Hon sa.

    Experimentell verifiering är nästa steg som krävs. "Vi kom fram till den här designen efter flera försök och är övertygade om att det kommer att fungera, sa Bitter. Men vi har ännu inte testat designen på NIF och måste se hur den presterar till hösten.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com