Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har utvecklat en röntgenkälla som kan diagnostisera temperatur i experiment som undersöker förhållanden som de som är i centrum av planeter.

Den nya källan kommer att användas för att utföra experiment med förlängd röntgenabsorbering (EXAFS) vid National Ignition Facility (NIF). Verket publicerades i Tillämpad fysikbokstäver och presenterades som en Editor's Pick.

"Över en rad röntgenutvecklingsexperiment vid NIF, vi kunde fastställa att titan (Ti) folier producerar 30 gånger fler kontinuumröntgenstrålar än implosionskapselbaksläckare i röntgenspektralintervallet och mellan två till fyra gånger mer än guld (Au) folier under identiska laserförhållanden, "sa Andy Krygier, LLNL -fysiker och huvudförfattare.

Förstå förlängd röntgenabsorption fin struktur

"Även om det finns många användningsområden för röntgenkällor, arbetet var främst inriktat på att göra det möjligt att mäta EXAFS för högkomprimerade material i fast tillstånd. Detta är en mycket svår regim att verka i och i slutändan krävdes mycket ansträngning och resurser för att åstadkomma, "Sa Krygier.

Den främsta motivationen för EXAFS -experimenten är att bestämma temperaturen på proverna vid Mbar -tryck - förhållanden som de i planets centrum (1 Mbar =1 miljon gånger atmosfärstryck). "Med detta arbete, vi har nu möjlighet att utföra EXAFS -mätningar på NIF över ett brett spektrum av material och förhållanden som tidigare inte var möjliga på någon anläggning i världen. "

Vid dessa förhållanden, där fasta ämnen kan komprimeras med en faktor två eller flera, materialen kan ha väldigt olika egenskaper än vid vardagliga omgivningsförhållanden. Röntgenkällan som utvecklats i detta arbete kommer att möjliggöra mätningar av olika material med högre Z-värde som är av betydelse för laboratoriets uppdrag. Denna plattform kommer också att öppna möjligheter för vetenskaplig upptäckt i materialegenskaper under extrema förhållanden.

Att mäta EXAFS kräver att detekterar signaler som är några procent av den totala signalen och är den bakomliggande orsaken till att laget har lagt så mycket ansträngningar på att utveckla en intensiv, spektralt slät bakgrundsbelysning.

Yuan Ping, LLNL -fysiker och kampanjledare för arbetet, sa fynden avsluta en framgång i utvecklingen av bakgrundsbelysning för EXAFS -projektet. "EXAFS -mätningar med denna backlighter har redan börjat på NIF och tillvägagångssättet förväntas möjliggöra framtida mätningar som är en kritisk del av LLNL:s stöd för NNSA:s Stockpile Stewardship Program, " Hon sa.

Det föredragna arrangemanget av atomer eller kristallstruktur förändras med temperatur och tryck i många material och undersöks för närvarande av TARDIS (måldiffraktion in situ) plattform vid NIF. Strukturen är också en av många saker som påverkar förhållandet mellan tryck och densitet, som undersöks av rampkomprimeringsplattformen vid NIF, liksom styrkan, som undersöks av RT -plattformen vid NIF.

"Alla dessa viktiga plattformar saknar temperaturmätningar, "Krygier sa." Det är målet med EXAFS -plattformen att testa de termiska modellerna som ligger till grund för ekvationen för tillståndsmodeller som används i hydrodynamikkoder samt komplettera de andra materialplattformarna. "

Det har varit en stor ansträngning att utveckla röntgenkällor med hjälp av uppvärmda folier av andra team, men dessa ansträngningar har ofta fokuserat på olika röntgenenergier eller optimering av linjeutsläpp (ett smalt energiröntgenstrålning från en atomövergång), Sa Krygier.

"EXAFS-experiment kräver uttryckligen en annan typ av röntgenkälla än många andra på NIF, "sa han." Eftersom EXAFS -signalen är kodad över en relativt bred, men specifik, rad röntgenenergier, vi behövde optimera bredbandskontinuumsutsläpp i multi-keV energiområdet, i stället för linjeutsläpp, som är alldeles för smal i energi för EXAFS. "

Teamet har bestämt att det är möjligt, genom att använda den mycket höga effekttätheten hos NIF -lasrarna, att jonisera titan i sitt inre skal. "Denna höga grad av jonisering möjliggör att en kontinuum röntgenemissionsprocess som kallas fri bunden blir viktig och faktiskt dominerar den övergripande kontinuumröntgenemissionen, " han sa.

Krygier sa att denna process leder till ett starkare kontinuumutsläpp i multi-keV-regimen från titan än från silver eller guld. "Observationen att uppvärmning av en titanfolie ger starkare kontinuumemission än med silver eller guld var oväntat initialt, men efter noggrann dataanalys, vi bestämde att fritt bundna övergångar spelade en viktig roll. I slutet, data och modell överensstämmer fint. "sa han.

Elijah Kemp, LLNL -fysiker, hjälpte vid tolkningen av data med rad-hydro (HYDRA) och atom-kinetik (SCRAM) modellering som hjälpte till att bekräfta datatolkningen. Han sa att forskare har en tendens att bära med sig en standardverktygslåda med generaliserade skallagar för olika fysiska fenomen som leder till antagandet att en guldbakljus skulle överträffa silver och titan. Kontinuum röntgenemission är allmänt känd för att öka med atomnumret, dock, uppvärmning av provet till regimen där fria bundna övergångar var viktiga möjliggjorde titaniumi, vars atomnummer är 22, att lysa över silver och guld, vars atomnummer är 47 och 79, respektive.

"Även om dessa allestädes närvarande skalningar kan hjälpa till att snabbt styra ens intuition, de kan också leda till till synes paradoxala resultat, "sade han." Ett av de viktigaste meddelandena från detta arbete är att inte naivt förlita sig på övergeneraliserade tumregler som så ofta används för att för tidigt begränsa parameteroptimeringsstudier. "

Laginsats

Denna insats krävde att teamet tittade bortom typiska röntgenutsläppsprocesser för att förstå data från experiment. De förlitade sig på experter inom ett brett spektrum av discipliner, inklusive materialvetenskap, plasmafysik, Röntgenspektroskopi och hydrodynamisk simulering under planering och analys.

Teamet var inledningsvis inriktat på ett annat tillvägagångssätt, använder imploderande kapslar, men bestämde så småningom att det inte skulle producera tillräckligt med röntgenstrålar för att göra EXAFS-mätningar.

"Det är en av få gånger där vetenskap faktiskt fungerar så som den skildras i filmer med alla i teamet i ett rum (när vi kunde träffas i rum) som föreslog idéer på en whiteboardtavla, "Sa Krygier." Sådana resultat är ett verkligt bevis på forskningsmiljön i världsklass som finns på LLNL. "