I ricercatori del Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hanno sviluppato una sorgente di raggi X in grado di diagnosticare la temperatura in esperimenti che sondano condizioni come quelle al centro dei pianeti.

La nuova sorgente sarà utilizzata per eseguire esperimenti estesi di struttura fine di assorbimento dei raggi X (EXAFS) presso il National Ignition Facility (NIF). L'opera è stata pubblicata in Lettere di fisica applicata ed è stato presentato come Editor's Pick.

"Su una serie di esperimenti di sviluppo di sorgenti di raggi X al NIF, siamo stati in grado di determinare che le lamine di titanio (Ti) producono 30 volte più raggi X continui rispetto ai retroilluminatori a capsula di implosione nella gamma spettrale di interesse dei raggi X e da due a quattro volte più delle lamine d'oro (Au) in condizioni laser identiche, "ha detto Andy Krygier, LLNL fisico e autore principale.

Comprensione della struttura fine di assorbimento dei raggi X estesa

"Mentre ci sono molti usi per le sorgenti di raggi X, il lavoro si è concentrato principalmente sulla possibilità di misurare EXAFS di materiali altamente compressi allo stato solido. Questo è un regime molto difficile in cui operare e alla fine ha richiesto molti sforzi e risorse per realizzarlo, " ha detto Krygier.

La motivazione principale degli esperimenti EXAFS è determinare la temperatura dei campioni a pressioni Mbar, condizioni come quelle al centro dei pianeti (1 Mbar =1 milione di volte la pressione atmosferica). "Con questo lavoro, ora abbiamo la possibilità di eseguire misurazioni EXAFS al NIF su un'ampia gamma di materiali e condizioni che prima non erano possibili in nessuna struttura del mondo."

A queste condizioni, dove i solidi possono essere compressi di un fattore due o più, i materiali possono avere proprietà molto diverse rispetto alle condizioni ambientali quotidiane. La sorgente di raggi X sviluppata in questo lavoro consentirà misurazioni di vari materiali a Z superiore che sono importanti per la missione del laboratorio. Questa piattaforma aprirà anche opportunità per la scoperta scientifica delle proprietà dei materiali in condizioni estreme.

La misurazione dell'EXAFS richiede il rilevamento di segnali che rappresentano una piccola percentuale del segnale complessivo ed è la ragione di fondo per cui il team si è impegnato così tanto nello sviluppo di un intenso, retroilluminazione spettrale liscia.

Yuan Ping, fisico LLNL e il capo della campagna del lavoro, ha affermato che i risultati concludono un successo nello sviluppo di retroilluminazione per il progetto EXAFS. "Le misurazioni EXAFS che utilizzano questo retroilluminazione sono già iniziate al NIF e si prevede che l'approccio consentirà misurazioni future che sono una parte fondamentale del supporto di LLNL al programma di gestione delle scorte di NNSA, " lei disse.

La disposizione preferita degli atomi o della struttura cristallina cambia con la temperatura e la pressione in molti materiali ed è attualmente studiata dalla piattaforma TARDIS (target diffraction in situ) al NIF. La struttura è anche una delle tante cose che influiscono sulla relazione tra pressione e densità, che è oggetto di indagine da parte della piattaforma di compressione della rampa al NIF, così come la forza, che è oggetto di indagine da parte della piattaforma RT presso NIF.

"Tutte queste importanti piattaforme mancano di misurazioni della temperatura, " Ha detto Krygier. "L'obiettivo della piattaforma EXAFS è testare i modelli termici alla base dell'equazione dei modelli di stato utilizzati nei codici idrodinamici e integrare le piattaforme di altri materiali".

C'è stato un grande sforzo per sviluppare sorgenti di raggi X utilizzando fogli riscaldati da altri team, ma questi sforzi si sono spesso concentrati su diverse energie dei raggi X o sull'ottimizzazione dell'emissione di linea (un'emissione di raggi X a energia ridotta risultante da una transizione atomica), disse Krygier.

"Gli esperimenti EXAFS richiedono esplicitamente un diverso tipo di sorgente di raggi X rispetto a molti altri al NIF, " ha detto. "Poiché il segnale EXAFS è codificato su un raggio relativamente ampio, ma specifico, gamma di energie dei raggi X, avevamo bisogno di ottimizzare l'emissione continua della banda larga nella gamma di energia multi-keV, al posto della linea di emissione, che è troppo limitato in termini di energia per EXAFS."

Il team ha stabilito che è possibile, utilizzando l'altissima densità di potenza dei laser NIF, per ionizzare il titanio nel suo guscio interno. "Questo alto grado di ionizzazione consente a un processo di emissione di raggi X continuo chiamato free-bound di diventare importante e dominare effettivamente l'emissione di raggi X continua complessiva, " Egli ha detto.

Krygier ha affermato che questo processo porta a un'emissione continua più forte nel regime multi-keV dal titanio rispetto all'argento o all'oro. "L'osservazione che il riscaldamento di una lamina di titanio produce un'emissione continua più forte rispetto all'argento o all'oro era inizialmente inaspettata, ma dopo un'attenta analisi dei dati, abbiamo determinato che le transizioni a rilegatura libera stavano giocando un ruolo importante. Alla fine, i dati e il modello concordano bene." ha detto.

Elia Kemp, fisico LLNL, aiutato nell'interpretazione dei dati con la modellazione rad-hydro (HYDRA) e atomic-cinetica (SCRAM) che ha contribuito a confermare l'interpretazione dei dati. Ha detto che gli scienziati hanno la tendenza a portare in giro una cassetta degli attrezzi standard di leggi di scala generalizzate per vari fenomeni fisici che portano all'ipotesi che un retroilluminazione d'oro supererebbe le prestazioni dell'argento e del titanio. È generalmente noto che l'emissione continua di raggi X aumenta con il numero atomico, però, il riscaldamento del campione al regime in cui le transizioni libere erano importanti ha permesso al titanio, il cui numero atomico è 22, per eclissare argento e oro, i cui numeri atomici sono 47 e 79, rispettivamente.

"Mentre queste scalature onnipresenti possono aiutare a guidare rapidamente la propria intuizione, possono anche portare a risultati apparentemente paradossali, " ha detto. "Uno dei messaggi più importanti di questo lavoro è quello di non fare affidamento ingenuamente su regole empiriche troppo generalizzate che sono così spesso impiegate per restringere prematuramente gli studi di ottimizzazione dei parametri".

Sforzo di gruppo

Questo sforzo ha richiesto al team di guardare oltre i tipici processi di emissione di raggi X per comprendere i dati degli esperimenti. Si sono affidati a esperti in un'ampia gamma di discipline, tra cui la scienza dei materiali, fisica del plasma, Spettroscopia a raggi X e simulazione idrodinamica durante la pianificazione e l'analisi.

Inizialmente il team era concentrato su un approccio diverso, usando capsule implosive, ma alla fine ha determinato che non avrebbe prodotto abbastanza raggi X per effettuare misurazioni EXAFS.

"È una delle poche volte in cui la scienza funziona davvero nel modo in cui viene rappresentata nei film con tutti i membri del team in una stanza (ai tempi in cui potevamo incontrarci nelle stanze) proponendo idee su una lavagna, " ha detto Krygier. "Risultati come questo sono un vero testamento per l'ambiente di ricerca di livello mondiale che esiste a LLNL."