Plasmi ad alta densità di energia prodotti al laser, simili a quelli che si trovano nelle stelle, esplosioni nucleari, e il nucleo di pianeti giganti, potrebbe essere lo stato più estremo della materia creato sulla Terra. Ora gli scienziati del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), basandosi su quasi un decennio di collaborazione con il National Ignition Facility (NIF) presso il Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) del DOE, hanno progettato un nuovo spettrometro a cristalli a raggi X per fornire misurazioni ad alta risoluzione di una caratteristica impegnativa dei plasmi HED prodotti da NIF.

Laser più potenti

La collaborazione con NIF, sede dei laser più grandi e potenti del mondo, rappresenta un'importante espansione per i progetti di spettrometri a cristalli a raggi X di PPPL, che vengono utilizzati dai laboratori di fusione di tutto il mondo per registrare sui rivelatori lo spettro dei raggi X dal plasma:gas di elettroni e nuclei atomici, o ioni, che alimentano le reazioni di fusione. Questi strumenti PPPL misurano i profili di parametri chiave come le temperature di ioni ed elettroni in grandi volumi di plasmi caldi che sono confinati magneticamente in dispositivi di fusione tokamak a forma di ciambella per facilitare le reazioni di fusione. Al contrario, I plasmi HED prodotti dal laser NIF sono minuscoli, sostanze puntiformi che richiedono spettrometri progettati diversamente per studi ad alta risoluzione.

"In precedenza abbiamo costruito uno spettrometro per il NIF che ha avuto un discreto successo, " ha detto il fisico Manfred Bitter, un membro di lunga data del team di progettazione PPPL. quello spettrometro, consegnato nel 2017, fornisce misurazioni ad alta risoluzione della temperatura e della densità dei plasmi estremi NIF per esperimenti di fusione a confinamento inerziale, e i dati ottenuti sono stati presentati in conferenze su invito e pubblicazioni sottoposte a revisione paritaria.

Gli esperimenti HED differiscono dagli esperimenti confinati magneticamente che PPPL conduce sotto molti aspetti. Una delle principali differenze che influenza la progettazione degli spettrometri è la piccola dimensione dei plasmi HED prodotti dal laser, i cui volumi sono tipicamente dell'ordine del millimetro cubo e possono essere considerati come sorgenti di raggi X puntiformi. Questa piccola dimensione è paragonabile ai plasmi tokamak estesi, che hanno volumi di diversi metri cubi e richiedono progettazioni diagnostiche molto diverse.

Nuove sfide di design

Il nuovo spettrometro di PPPL per NIF risponde a nuove sfide di progettazione. Richiedono la misurazione di una struttura fine negli spettri dei raggi X dei plasmi HED che rivela il loro stato della materia in condizioni estreme. Tali misurazioni possono mostrare se gli ioni nel plasma altamente compresso sono in modo casuale, o disposizione fluida, o in una disposizione a reticolo più ordinata tipica di un solido.

Questo stato critico della materia può essere rilevato in quella che viene chiamata la struttura fine di assorbimento dei raggi X estesa (EXAFS), il termine tecnico per le minuscole variazioni di intensità, o si muove, nello spettro di energia dei raggi X registrato dagli spettrometri a cristallo. "Le forme cristalline standard che sono state utilizzate per la diagnosi dei plasmi HED, finora, non può essere utilizzato in questo caso, " disse Amaro, autore principale di un articolo in Rassegna di strumenti scientifici che descrive lo spettrometro PPPL fabbricato per il NIF. "La loro risoluzione e il throughput di fotoni non sono sufficientemente elevati e introducono immagini e altri errori".

Queste sono le sfide che il nuovo spettrometro a cristallo deve affrontare, Amaro ha detto:

• Per ridurre gli errori statistici, il design deve essere adattato ad un elevato throughput di fotoni, le particelle di luce emesse dalle sorgenti di raggi X e da tutte le altre sorgenti luminose. Il cristallo riflettente i raggi X deve quindi avere una vasta area senza introdurre nessuno degli errori di imaging che i grandi cristalli standard tendono a produrre.
• Il cristallo deve riflettere l'ampia gamma di energie dei raggi X su cui si osserva la struttura fine.
• Finalmente, la disposizione del cristallo e del rivelatore deve ridurre al minimo gli effetti di quello che viene chiamato allargamento della dimensione della sorgente. Questo problema deriva dal piccolo, ma non trascurabile, dimensioni di un plasma HED prodotto da laser che si deteriora, o pasticci, la risoluzione spettrale. Le forme cristalline standard che sono state utilizzate fino ad ora non possono eliminare completamente o minimizzare questi effetti di allargamento.

Il fisico di Bitter e PPPL Novimir Pablant ha lavorato insieme per progettare il nuovo spettrometro. Bitter ha avuto l'idea di modellare il cristallo che rispecchia lo spettro sotto forma di quella che viene chiamata una spirale sinusoidale. Queste spirali denotano una famiglia di curve le cui forme possono essere determinate per assumere qualsiasi valore reale, rendendo possibile selezionare una forma speciale di cristallo. Pablante, chi ha co-autore del Rassegna di strumenti scientifici carta, ha creato un codice per computer per progettare il cristallo sinusoidale in un processo che ha delineato in un articolo recentemente inviato alla stessa rivista.

"Ho sviluppato un codice che mi avrebbe permesso di modellare la complicata forma 3-D del cristallo e simulare le prestazioni di questo nuovo design dello spettrometro, " Pablant ha detto. Le simulazioni hanno mostrato che le prestazioni del cristallo hanno segnato "un miglioramento di cinque volte nella risoluzione energetica per questo progetto NIF rispetto al loro precedente design dello spettrometro".

La collaborazione si sposterà al NIF in ottobre, quando il nuovo spettrometro sarà testato lì, con i ricercatori di entrambi i laboratori in trepidante attesa dei risultati. "Gli esperimenti al NIF che misurano lo spettro EXFAS ad alte energie dei raggi X hanno avuto segnali bassi, "ha detto Marilyn Schneider, leader del Radiative Properties Group presso la Physics and Life Sciences Directorate di LLNL e coautore dell'articolo. "Il design dello spettrometro descritto nel documento concentra il segnale basso e aumenta il rapporto segnale-rumore mantenendo l'alta risoluzione richiesta per osservare EXAFS, " lei disse.

La verifica sperimentale è il passaggio successivo richiesto. "Siamo arrivati ​​a questo progetto dopo diversi tentativi e siamo fiduciosi che funzionerà, " ha detto Bitter. "Ma non abbiamo ancora testato il design al NIF e dobbiamo vedere come si comporta in autunno".