Los investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) han desarrollado una fuente de rayos X que puede diagnosticar la temperatura en experimentos que sondean condiciones como las del centro mismo de los planetas.

La nueva fuente se utilizará para realizar experimentos de estructura fina de absorción de rayos X extendida (EXAFS) en la Instalación Nacional de Ignición (NIF). El trabajo fue publicado en Letras de física aplicada y apareció como una selección del editor.

"Durante una serie de experimentos de desarrollo de fuentes de rayos X en NIF, pudimos determinar que las láminas de titanio (Ti) producen 30 veces más rayos X continuos que los retroiluminadores de cápsulas de implosión en el rango espectral de rayos X de interés y entre dos y cuatro veces más que las láminas de oro (Au) en condiciones de láser idénticas, "dijo Andy Krygier, Físico y autor principal del LLNL.

Comprensión de la estructura fina de absorción de rayos X extendida

"Si bien hay muchos usos para las fuentes de rayos X, el trabajo se centró principalmente en hacer posible medir EXAFS de materiales altamente comprimidos en estado sólido. Este es un régimen muy difícil de operar y, en última instancia, requirió mucho esfuerzo y recursos para lograrlo. "Dijo Krygier.

La motivación principal de los experimentos EXAFS es determinar la temperatura de las muestras a presiones de Mbar, condiciones como las del centro mismo de los planetas (1 Mbar =1 millón de veces la presión atmosférica). "Con este trabajo, ahora tenemos la capacidad de realizar mediciones EXAFS en NIF en una amplia gama de materiales y condiciones que antes no eran posibles en ninguna instalación del mundo ".

En estas condiciones, donde los sólidos se pueden comprimir por un factor de dos o más, los materiales pueden tener propiedades tremendamente diferentes a las de las condiciones ambientales cotidianas. La fuente de rayos X desarrollada en este trabajo permitirá mediciones de varios materiales de Z superior que son importantes para la misión del laboratorio. Esta plataforma también abrirá oportunidades para el descubrimiento científico de las propiedades de los materiales en condiciones extremas.

Medir EXAFS requiere detectar señales que son un pequeño porcentaje de la señal general y es la razón subyacente por la que el equipo se ha esforzado tanto en desarrollar una intensa, Luz de fondo espectralmente suave.

Yuan Ping, Físico de LLNL y líder de campaña del trabajo, dijo que los hallazgos concluyen un éxito en el desarrollo de retroiluminación para el proyecto EXAFS. "Las mediciones EXAFS que utilizan este retroiluminación ya han comenzado en NIF y se espera que el enfoque permita futuras mediciones que son una parte fundamental del apoyo de LLNL al Programa de administración de existencias de NNSA, " ella dijo.

La disposición preferida de los átomos o la estructura cristalina cambia con la temperatura y la presión en muchos materiales y actualmente está investigada por la plataforma TARDIS (difracción objetivo in situ) en NIF. La estructura también es una de las muchas cosas que afectan la relación entre la presión y la densidad, que está siendo investigado por la plataforma de compresión de rampa en NIF, así como la fuerza, que está siendo investigado por la plataforma RT en NIF.

"Todas estas importantes plataformas carecen de mediciones de temperatura, Krygier dijo:"El objetivo de la plataforma EXAFS es probar los modelos térmicos que sustentan la ecuación de los modelos de estado utilizados en los códigos de hidrodinámica, así como complementar las otras plataformas de materiales".

Ha habido mucho esfuerzo en el desarrollo de fuentes de rayos X utilizando láminas calentadas por otros equipos, pero estos esfuerzos a menudo se han centrado en diferentes energías de rayos X o en la optimización de la emisión de línea (una emisión de rayos X de energía estrecha resultante de una transición atómica), Dijo Krygier.

"Los experimentos EXAFS requieren explícitamente un tipo diferente de fuente de rayos X que muchos otros en NIF, ", dijo." Debido a que la señal EXAFS está codificada en un pero específico, rango de energías de rayos X, necesitábamos optimizar la emisión continua de banda ancha en el rango de energía multi-keV, en lugar de la emisión de línea, que es demasiado limitado en energía para EXAFS ".

El equipo ha determinado que es posible, mediante el uso de la densidad de potencia muy alta de los láseres NIF, para ionizar el titanio en su capa interior. "Este alto grado de ionización permite que un proceso continuo de emisión de rayos X llamado enlace libre se vuelva importante y de hecho domine la emisión continua de rayos X en general, " él dijo.

Krygier dijo que este proceso conduce a una emisión continua más fuerte en el régimen multi-keV del titanio que de la plata o el oro. "La observación de que calentar una lámina de titanio produce una emisión continua más fuerte que con plata u oro fue inicialmente inesperada, pero después de un cuidadoso análisis de datos, determinamos que las transiciones de límite libre estaban jugando un papel importante. En el final, los datos y el modelo concuerdan muy bien ", dijo.

Elijah Kemp, Físico de LLNL, ayudó en la interpretación de los datos con los modelos rad-hydro (HYDRA) y atomic-kinetics (SCRAM) que ayudaron a confirmar la interpretación de los datos. Dijo que los científicos tienen una tendencia a llevar consigo una caja de herramientas estándar de leyes de escala generalizadas para varios fenómenos físicos que llevan a la suposición de que un retroiluminación de oro superaría a la plata y al titanio. Se sabe que la emisión continua de rayos X aumenta con el número atómico, sin embargo, calentar la muestra al régimen donde las transiciones de unión libre eran importantes permitieron titaniumi, cuyo número atómico es 22, para eclipsar la plata y el oro, cuyos números atómicos son 47 y 79, respectivamente.

"Si bien estas escalas ubicuas pueden ayudar a guiar rápidamente la intuición, también pueden conducir a resultados aparentemente paradójicos, ", dijo." Uno de los mensajes más importantes de este trabajo es no confiar ingenuamente en reglas generales sobregeneralizadas que se emplean tan a menudo para reducir prematuramente los estudios de optimización de parámetros ".

Esfuerzo de equipo

Este esfuerzo requirió que el equipo mirara más allá de los procesos típicos de emisión de rayos X para comprender los datos de los experimentos. Confiaron en expertos en una amplia gama de disciplinas, incluida la ciencia de los materiales, física del plasma, Espectroscopia de rayos X y simulación hidrodinámica durante la planificación y el análisis.

El equipo se centró inicialmente en un enfoque diferente, usando cápsulas de implosión, pero finalmente determinó que no iba a producir suficientes rayos X para realizar mediciones EXAFS.

"Es una de las pocas ocasiones en las que la ciencia funciona como se muestra en las películas, con todos los miembros del equipo en una sala (cuando podíamos reunirnos en las salas) proponiendo ideas en una pizarra, ", Dijo Krygier." Resultados como este son un testimonio real del entorno de investigación de clase mundial que existe en LLNL ".