Los físicos Manfred Bitter, superior derecha, y Novimir Pablant, abajo a la izquierda, con figuras del cartel de diseño de espectrómetro. Los bocetos incluyen cámara de destino para plasmas producidos con láser, centro superior, y un espectrómetro de cristal, inferior derecha. Crédito:Elle Starkman / Oficina de Comunicaciones de PPPL.
Plasmas de alta densidad de energía producidos por láser, similar a los que se encuentran en las estrellas, explosiones nucleares, y el núcleo de planetas gigantes, puede ser el estado de materia más extremo creado en la Tierra. Ahora, los científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), sobre la base de casi una década de colaboración con la Instalación Nacional de Encendido (NIF) en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) del DOE, han diseñado un nuevo espectrómetro de cristal de rayos X para proporcionar mediciones de alta resolución de una característica desafiante de los plasmas HED producidos por NIF.
Láseres más potentes
La colaboración con NIF, hogar de los láseres más grandes y potentes del mundo, representa una expansión importante para los diseños de espectrómetros de cristal de rayos X de PPPL, que utilizan los laboratorios de fusión de todo el mundo para registrar en detectores el espectro de rayos X del plasma:gases de electrones y núcleos atómicos, o iones, que alimentan las reacciones de fusión. Estos instrumentos PPPL miden perfiles de parámetros clave como las temperaturas de iones y electrones en grandes volúmenes de plasmas calientes que están confinados magnéticamente en dispositivos de fusión tokamak en forma de rosquilla para facilitar las reacciones de fusión. Por el contrario, Los plasmas HED producidos con láser NIF son diminutos, Sustancias puntuales que requieren espectrómetros de diseño diferente para estudios de alta resolución.
"Anteriormente construimos un espectrómetro para el NIF que ha tenido bastante éxito, "dijo el físico Manfred Bitter, miembro desde hace mucho tiempo del equipo de diseño de PPPL. Ese espectrómetro entregado en 2017, proporciona mediciones de alta resolución de la temperatura y densidad de plasmas extremos NIF para experimentos de fusión por confinamiento inercial, y los datos obtenidos se han presentado en charlas invitadas y publicaciones revisadas por pares.
Los experimentos HED difieren de los experimentos confinados magnéticamente que PPPL realiza en muchos aspectos. Una diferencia importante que afecta el diseño de los espectrómetros es el pequeño tamaño de los plasmas HED producidos con láser, cuyos volúmenes son típicamente del orden de un milímetro cúbico y pueden considerarse como fuentes de rayos X puntuales. Este pequeño tamaño se compara con los plasmas tokamak extendidos, que tienen volúmenes de varios metros cúbicos y requieren diseños de diagnóstico muy diferentes.
Nuevos desafíos de diseño
El nuevo espectrómetro de PPPL para NIF responde a nuevos desafíos de diseño. Piden medir una estructura fina en los espectros de rayos X de los plasmas HED que revele su estado de la materia en condiciones extremas. Tales mediciones pueden mostrar si los iones en el plasma altamente comprimido están al azar, o disposición fluida, o en una disposición similar a una celosía más ordenada que es típica de un sólido.
Este estado crítico de la materia se puede detectar en lo que se llama Estructura fina de absorción de rayos X extendida (EXAFS), el término técnico para las pequeñas variaciones de intensidad, o se menea, en el espectro de energía de rayos X registrado por espectrómetros de cristal. "Las formas de cristal estándar que se han utilizado para el diagnóstico de plasmas HED, hasta aquí, no se puede utilizar en este caso, "dijo Bitter, autor principal de un artículo en el Revisión de instrumentos científicos que describe el espectrómetro PPPL que se está fabricando para el NIF. "Su resolución y rendimiento de fotones no son lo suficientemente altos e introducen imágenes y otros errores".
Estos son los retos que debe afrontar el nuevo espectrómetro de cristal, Bitter dijo:
Bitter y el físico de PPPL Novimir Pablant trabajaron juntos para diseñar el nuevo espectrómetro. A Bitter se le ocurrió la idea de dar forma al cristal que refleja el espectro en forma de lo que se llama una espiral sinusoidal. Estas espirales denotan una familia de curvas cuyas formas pueden determinarse para asumir cualquier valor real, lo que permite seleccionar una forma especial de cristal. Pablant, quien fue coautor del Revisión de instrumentos científicos papel, creó un código de computadora para diseñar el cristal sinusoidal en un proceso que describe en un artículo adjunto enviado recientemente a la misma revista.
"Desarrollé un código que me permitiría modelar la complicada forma tridimensional del cristal y simular el rendimiento de este nuevo diseño de espectrómetro, ", Dijo Pablant. Las simulaciones mostraron que el rendimiento del cristal marcó" una mejora de cinco veces en la resolución de energía para este proyecto NIF en comparación con su diseño de espectrómetro anterior ".
La colaboración se trasladará a NIF en octubre cuando el nuevo espectrómetro esté programado para probar allí, con investigadores de ambos laboratorios esperando ansiosamente los resultados. "Los experimentos en el NIF que miden el espectro EXFAS a altas energías de rayos X han tenido señales bajas, "dijo Marilyn Schneider, líder del Grupo de Propiedades Radiativas de la Dirección de Física y Ciencias de la Vida del LLNL y coautor del artículo. "El diseño del espectrómetro descrito en el documento concentra la señal baja y aumenta la relación señal-ruido mientras mantiene la alta resolución requerida para observar EXAFS, " ella dijo.
La verificación experimental es el siguiente paso requerido. "Llegamos a este diseño después de varios intentos y estamos seguros de que funcionará, ", dijo Bitter." Pero aún no hemos probado el diseño en NIF y debemos ver cómo funciona en el otoño ".
