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研究人员开发了在NIF进行测量所需的X射线源

X射线源 激光器
发布:2021-01-07 10:10:15     来源:劳伦斯·利弗莫尔国家实验室


此图显示了NIF的完整EXAFS样本,背光灯和激光器配置。

Newswise —劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的研究人员开发了一种X射线源,可以在探测诸如行星正中心条件的实验中诊断温度。

新的放射源将用于在国家点火设施进行扩展的X射线吸收精细结构(EXAFS)实验。该作品发表在《应用物理快报》上,并被《编辑精选》收录。

“在NIF进行的一系列X射线源开发实验中,我们能够确定,在感兴趣的X射线光谱范围内,钛箔(Ti)产生的连续X射线强度比内爆胶囊背光灯高出30倍,并且两次发射之间在相同的激光条件下,金箔的厚度是金箔的四倍。”

了解扩展的X射线吸收精细结构

“尽管X射线源有许多用途,但工作主要集中在使固态固态高压缩材料的EXAFS测量成为可能。这是一个非常困难的制度,最终需要大量的精力和资源才能完成。” EXAFS实验的主要动机是确定在Mbar压力下的样品温度-这种条件类似于行星正中心(1 Mbar = 1百万倍大气压)。“通过这项工作,我们现在能够在NIF上对世界范围内任何工厂以前不可能实现的各种材料和条件进行EXAFS测量。”

在这些条件下,固体可被压缩两倍或更多倍,与日常环境条件相比,该材料的性能可能大不相同。通过这项工作开发的X射线源将能够测量对实验室任务至关重要的各种高Z材料。该平台还将为极端条件下材料特性的科学发现提供机会。

测量EXAFS需要检测占总信号百分之几的信号,这是我们投入大量精力开发强度高,光谱平滑的背光源的根本原因。

LLNL的物理学家,研究工作的负责人袁平说,这些发现总结出EXAFS项目的背光源开发成功。她说:“使用该背光源进行EXAFS测量已经在NIF进行,预计该方法将使将来的测量成为LLNL支持NNSA的库存管理计划的关键部分。”

在许多材料中,原子或晶体结构的首选排列方式随温度和压力而变化,目前正在NIF的TARDIS(原位目标衍射)平台进行研究。结构也是影响压力与密度之间关系的众多因素之一,这是由NIF的斜面压缩平台进行研究的,而强度则由NIF的RT平台进行研究。

“所有这些重要平台都缺乏温度测量,” Krygier说。“ EXAFS平台的目标是测试热模型,这些模型是流体力学代码中所使用的状态模型方程的基础,并且是对其他材料平台的补充。”

其他团队使用热箔开发X射线源的工作很多,但是这些努力通常集中在不同的X射线能量或优化线发射(原子产生的窄能X射线发射)上。转换),Krygier说。

他说:“ EXAFS实验明确要求与NIF的许多其他类型的X射线源不同,” “由于EXAFS信号是在相对较宽但特定的X射线能量范围内编码的,因此我们需要在多keV能量范围内优化宽带连续谱发射,而不是在太窄的范围内进行线路发射。 EXAFS的能量。”

研究小组已经确定,通过使用NIF激光器的高功率密度,可以将钛离子化到其内壳中。他说:“这种高度的电离作用使称为自由束缚的连续X射线发射过程变得很重要,并实际上主导了整个连续X射线的发射。”

Krygier说,在多keV体制下,这一过程导致钛比银或金更强的连续发射。“最初观察到加热钛箔会产生比银或金更强的连续辐射的观察,但是,经过仔细的数据分析,我们确定自由结合的过渡起着重要的作用。最后,数据和模型非常吻合。” 他说。

LLNL的物理学家Elijah Kemp通过rad-hydro(HYDRA)和原子动力学(SCRAM)建模帮助解释了数据,从而帮助确认了数据解释。他说,科学家倾向于围绕各种物理现象使用标准的比例尺定律工具箱,从而导致人们认为金背光源的性能优于银和钛。众所周知,连续X射线的发射会随着原子序数的增加而增加,但是,将样品加热到自由结合跃迁非常重要的状态下,原子序数为22的Ti可以胜过原子序数为47的Ag和Au。和79。

他说:“尽管这些无处不在的标度可以帮助快速指导一个人的直觉,但它们也可能导致看似矛盾的结果。” “这项工作最重要的信息之一就是不要天真地依赖过于笼统的经验法则,这种经验法则经常被用来过早地缩小参数优化研究的范围。”

团队合作

这项工作需要团队超越典型的X射线发射过程来了解实验数据。该团队在规划和分析过程中依靠包括材料科学,等离子物理,X射线光谱学和流体力学模拟在内的广泛学科的专家。

该团队最初专注于使用爆破胶囊的另一种方法,但最终确定它不会产生足够的X射线来进行EXAFS测量。

Krygier说:“这是科学在电影中真实地发挥作用的几次机会之一,团队中的每个人都在一个房间里(当我们可以在房间里见面时)在白板上提出想法。” “这样的结果是对LLNL存在的世界级研究环境的真实证明。”

国家点火装置

National Ignition Facility,缩写作 NIF,又称国家点燃实验设施[1],是美国的一座基于激光的惯性约束核聚变(ICF)装置。这个设施由劳伦斯利福摩尔国家实验室建造,位于加州的利佛摩市。NIF意图使用激光(Laser)达成极大高温高压施加于一小粒氢燃料球上启动核聚变反应。NIF也是人类史上最大的ICF设施和世界上最大的激光装置[2],其目标是实现点火,以令其聚变燃料进入点燃状态。

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