Os pesquisadores do Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) desenvolveram uma fonte de raios-X que pode diagnosticar a temperatura em experimentos que sondam condições como as do centro dos planetas.

A nova fonte será usada para realizar experimentos de estrutura fina de absorção de raios-X estendida (EXAFS) no National Ignition Facility (NIF). O trabalho foi publicado em Cartas de Física Aplicada e foi apresentado como Escolha do Editor.

"Ao longo de uma série de experimentos de desenvolvimento de fontes de raios-X no NIF, fomos capazes de determinar que folhas de titânio (Ti) produzem 30 vezes mais raios-X contínuos do que retroiluminadores de cápsula de implosão na faixa espectral de raios-X de interesse e entre duas a quatro vezes mais do que folhas de ouro (Au) sob condições de laser idênticas, "disse Andy Krygier, Físico e autor principal do LLNL.

Compreendendo a estrutura fina de absorção de raios-X estendida

"Embora haja muitos usos para fontes de raios-X, o trabalho foi focado principalmente em tornar possível medir EXAFS de materiais altamente comprimidos no estado sólido. Este é um regime muito difícil de operar e, em última análise, exigiu muito esforço e recursos para ser realizado, "Krygier disse.

A principal motivação dos experimentos EXAFS é determinar a temperatura das amostras nas pressões Mbar - condições como aquelas no centro dos planetas (1 Mbar =1 milhão de vezes a pressão atmosférica). “Com este trabalho, agora temos a capacidade de realizar medições EXAFS no NIF em uma ampla gama de materiais e condições que não eram possíveis anteriormente em qualquer instalação do mundo. "

Nessas condições, onde os sólidos podem ser comprimidos por um fator de dois ou mais, os materiais podem ter propriedades totalmente diferentes das condições ambientais do dia-a-dia. A fonte de raios-X desenvolvida neste trabalho permitirá medições de vários materiais de Z superior que são importantes para a missão do laboratório. Esta plataforma também abrirá oportunidades para descobertas científicas em propriedades de materiais sob condições extremas.

Medir EXAFS requer a detecção de sinais que são uma pequena porcentagem do sinal geral e é a razão subjacente de que a equipe se esforçou tanto para desenvolver um intenso, backlighter espectralmente suave.

Yuan Ping, Físico do LLNL e líder de campanha do trabalho, disse que os resultados concluem um sucesso no desenvolvimento de backlighter para o projeto EXAFS. "As medições EXAFS usando este backlighter já começaram no NIF e a abordagem deve permitir medições futuras que são uma parte crítica do apoio do LLNL ao Programa de Gerenciamento de Estoque da NNSA, " ela disse.

O arranjo preferido de átomos ou estrutura de cristal muda com a temperatura e pressão em muitos materiais e é atualmente investigado pela plataforma TARDIS (difração de alvo in situ) no NIF. A estrutura também é uma das muitas coisas que impactam a relação entre pressão e densidade, que está sob investigação pela plataforma de compressão de rampa da NIF, assim como a força, que está sob investigação pela plataforma RT do NIF.

"Todas essas plataformas importantes carecem de medições de temperatura, "Krygier disse." O objetivo da plataforma EXAFS é testar os modelos térmicos que sustentam os modelos de equação de estado usados ​​em códigos de hidrodinâmica, bem como complementar as outras plataformas de materiais. "

Tem havido muito esforço para desenvolver fontes de raios-X usando folhas aquecidas por outras equipes, mas esses esforços muitas vezes se concentraram em diferentes energias de raios-X ou na otimização da linha de emissão (uma emissão de raios-X estreita em energia resultante de uma transição atômica), Krygier disse.

"Os experimentos EXAFS exigem explicitamente um tipo diferente de fonte de raios-X do que muitos outros no NIF, "disse ele." Como o sinal EXAFS é codificado em um formato relativamente amplo, mas específico, gama de energias de raios-X, precisávamos otimizar a emissão contínua de banda larga na faixa de energia multi-keV, em vez da emissão da linha, o que é muito estreito em energia para EXAFS. "

A equipe determinou que é possível, usando a densidade de potência muito alta dos lasers NIF, para ionizar titânio em sua concha interna. "Este alto grau de ionização permite que um processo contínuo de emissão de raios-X chamado de limite livre se torne importante e realmente domine a emissão de raios-X contínua geral, " ele disse.

Krygier disse que este processo leva a uma emissão contínua mais forte no regime multi-keV do titânio do que da prata ou ouro. "A observação de que o aquecimento de uma folha de titânio produz emissão contínua mais forte do que com prata ou ouro foi inicialmente inesperada, mas depois de uma análise cuidadosa dos dados, determinamos que as transições de limite livre estavam desempenhando um papel importante. No fim, os dados e o modelo concordam perfeitamente ", disse ele.

Elijah Kemp, Físico LLNL, auxiliou na interpretação dos dados com a modelagem rad-hidro (HYDRA) e atômica-cinética (SCRAM) que ajudou a confirmar a interpretação dos dados. Ele disse que os cientistas têm uma tendência a carregar uma caixa de ferramentas padrão de leis de escala generalizadas para vários fenômenos físicos que levam à suposição de que um retroiluminador de ouro superaria a prata e o titânio. A emissão contínua de raios-X é geralmente conhecida por aumentar com o número atômico, Contudo, aquecer a amostra para o regime em que as transições de limite livre foram importantes habilitados titânioi, cujo número atômico é 22, para ofuscar prata e ouro, cujos números atômicos são 47 e 79, respectivamente.

"Embora essas escalas onipresentes possam ajudar a guiar rapidamente a intuição, eles também podem levar a resultados aparentemente paradoxais, ", disse ele." Uma das mensagens mais importantes deste trabalho é não confiar ingenuamente em regras gerais generalizadas que são frequentemente empregadas para restringir prematuramente os estudos de otimização de parâmetros. "

Esforço de equipe

Esse esforço exigiu que a equipe olhasse além dos processos típicos de emissão de raios-X para entender os dados dos experimentos. Eles contaram com especialistas em uma ampla gama de disciplinas, incluindo ciência dos materiais, física do plasma, Espectroscopia de raios-X e simulação hidrodinâmica durante o planejamento e análise.

A equipe estava inicialmente focada em uma abordagem diferente, usando cápsulas implodindo, mas acabou determinando que não produziria raios-X suficientes para fazer medições EXAFS.

"É uma das poucas vezes em que a ciência realmente funciona da maneira como é retratada nos filmes, com todos da equipe em uma sala (quando podíamos nos reunir em salas) propondo ideias em um quadro branco, "Krygier disse." Resultados como este são uma verdadeira prova do ambiente de pesquisa de classe mundial que existe no LLNL. "