Plasmas de alta densidade de energia produzidos a laser, semelhantes aos encontrados nas estrelas, explosões nucleares, e o núcleo de planetas gigantes, pode ser o estado de matéria mais extremo criado na Terra. Agora cientistas do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE), com base em quase uma década de colaboração com a National Ignition Facility (NIF) no Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) do DOE, projetaram um novo espectrômetro de cristal de raios-X para fornecer medições de alta resolução de um recurso desafiador de plasmas HED produzidos por NIF.

Lasers mais poderosos

A colaboração com NIF, lar dos maiores e mais poderosos lasers do mundo, representa uma grande expansão para os projetos de espectrômetro de cristal de raios-X do PPPL, que são usados ​​por laboratórios de fusão em todo o mundo para registrar em detectores o espectro de raios-X do plasma - gases de elétrons e núcleos atômicos, ou íons - que alimentam as reações de fusão. Esses instrumentos PPPL medem perfis de parâmetros-chave, como as temperaturas do íon e do elétron em grandes volumes de plasmas quentes que são magneticamente confinados em dispositivos de fusão tokamak em forma de donut para facilitar as reações de fusão. Por contraste, Plasmas HED produzidos a laser NIF são minúsculos, substâncias pontuais que requerem espectrômetros com projetos diferentes para estudos de alta resolução.

"Anteriormente, construímos um espectrômetro para o NIF que teve muito sucesso, "disse o físico Manfred Bitter, um membro de longa data da equipe de design PPPL. Esse espectrômetro, entregue em 2017, fornece medições de alta resolução da temperatura e densidade de plasmas extremos NIF para experimentos de fusão de confinamento inercial, e os dados obtidos foram apresentados em palestras convidadas e publicações revisadas por pares.

Os experimentos HED diferem dos experimentos confinados magneticamente que o PPPL conduz em muitos aspectos. A principal diferença que afeta o design dos espectrômetros é o tamanho pequeno dos plasmas HED produzidos a laser, cujos volumes são normalmente da ordem de um milímetro cúbico e podem ser considerados fontes de raios-X semelhantes a pontos. Este tamanho pequeno se compara aos plasmas tokamak estendidos, que têm volumes de vários metros cúbicos e requerem projetos diagnósticos muito diferentes.

Novos desafios de design

O novo espectrômetro do PPPL para o NIF responde a novos desafios de design. Eles exigem a medição de uma estrutura fina no espectro de raios-X dos plasmas HED que revela seu estado da matéria sob condições extremas. Essas medições podem mostrar se os íons no plasma altamente comprimido estão aleatoriamente, ou arranjo semelhante a um fluido, ou em um arranjo semelhante a uma rede mais ordenada que é típico para um sólido.

Este estado crítico da matéria pode ser detectado no que é chamado de Estrutura Fina de Absorção de Raios-X Estendida (EXAFS) - o termo técnico para as pequenas variações de intensidade, ou meneia, no espectro de energia de raios-X registrado por espectrômetros de cristal. "As formas de cristal padrão que têm sido usadas para o diagnóstico de plasmas HED, até aqui, não pode ser usado neste caso, "disse Bitter, autor principal de um artigo no Revisão de instrumentos científicos que descreve o espectrômetro PPPL sendo fabricado para o NIF. "Sua resolução e taxa de transferência de fótons não são altas o suficiente e eles introduzem imagens e outros erros."

Estes são os desafios que o novo espectrômetro de cristal deve enfrentar, Bitter disse:

• Para reduzir erros estatísticos, o design deve ser adaptado a um alto rendimento de fótons, as partículas de luz que as fontes de raios-X e todas as outras fontes de luz emitem. O cristal refletor de raios X deve, portanto, ter uma grande área sem introduzir nenhum dos erros de imagem que os grandes cristais padrão tendem a produzir.
• O cristal deve refletir a ampla gama de energias de raios-X sobre as quais a estrutura fina é observada.
• Finalmente, os arranjos de cristal e detector devem minimizar os efeitos do que é chamado de ampliação do tamanho da fonte. Este problema resulta do pequeno, mas não desprezível, tamanho de um plasma HED produzido a laser que se deteriora, ou confusões, a resolução espectral. As formas de cristal padrão que foram usadas até agora não podem eliminar totalmente ou minimizar esses efeitos de alargamento.

O físico Novimir Pablant de Bitter e do PPPL trabalharam juntos para projetar o novo espectrômetro. Bitter surgiu com a ideia de moldar o cristal que espelha o espectro na forma do que é chamado de espiral senoidal. Essas espirais denotam uma família de curvas cujas formas podem ser determinadas para assumir qualquer valor real, tornando possível selecionar uma forma especial de cristal. Pablant, quem foi co-autor do Revisão de instrumentos científicos papel, criou um código de computador para projetar o cristal sinusoidal em um processo que ele descreve em um artigo recentemente enviado ao mesmo jornal.

"Desenvolvi um código que me permitiria modelar a complicada forma 3-D do cristal e simular o desempenho deste novo design de espectrômetro, "Disse Pablant. As simulações mostraram que o desempenho do cristal marcou" uma melhoria de cinco vezes na resolução de energia para este projeto NIF em comparação com o design do espectrômetro anterior. "

A colaboração mudará para o NIF em outubro, quando o novo espectrômetro será testado lá, com pesquisadores em ambos os laboratórios aguardando ansiosamente os resultados. "Os experimentos no NIF que medem o espectro EXFAS em altas energias de raios-X tiveram sinais baixos, "disse Marilyn Schneider, líder do Grupo de Propriedades Radiativas na Diretoria de Física e Ciências da Vida do LLNL e co-autor do artigo. "O design do espectrômetro descrito no artigo concentra o sinal baixo e aumenta a relação sinal-ruído, enquanto mantém a alta resolução necessária para observar o EXAFS, " ela disse.

A verificação experimental é a próxima etapa necessária. "Chegamos a este projeto após várias tentativas e estamos confiantes de que funcionará, "disse Bitter." Mas ainda não testamos o projeto no NIF e devemos ver como ele se comporta no outono. "