Disposition du spectromètre, qui fournira des mesures à haute résolution d’une caractéristique difficile de la matière à haute densité d’énergie produite par les expériences du National Ignition Facility. Crédit : Image de Neil Ose LLNL
Les scientifiques du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont collaboré avec le Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) pour concevoir un nouveau spectromètre à cristal à rayons X afin de fournir des mesures à haute résolution d’une caractéristique difficile de la matière à haute densité d’énergie (HED) produite par les expériences du National Ignition Facility (NIF).
Le travail est présenté dans un article[1] dans le Examen des instruments scientifiques qui décrit la nouvelle forme de cristal fabriquée pour le NIF, le laser le plus énergétique au monde.
Les plasmas à haute densité d’énergie produits par laser, similaires à ceux trouvés dans les étoiles, les explosions nucléaires et le noyau des planètes géantes, peuvent être l’état de la matière le plus extrême créé sur Terre.
PPPL a déjà construit un spectromètre pour le NIF qui a eu beaucoup de succès. Le spectromètre, livré en 2017, fournit des mesures à haute résolution de la température et de la densité des plasmas extrêmes NIF pour les expériences de fusion par confinement inertiel, et les données obtenues ont été présentées dans des conférences invitées et des publications évaluées par des pairs.
Les instruments mesurent les profils de paramètres clés tels que les températures des ions et des électrons dans de grands volumes de plasmas chauds qui sont magnétiquement confinés dans des dispositifs de fusion tokamak en forme de beignet pour faciliter les réactions de fusion. En revanche, les plasmas HED produits par laser NIF sont de minuscules substances ponctuelles qui nécessitent des spectromètres de conception différente pour les études à haute résolution.
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Le spectromètre haute résolution nommé HiRAXS est décrit dans un article publié dans Review of Scientific Instruments. Crédit : LLNL
Marilyn Schneider, chef du groupe Propriétés radiatives à la Direction des sciences physiques et de la vie du LLNL et co-auteur de l’article, a déclaré qu’il s’agissait du troisième cristal conçu pour les expériences EXAFS (Extensed X-ray Absorption Fine Structure) au NIF. Ces cristaux font partie d’un spectromètre à haute résolution nommé HiRAXS, qui est décrit dans un autre article[2] dans Examen des instruments scientifiques. Les co-auteurs LLNL de cet article incluent Stanislav Stoupin, Daniel Thorn, Neil Ose, Yuan Ping, Federica Coppari, Bernard Kozioziemski, Andy Krygier, Hong Sio, Jay Ayers, Philip Efthimion et Schneider. Les co-auteurs de PPPL incluent Lan Gao, Ken Hill, Manfred Bitter et Brian Kraus.
Le spectromètre examine le cuivre, le tantale et maintenant le plomb EXAFS. L’énergie des rayons X augmente du cuivre au tantale au plomb, et le signal sur bruit diminue, il était donc nécessaire d’optimiser la conception du spectromètre.
La collaboration sera transférée au NIF en octobre, lorsque le nouveau cristal doit y être testé, les chercheurs des deux laboratoires attendant avec impatience les résultats.
“Les expériences au NIF qui mesurent le spectre EXFAS à des énergies de rayons X élevées ont eu des signaux faibles”, a déclaré Schneider. « La conception du spectromètre décrite dans l’article concentre le signal faible et augmente le rapport signal/bruit tout en maintenant la haute résolution requise pour l’observation d’EXAFS. »
« Contrairement aux cristaux à courbure sphérique, cylindrique ou toroïdale couramment utilisés, cette nouvelle forme de cristal suit des spirales sinusoïdales », a déclaré Yuan Ping, chef du projet EXAFS et du Dynamic Multiscale Material Properties Group. « Une conception aussi innovante permet de répondre aux exigences strictes des mesures EXAFS pour sonder l’état thermique des matériaux hautement compressés à Z plus élevé. »
Les références:
- “Une nouvelle classe de formes cristallines de focalisation pour la spectroscopie Bragg de petites sources de rayons X ponctuelles dans les plasmas produits par laser” par M. Bitter, N. Pablant, KW Hill, Lan Gao, B. Kraus, PC Efthimion, L Delgado-Apericio, B. Stratton, M. Schneider, F. Coppari, R. Kauffman, MJ MacDonald, A. MacPhee, Y. Ping, S. Stoupin et D. Thorn, 9 avril 2021, Examen des instruments scientifiques.
DOI : 10.1063/5.0043599 - « Le spectromètre à rayons X d’absorption multi-optique à haute résolution (HiRAXS) pour les études de matériaux dans des conditions extrêmes » par S. Stoupin, DB Thorn, N. Ose, L. Gao, KW Hill, Y. Ping, F. Coppari , B. Kozioziemski, A. Krygier, H. Sio, J. Ayers, M. Bitter, B. Kraus, PC Efthimion et MB Schneider, 10 mai 2021, Examen des instruments scientifiques.
DOI : 10.1063/5.0043685
En plus de Schneider et Ping, les co-auteurs de LLNL incluent Federica Coppari, Robert Kauffman, Michael MacDonald, Andrew MacPhee, Stanislav Stoupin et Daniel Thorn. Les co-auteurs de PPPL incluent Manfred Bitter, Ken Hill, Lan Gao, Luis Delgado-Aparicio, Brent Stratton, Brian Kraus et Philip Efthimion. Le DOE Office of Science a soutenu cette recherche.
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