Les chercheurs du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont développé une source de rayons X qui peut diagnostiquer la température dans des expériences qui sondent des conditions comme celles au centre même des planètes.

La nouvelle source sera utilisée pour effectuer des expériences à structure fine d'absorption étendue des rayons X (EXAFS) au National Ignition Facility (NIF). L'ouvrage a été publié en Lettres de physique appliquée et a été présenté comme un choix de l'éditeur.

"Au cours d'une série d'expériences de développement de sources de rayons X au NIF, nous avons pu déterminer que les feuilles de titane (Ti) produisent 30 fois plus de rayons X continus que les rétroéclairages à capsule à implosion dans la gamme spectrale de rayons X d'intérêt et entre deux à quatre fois plus que les feuilles d'or (Au) dans des conditions laser identiques, " a déclaré Andy Krygier, Physicien du LLNL et auteur principal.

Comprendre la structure fine de l'absorption étendue des rayons X

« Bien qu'il existe de nombreuses utilisations pour les sources de rayons X, les travaux se sont principalement concentrés sur la possibilité de mesurer les EXAFS de matériaux fortement comprimés à l'état solide. Il s'agit d'un régime très difficile à opérer et qui a finalement demandé beaucoup d'efforts et de ressources à accomplir, " a déclaré Krygier.

La principale motivation des expériences EXAFS est de déterminer la température d'échantillons à des pressions de Mbar, des conditions comme celles au centre même des planètes (1 Mbar =1 million de fois la pression atmosphérique). "Avec ce travail, nous avons maintenant la capacité d'effectuer des mesures EXAFS au NIF sur une large gamme de matériaux et de conditions qui n'étaient auparavant possibles dans aucune installation dans le monde. »

A ces conditions, où les solides peuvent être comprimés par un facteur de deux ou plus, les matériaux peuvent avoir des propriétés très différentes de celles des conditions ambiantes quotidiennes. La source de rayons X développée dans ce travail permettra de mesurer divers matériaux à Z supérieur qui sont importants pour la mission du laboratoire. Cette plateforme ouvrira également des opportunités de découverte scientifique sur les propriétés des matériaux dans des conditions extrêmes.

Mesurer EXAFS nécessite de détecter des signaux qui représentent quelques pour cent du signal global et c'est la raison sous-jacente pour laquelle l'équipe a déployé tant d'efforts pour développer un intense, rétroéclairage spectralement lisse.

Yuan Ping, Physicien du LLNL et chef de campagne des travaux, a déclaré que les résultats concluent à un succès dans le développement du rétroéclairage pour le projet EXAFS. « Les mesures EXAFS utilisant ce rétroéclairage ont déjà commencé au NIF et l'approche devrait permettre de futures mesures qui sont un élément essentiel du soutien de LLNL au programme de gestion des stocks de la NNSA, " elle a dit.

L'arrangement préféré des atomes ou de la structure cristalline change avec la température et la pression dans de nombreux matériaux et est actuellement étudié par la plate-forme TARDIS (diffraction cible in situ) du NIF. La structure est également l'une des nombreuses choses qui ont un impact sur la relation entre la pression et la densité, qui est en cours d'investigation par la plate-forme de compression de rampe au NIF, ainsi que la force, qui est en cours d'investigation par la plateforme RT du NIF.

"Toutes ces plates-formes importantes manquent de mesures de température, " a déclaré Krygier. " L'objectif de la plate-forme EXAFS est de tester les modèles thermiques qui sous-tendent les modèles d'équation d'état utilisés dans les codes d'hydrodynamique ainsi que de compléter les autres plates-formes de matériaux. "

Il y a eu beaucoup d'efforts pour développer des sources de rayons X utilisant des feuilles chauffées par d'autres équipes, mais ces efforts se sont souvent concentrés sur différentes énergies de rayons X ou sur l'optimisation de l'émission de raies (une émission de rayons X à énergie étroite résultant d'une transition atomique), dit Krygier.

"Les expériences EXAFS nécessitent explicitement un type de source de rayons X différent de beaucoup d'autres au NIF, " a-t-il dit. " Parce que le signal EXAFS est codé sur une relativement large, mais précis, gamme d'énergies de rayons X, nous devions optimiser l'émission du continuum large bande dans la gamme d'énergies multi-keV, au lieu de l'émission de ligne, ce qui est beaucoup trop étroit en énergie pour EXAFS."

L'équipe a déterminé qu'il est possible, en utilisant la très haute densité de puissance des lasers NIF, pour ioniser le titane dans sa coque interne. "Ce degré élevé d'ionisation permet à un processus d'émission de rayons X continu, appelé libre-lié, de devenir important et de dominer en fait l'émission de rayons X continue globale, " il a dit.

Krygier a déclaré que ce processus conduit à une émission continue plus forte dans le régime multi-keV du titane que de l'argent ou de l'or. "L'observation que le chauffage d'une feuille de titane produit une émission continue plus forte qu'avec de l'argent ou de l'or était inattendue au départ, mais après une analyse minutieuse des données, nous avons déterminé que les transitions libres jouaient un rôle important. À la fin, les données et le modèle concordent bien", a-t-il déclaré.

Elie Kemp, physicien LLNL, aidé à l'interprétation des données avec la modélisation rad-hydro (HYDRA) et atomique-cinétique (SCRAM) qui a aidé à confirmer l'interprétation des données. Il a déclaré que les scientifiques ont tendance à transporter une boîte à outils standard de lois d'échelle généralisées pour divers phénomènes physiques qui conduisent à supposer qu'un rétroéclairage en or surpasserait l'argent et le titane. L'émission continue de rayons X est généralement connue pour augmenter avec le numéro atomique, cependant, le chauffage de l'échantillon au régime où les transitions libres étaient importantes a permis au titane, dont le numéro atomique est 22, pour surpasser l'argent et l'or, dont les numéros atomiques sont 47 et 79, respectivement.

« Alors que ces échelles omniprésentes peuvent aider à guider rapidement son intuition, ils peuvent également conduire à des résultats apparemment paradoxaux, ", a-t-il déclaré. "L'un des messages les plus importants de ce travail est de ne pas se fier naïvement à des règles empiriques trop généralisées qui sont si souvent utilisées pour restreindre prématurément les études d'optimisation des paramètres."

Effort d'équipe

Cet effort a obligé l'équipe à regarder au-delà des processus d'émission de rayons X typiques pour comprendre les données des expériences. Ils se sont appuyés sur des experts dans un large éventail de disciplines, y compris la science des matériaux, physique des plasmas, Spectroscopie aux rayons X et simulation hydrodynamique lors de la planification et de l'analyse.

L'équipe s'est d'abord concentrée sur une approche différente, à l'aide de capsules implosantes, mais a finalement déterminé qu'il n'allait pas produire suffisamment de rayons X pour effectuer des mesures EXAFS.

"C'est l'une des rares fois où la science fonctionne réellement comme elle est décrite dans les films avec tous les membres de l'équipe dans une pièce (à l'époque où nous pouvions nous rencontrer dans des pièces) proposant des idées sur un tableau blanc, " a déclaré Krygier. " Des résultats comme celui-ci sont un véritable témoignage de l'environnement de recherche de classe mondiale qui existe au LLNL. "