Plasmas à haute densité d'énergie produits par laser, semblable à ceux trouvés dans les étoiles, explosions nucléaires, et le noyau des planètes géantes, peut être l'état de la matière le plus extrême créé sur Terre. Aujourd'hui, des scientifiques du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE), s'appuyant sur près d'une décennie de collaboration avec le National Ignition Facility (NIF) du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) du DOE, ont conçu un nouveau spectromètre à cristal à rayons X pour fournir des mesures à haute résolution d'une caractéristique difficile des plasmas HED produits par NIF.

Lasers les plus puissants

La collaboration avec NIF, abrite les lasers les plus grands et les plus puissants du monde, représente une expansion majeure pour les conceptions de spectromètres à cristaux à rayons X de PPPL, qui sont utilisés par les laboratoires de fusion du monde entier pour enregistrer sur des détecteurs le spectre des rayons X du plasma - gaz d'électrons et de noyaux atomiques, ou des ions, qui alimentent les réactions de fusion. Ces instruments PPPL 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. Par contre, Les plasmas HED produits par laser NIF sont minuscules, des substances ponctuelles qui nécessitent des spectromètres de conception différente pour des études à haute résolution.

"Nous avons déjà construit un spectromètre pour le NIF qui a eu beaucoup de succès, " a déclaré le physicien Manfred Bitter, membre de longue date de l'équipe de conception de PPPL. Ce 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 expériences HED diffèrent des expériences magnétiquement confinées que PPPL mène à bien des égards. Une différence majeure qui affecte la conception des spectromètres est la petite taille des plasmas HED produits au laser, dont les volumes sont typiquement de l'ordre du millimètre cube et peuvent être considérés comme des sources de rayons X ponctuelles. Cette petite taille se compare aux plasmas tokamak étendus, qui ont des volumes de plusieurs mètres cubes et nécessitent des conceptions diagnostiques très différentes.

Nouveaux défis de conception

Le nouveau spectromètre de PPPL pour le NIF répond aux nouveaux défis de conception. Ils appellent à mesurer une structure fine dans les spectres de rayons X des plasmas HED qui révèle leur état de la matière dans des conditions extrêmes. De telles mesures peuvent montrer si les ions dans le plasma hautement compressé sont de manière aléatoire, ou un agencement de type fluide, ou dans un agencement en treillis plus ordonné qui est typique d'un solide.

Cet état critique de la matière peut être détecté dans ce qu'on appelle la structure fine d'absorption des rayons X étendue (EXAFS) - le terme technique pour les minuscules variations d'intensité, ou se tortille, dans le spectre d'énergie des rayons X enregistré par les spectromètres à cristal. "Les formes cristallines standard qui ont été utilisées pour le diagnostic des plasmas HED, jusque là, ne peut pas être utilisé dans ce cas, " dit Amer, auteur principal d'un article dans le Examen des instruments scientifiques qui décrit le spectromètre PPPL fabriqué pour le NIF. « Leur résolution et leur débit de photons ne sont pas assez élevés et ils introduisent des erreurs d'imagerie et d'autres. »

Tels sont les défis que le nouveau spectromètre à cristal doit relever, Amer a dit :

• Pour réduire les erreurs statistiques, la conception doit être adaptée à un débit élevé de photons, les particules de lumière émises par les sources de rayons X et toutes les autres sources lumineuses. Le cristal réfléchissant les rayons X doit donc avoir une grande surface sans introduire aucune des erreurs d'imagerie que les grands cristaux standard ont tendance à produire.
• Le cristal doit refléter la large gamme d'énergies de rayons X sur laquelle la structure fine est observée.
• Finalement, les agencements du cristal et du détecteur doivent minimiser les effets de ce que l'on appelle l'élargissement de la taille de la source. Ce problème résulte de la minuscule, mais pas négligeable, taille d'un plasma HED produit par laser qui se détériore, ou des embrouilles, la résolution spectrale. Les formes cristallines standard qui ont été utilisées jusqu'à présent ne peuvent pas totalement éliminer ou minimiser ces effets d'élargissement.

Bitter et le physicien PPPL Novimir Pablant ont travaillé ensemble pour concevoir le nouveau spectromètre. Bitter a eu l'idée de façonner le cristal qui reflète le spectre sous la forme de ce qu'on appelle une spirale sinusoïdale. Ces spirales désignent une famille de courbes dont les formes peuvent être déterminées pour prendre n'importe quelle valeur réelle, permettant de sélectionner une forme particulière de cristal. Pablant, qui a co-écrit le Examen des instruments scientifiques papier, a créé un code informatique pour concevoir le cristal sinusoïdal dans un processus qu'il décrit dans un article d'accompagnement récemment soumis au même journal.

"J'ai développé un code qui me permettrait de modéliser la forme 3-D compliquée du cristal et de simuler les performances de cette nouvelle conception de spectromètre, ", a déclaré Pablant. Les simulations ont montré que les performances du cristal marquaient "une amélioration de cinq fois la résolution en énergie pour ce projet NIF par rapport à leur conception de spectromètre précédente".

La collaboration passera au NIF en octobre lorsque le nouveau spectromètre y sera testé, avec les chercheurs des deux laboratoires qui attendent 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 Marilyn Schneider, chef du Radiative Properties Group à la Direction de la physique et des sciences de la vie du LLNL et co-auteur de l'article. "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, " elle a dit.

La vérification expérimentale est la prochaine étape requise. "Nous sommes arrivés à cette conception après plusieurs tentatives et sommes convaincus que cela fonctionnera, " a déclaré Bitter. " Mais nous n'avons pas encore testé la conception au NIF et devons voir comment il fonctionne à l'automne. "