激光产生的等离子体发展的宽波段X射线源用于实现在NIF中的新测量

江苏激光联盟导读：

据APL报道，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的研究人员发展了一个新的X射线源，可以利用该X射线源来诊断实验中的温度用来探测行星中的状况。这一X射线源是利用激光产生的等离子体来实现的。

在国家点火装置中的完全EXAFS 样品的图像，背光灯和激光结构

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL)）的研究人员发展了一个X射线源，可以利用该X射线源来诊断实验中的温度用来探测行星中的状况。

这一新发展的X射线源将会用来实施在美国国家点火装置中的扩展X射线吸收精细结构光谱（extended X-ray absorption fine structure (EXAFS)）实验。这一研究工作发表在顶刊《Applied Physics Letters 》上，并且被作为主编精选进行了介绍。

实验装置的设置

▲图解：仪器记录X射线光谱，X射线发射的图像以及时域X射线发射，均通过靶室极方位角来显示。插入的图片显示的是脉冲形状在有 (N190430-2) 和无 (N181010-3)纠缠的结果。非纠缠脉冲形状被转换为峰值功率平台的重叠区域

LLNL的物理学家 Andy Krygie，同时也是该论文的第一作者说到：在国家点火装置中经过一系列的X射线源的发展实验，我们可以探测钛薄膜产生比在X射线光谱范围中感兴趣的内爆舱背光灯所产生的X射线的30倍的连续X射线，是在同一激光状况下在金膜中所产生 的X射线的2到4倍多，

理解扩展X射线吸收精细结构（extended X-ray absorption fine structure，简写为EXAFS）

Krygier 说到：尽管这里X射线有许多用途，这一工作目前主要聚焦于探索是否有可能对固态物质在高度压缩的状态下的扩展X射线吸收精细结构（extended X-ray absorption fine structure）的测量。这是一个非常困难的研究领域，最终需要大量的工作努力和资源来完成。

EXAFS实验的最基本的动机是确定样品在Mbar的压力下的温度——这一状态有点像星球中心的情况（1 Mbar =一个大气压的100万倍 ）。在这一工作中，我们现在有能力来在NIF中在很大的一个范围内的材料实施 EXAFS测量，实施的状态是以前在世界范围内几乎任何设施都不可能实现。

在这些状态下，固态材料可以压缩至振幅比达到2倍及以上，材料可以在每天的环境变化的时候可以具有不同的性质。在这一工作中发展的X射线源将会使得测量不同的高Z材料成为可能，这些材料对于实验室的任务的完成至关重要。这一平台同时还可以为在极端条件下的材料性质的研究提供了科学发现的新机会。

X射线发射点的图像和 Au*, Au, Ag和Ti在采用SXI进行记录得到的宽度

▲图解：每一点的假彩色原始数据沿着顶部进行展示。其名义上的激光强度的模式 (∼1 mm FWHM) 和自SXI进行观察得到的结果在第一个插入的图片中给予展示（由于观察的原因呈弯曲的形态）。从高亮区域的垂直平均线在每一个图像中自顶部来显示，则显示在主图中，这些线进行归一化和偏移。其高斯拟合的FWHM则在相应的原始图像之下进行写入，通过在主图片的底部的线来展示。

测量EXAFS需要探测信号，该信号只是全部信号的一部分，并且背后的原因在于团队付出大量的精力来发展一个高强度，光谱平滑的背光源。

Yuan Ping是LLNL的物理学家和该研究工作的领导者，她说目前这一发现对用于EXAFS项目的背光的发展可以说取得了成功。EXAFS测量使用这一背光已经开始在NIF中进行应用，并且这一办法将会促进将来的测量，这些测量是LLNL项目的关键部分，该项目用于支撑美国NNSA的核武器储存管理项目。

在许多材料中由于温度和压力的而变化造成优先排列的原子或晶体结构的变化，这在当前已经开始在NIF的TARDIS（靶材原位衍射）平台进行研究。这一结构同时也是众多影响压力和密度关系的因素之一，这一问题在NIF的斜坡压缩平台进行研究，与此同时，强度，也在NIF的RT平台进行研究。

所有这些重要的平台均缺乏温度的测量，Krygier说到，EXAFS平台的目标是测试热模型来加强用于流体力学代码的状态模型公式的加强，与此同时，使其他平台变得更加完美。

这里有大量的工作是关于发展X射线光源的，其他的团队使用的是加热薄膜的办法来实现的，但这些努力均聚焦在不同的X射线能量或优化线发射上（从一个原子过渡造成的一个比较窄的能量X射线发射导致）。

EXAFS实验比较明确的同在NIF的其他研究测量相比较，需要不同类型的X射线源，因为EXAFS信号是一个在相对非常宽广的范围内进行译成电码的过程，但比较特别的是，X射线能量的范围，需要在多KeV能量范围内优化宽谱连续发射，而不是线发射，这比EXAFS的能量要远远窄的多。

研究团队已经确定了这一可能，通过使用NIF的激光的高功率密度，来离子化钛进入一个内壳中。这一离子化的高温度使得连续X射线发射过程称之为自由约束，开始变得非常重要和事实上占据整个连续X射线发射。

Krygier说这一过程导致了一个强烈的连续发射，对钛来说在多KeV的范围内，相对于金或者银来说要多。对钛薄膜的加热的这一观察导致了连续发射，比一开始所期待的金或银要强烈的多。但经过仔细的数据分析，我们确定了自由约束的过渡起到非常重要的作用。最后证明，数据和模型吻合的非常好。

Elijah Kemp是LLNL的物理学家，帮助来解释ad-hydro (HYDRA)和原子动力学模拟的相关数据，以帮助证实数据的解释的正确性。他说科学家具有一个倾向来随身携带标准工具箱来利用通用的规则来解释不同的物理现象。导致假设一个金背光将会比钛和银要好。连续X射线发射通常比较著名的是会随着原子数量的增加而增加，然而，加热样品的区域具有自由约束过渡的时候是非常重要的，这决定着钛，原子系数为22，可以比银和金要好得多，银和金的原子数分别为47和79.

而这些无处不在的缩放可以帮助我们快速的指导我们的直觉，他们同时可以导致一些看似自相矛盾的结果，这一工作中的一个重要的信息就是不天真地依赖过于笼统的经验法则，这些法则经常会导致过早的缩小参数优化的研究。

团队的贡献

这一贡献需要团队来展望未来典型的X射线发射过程来理解从实验获得的数据。在计划和分析的过程中，他们依靠跨多个学科的专家，包括材料科学，等离子物理，X射线光谱学和流体动力学模拟等方面的专家。

团队一开始聚焦于不同的办法来解决问题，使用了内爆舱，但最终决定不打算使用制造足够的X射线来进行EXAFS的测量。

这是少有的科学家可以利用电影动画的形式来在房间内来解释出在黑板上提出的概念。其结果是在LLNL中现存的世界一流的证据。

在NIF的冷却空间内部，白色的矮星的复合照片

▲图解：白色的小矮人和大量的太阳光将会同星球太阳的尺寸相当，使得它成为太空中中子星和黑洞之后的一个密度最大的物体。

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