Neue Röntgenbildgebungstechnik löst Probleme mit 3D-Fusions-Nanoschaum

Die Fusionsreaktionen der Sonne erhöhen ihre Temperatur auf Tausende von Grad, und heute versuchen Wissenschaftler, diese Prozesse, die Sterne antreiben, im Labor nachzubilden, um alternative saubere Energie zu gewinnen.

Ein möglicher Weg ist die Durchführung von Experimenten zur Trägheitsfusion. Damit dies funktioniert, muss der Fusionsbrennstoff jedoch in der exakten Konfiguration gehalten werden. Ein vielversprechender Ansatz ist die Verwendung von porösem Schaum. Das Problem ist, dass niemand wirklich weiß, wie gut diese Nanoschäume funktionieren, weil bestehende Techniken sie entweder zerstören oder nicht die Auflösung haben, sie im Detail zu untersuchen.

Jetzt berichten Forscher, dass sie eine Röntgenbildgebungstechnik entwickelt haben, die die einzigartigen Eigenschaften der Linac Coherent Light Source (LCLS) im SLAC National Accelerator Laboratory des Energieministeriums nutzt, um die 3D-Nanostruktur eines Kupferschaums mit einem für relevante Präzisionsniveau aufzulösen Fusionsexperimente.

„Diese Art der 3D-Volumentechnik mit einem Freie-Elektronen-Laser ist eine neuartige Messung“, sagte Adra Carr, Forschungswissenschaftlerin am Los Alamos National Laboratory und Hauptautorin der in veröffentlichten Arbeit Nano-Buchstaben 1. August.

Diese Technik basiert auf der ptychografischen Bildgebung, die Bilder durch die Verarbeitung der Muster von Photonen erzeugt, die von einer Probe gestreut werden. Die Forscher strahlten den Röntgen-Freie-Elektronen-Laser des LCLS auf Proben aus Kupferschaum und verwendeten dann Computeralgorithmen, um die ursprüngliche Probe zu „rekonstruieren“. Diese Algorithmen erfassten die Streumuster der gesammelten Photonen und rekonstruierten schließlich den Kupferschaum mit nanoskaliger Auflösung. Durch Drehen der Proben konnten sie ihre Struktur in 3D wiederherstellen.

„Diese neue Technik nutzt die Kohärenz und Helligkeit des Röntgen-Freie-Elektronen-Lasers“, sagte Arianna Gleason, leitende Wissenschaftlerin am SLAC und korrespondierende Autorin der neuen Studie. „Wir waren in der Lage, den Schaum auf eine Weise zu untersuchen, die nur mit wenigen anderen Methoden möglich gewesen wäre. »

Die erzeugten Bilder zeigten, dass der Kupferschaum nicht so gleichmäßig ist wie erwartet. Viele der dünnen Schaumstoffschalen waren verformt, verschmolzen oder geöffnet, Variationen, die ihre Leistung in Fusionsexperimenten mit Trägheitseinschluss beeinträchtigen könnten. Diese Art von Informationen könnten genutzt werden, um Schaumherstellungsverfahren zu optimieren und diese Materialien für Fusionsexperimente anzupassen.

Diese gemeinsame Arbeit nutzte die Hardware-Expertise des Lawrence Livermore National Laboratory, wo Forscher an der National Ignition Facility Fusionsexperimente mit Trägheitseinschluss durchführen, die kohärente Bildgebungsexpertise von Los Alamos und der Brigham University Young sowie experimentelle Designbemühungen mit der Beschleunigerwissenschaftsexpertise des SLAC.

„Ich denke, diese Arbeit ist ein wunderbares Beispiel dafür, dass diese Art von Erfahrungen nur mit vielfältigem Fachwissen in mehreren Bereichen und an einzigartigen Orten wie SLAC möglich sind“, sagte Carr.

Die Forscher hoffen, dass ihre Arbeit als Sprungbrett für zukünftige Bildgebungsexperimente dienen wird. Sie planen, diese Technik auf andere fusionsbezogene Materialien anzuwenden, und Gleason sagte, sie könne auch auf andere nanoskalige Multimaterialstrukturen oder sogar fragile Proben ausgeweitet werden. Informationen von zusätzlichen Sensoren könnten integriert werden, um die 3D-Nanostrukturen von Proben im Zeitverlauf zu untersuchen oder ihre Verteilung verschiedener chemischer Spezies abzubilden.