THE NANOSECOND TIME RESOLVED X-RAY DIFFRACTOMETRY WITH SYNCHROTRON - - PowerPoint PPT Presentation

▶
the nanosecond time resolved x ray diffractometry with
SMART_READER_LITE
LIVE PREVIEW

THE NANOSECOND TIME RESOLVED X-RAY DIFFRACTOMETRY WITH SYNCHROTRON - - PowerPoint PPT Presentation

Feb 08, 2023 295 likes •725 views

THE NANOSECOND TIME RESOLVED X-RAY DIFFRACTOMETRY WITH SYNCHROTRON RADIATION FOR EXPLORATION OF FAST PROCESSES IN SOLIDS TOLOCHKO, BORIS; ARAKCHEEV, ALEKSEY; ZHULANOV, VLADIMIR; TEN, KONSTANTIN; KOSOV, ALEKSANDR; AULCHENKO, VLADIMIR;

slide-1
SLIDE 1

THE NANOSECOND TIME RESOLVED X-RAY DIFFRACTOMETRY WITH SYNCHROTRON RADIATION FOR EXPLORATION OF FAST PROCESSES IN SOLIDS

TOLOCHKO, BORIS; ARAKCHEEV, ALEKSEY; ZHULANOV, VLADIMIR; TEN, KONSTANTIN; KOSOV, ALEKSANDR; AULCHENKO, VLADIMIR; SHEKHTMAN, LEV; EVDOKOV, OLEG ; ZOLOTAREV, KONSTANTIN; KULIPANOV GRNNADY INSTITUTE OF SOLID STATE CHEMISTRY AND MECHANOCHEMISTRY SB RAS BUDKER INSTITUTE OF NUCLEAR PHYSICS SB RAS INSTITUTE OF HYDRODYNAMICS SB RAS

slide-2
SLIDE 2

MOTIVATION: NEW LIFE IN SPACE NEED NEW MATERIALS

  • Preparation of new materials at extremely high temperatures and pressures

(10000 C, 300 kbar).

  • Protect materials from the effects of shock compression v=11 km/s.
  • Diamond synthesis

EXPERIMENTAL CONDITIONS

  • New wigglers – new spectrum range, high

intensity

  • New detectors – picosecond time resolution
  • High energy at VEPP-4 (4,7 GeV) – new spectrum

range

  • LASER 100 J, 100 µs
  • Explosion chamber for 200 g of TNT
  • X-ray focusing optics
  • BINP support (director, laboratories heads,

scientific council)

2

slide-3
SLIDE 3

Carbon phase diagram and load-reload model.

THE IDEA OF EXPERIMENT

SAXS WAXS Absorbsion, XAFS (?)

Diamonds

  • 3
  • 2
  • 1

1 2 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Trotil press, ρ

0= 1,61

D=7.0 km/s

Z, mm

ρ/ρ

S -average ρ

Density distribution in TNT shock

  • wave. 0.1 mm corresponding 13 ns

Liquid Graphite

Diamond powder 5 nm Diamond monolith 1000 nm Dream: diamond 1 mm

?

Scientific results

3

slide-4
SLIDE 4

HOW R REC ECEI EIVE E HIGH P PRESSURE A E AND T TEMP MPER ERATURE ? E ? BY USING NG DETONA ONATION, ON, S SHOCK W WAVES A AND L LASER ER

Shock wave adiabatic heating: 1- flat wave generator, 2-

gun tube, 3-plunger, 4-detonator, 5-detector, 6- explosive, 7- sample.

1 2 3 4 5 6 7 Synchrotron radiation beam

200 g explosives 100 J 100 µs 1 mm2

slide-5
SLIDE 5

EXPERIMENTAL CONDITIONS

  • New wigglers – new spectrum range, high

intensity

  • High energy at VEPP-4 (4,7 GeV) – new spectrum

range

  • New detectors – picosecond time resolution
  • LASER 100 J, 100 µs
  • Explosion chamber for 200 g of TNT
  • X-ray focusing optics
  • BINP support (director, laboratories heads,

scientific council)

5

slide-6
SLIDE 6

SYNCHROTRON RADIATION GENERATION

STORAGE RING VEPP-3:

wiggler

SR

Period – 250 ns Interval – 250 ns Interval* – 125 ns Exposure - 1000 ps

Storage ring VEPP-4:

Period – 1200 ns interval – 5 ns interval – 10 ns interval – 15 ns interval – 20 ns exposure 73 ps

slide-7
SLIDE 7

Fast Detector DIMEX VEPP-3 VEPP-4 125 ns 20 ns

Explosive

Products of detonation Explosion chamber 100 ns

7

slide-8
SLIDE 8

EXPERIMENTAL CONDITIONS

  • New wigglers – new spectrum range, high

intensity

  • High energy at VEPP-4 (4,7 GeV) – new spectrum

range

  • New detectors – picosecond time resolution

(exposure time), interval 100 ns

  • LASER 100 J, 100 µs
  • Explosion chamber for 200 g of TNT
  • X-ray focusing optics
  • BINP support (director, laboratories heads,

scientific council)

8

slide-9
SLIDE 9

9

DIMEX-G Strip structure for DIMEX-Si

slide-10
SLIDE 10

EXPERIMENTAL CONDITIONS

  • New wigglers – new spectrum range, high

intensity

  • High energy at VEPP-4 (4,7 GeV) – new spectrum

range

  • New detectors – picosecond time resolution
  • LASER 100 J, 100 µs
  • Explosion chamber for 200 g of TNT
  • X-ray focusing optics

10

slide-11
SLIDE 11

wiggler SR VEPP-3

explosion chamber detonation front electrons bunches products

  • f

detonation SAXS detector transmitted beam detector explosive wires detectors

Experimental setup of explosion experiment at VEPP-3

11

slide-12
SLIDE 12

SYNCHROTRON RA RADIA IATIO ION EX EXPERIM IMENTAL S STATIO ION F FOR R EX EXPLOSIO ION I INVESTIG IGATION

12

slide-13
SLIDE 13

EX EXPERIM IMENTAL S STATIO ION “ “DETONATIO ION” A AT V VEP EPP-4

Detector DIMEX

Explosive diameter 40 mm Weight 200 g

SAXS with exposure 73 ps

slide-14
SLIDE 14

EXPERIMENTAL CONDITIONS

  • New wigglers – new spectrum range, high

intensity

  • High energy at VEPP-4 (4,7 GeV) – new spectrum

range

  • New detectors – picosecond time resolution
  • LASER 100 J, 100 µs
  • Explosion chamber for 200 g of TNT
  • X-ray focusing optics

14

slide-15
SLIDE 15

X-RAY OPTIC

150000 ELEMENTS MATERIALS: PMMA, SU-8, NI V.NAZMOV REPORT

СИ 100 мм 37 мм

slide-16
SLIDE 16

EXPERIMENTAL CONDITIONS

  • New wigglers – new spectrum range, high

intensity

  • High energy at VEPP-4 (4,7 GeV) – new spectrum

range

  • New detectors – picosecond time resolution
  • LASER 100 J, 100 µs
  • Explosion chamber for 200 g of TNT
  • X-ray focusing optics

16

slide-17
SLIDE 17

ITER: PLASMA DISCHARGE ON THE DIVERTER. MATERIAL BEHAVIOR. MODEL EXPERIMENT WITH LASER PULSE HEATING. NEED NEW MATERIALS

  • Now we are preparing an experiment to study the behavior of

the crystal lattice of the material of the fusion reactor first wall in a plasma discharge on the diverter

The scheme of model experiment with LASER pulse heating during 100 microseconds. The experimental data of model experiment with LASER pulse heating .

17

slide-18
SLIDE 18

SCIENTIFIC RESULTS

18

slide-19
SLIDE 19

Experimental setup on SR beam. Beam width H=18 mm, thickness 0,4 mm. Exposure time 1 ns. DIMEX detector strip width h=0,1 mm.

Detonation front structure measurements with using SR

  • 2
  • 1

1 2 3 4 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

ρ/ρ0

TNT/RDX 50/50 Cast B d = 7 mm C d = 10 mm D d = 12,5 mm X, mm

Relatively density at detonation front

  • f explosives TNT/RDX 50/50,

diameter 7 mm, 10 mm and 12,5 mm, 13 ns time resolution

slide-20
SLIDE 20

Las Alamos. Proton experiment.

Comparison of the density on axis from the MESA calculation density (red line) estimated from a single frame in green points for PBX9502.

Las Alamos (LANL, protons) and Novosibirsk (BINP, synchrotron radiation) experimental of density measurements at detonation front

  • 3
  • 2
  • 1

1 2 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7

Trotil press, ρ

0= 1,61

D=7.0 km/s

Z, mm

ρ/ρ

S -average ρ

  • BINP. SR experiment

Experimental date received in explosion experiment of TNT.

slide-21
SLIDE 21

Density distribution. DENSITY M MEASUREMENT O OF E EXPLOS OSION ON PROD ODUCTS A AFTER DETON ONATION ON F FRON ONT WITH U USING G SYNCHROTRON R RAD ADIATI TION Experiment setup. Synchrotron radiation

slide-22
SLIDE 22

Density reconstruction of explosion product of TNT.

Density measurement of explosion products after detonation front with using synchrotron radiation. Precision 1 % !

slide-23
SLIDE 23

INFLUENCE OF DISPERSION CONDITION OF DETONATION PRODUCTS AT NANODIAMOND NUCLEATION

The SAXS signal time dependence from RDX-TNT (50/50) with using PMMA tube with thickness: no tube - (1), 1,5 mm - (2), 3 mm - (3), 6 mm - (4). The experiment setup for changing of dispersion condition of detonation

  • products. Detonator – (2), Explosive – (2),

PMMA muff – (3), SR beam – (4), SAXS – (5).

  • 1,0
  • 0,5

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 2000 4000 6000 8000 10000 absorption correction for 20 keV photons

SAXS Intensity, a.u.

Time, µs

1 2 (10% correction) 3 (19% correction) 4 (34% correction)

experimental data 23

slide-24
SLIDE 24

DETONATION DIAMOND NUCLEATION : SCALE EFFECT

  • The scheme of SAXS experiment during

detonation of explosive trotyl/hexogen.

  • The scheme of SAXS experiment during

detonation of explosive trotyl/hexogen.

  • It was found that an increase the mass of explosives leads to increases of produced diamonds mass. Accordingly,

increases the rate of formation of diamonds. However, the dependence of the diamonds mass versus the mass of explosive is nonlinear. Also there is non-linear dependence of the formation rate of diamonds versus the weight of the

  • explosives. Thus we observe a scale effect.
  • Interpretation: the dependence of chemical reactions from the detonation conditions (diameter), the formation of

larger diamonds in the detonation of explosives with large diameters.

24

slide-25
SLIDE 25

Carbon phase diagram and load-reload model.

CONTROL OF THE DIAMOND NUCLEATION PROCESS

Diamonds Liquid Graphite

Scientific results Control the area in PD and velocity of nucleation

25

Correction of Zeldovich theory and textbooks for university

slide-26
SLIDE 26

DIAMOND SIZE GROUSE DURING TNT DETONATION

  • Rubtsov Ivan – student Novosibirsk

University

  • Argonne National Laboratory - APS

26

slide-27
SLIDE 27

THANK YOU FOR ATTENTION

27

slide-28
SLIDE 28

SAXS with 1 ns exposure

28

slide-29
SLIDE 29

29

SAXS with 1 ns exposure

1 нм 1 мкм

slide-30
SLIDE 30

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ МУРР

  • ВЭПП-3:

Количество наночастиц Размер наночастиц в диапазоне 1-100 нм

  • ВЭПП-4

Формфоктор наночастиц (кристаллическая структура, распределение плотности внутри частицы) Размер наночастиц в диапазоне 1-1000 нм

Возможность исследования откольных иявлений (пыление)

30

slide-31
SLIDE 31

ВОЗМОЖНАЯ СТРУКТУРА РАСПОЛОЖЕНИЯ БАНЧЕЙ НА ОРБИТЕ ВЭПП-3 И ВЭПП-4

31

ВЭПП-3

  • 100 -50

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 50 100 150

Интенсивность, у.е. Время, нс 250 нс

Расположение сгустка электронов на орбите ВЭПП-3 в однобанчевом режиме. Периметр орбиты 74.39 м, длина сгустка порядка 30 см. Временная структура синхротронного излучения из ВЭПП-3 в однобанчевом режиме. Период между импульсами рентгеновского излучения равен 250 нс. Длительность импульса равен 1 нс.

slide-32
SLIDE 32

32

ВЭПП-4

  • 20

20 401200 1220 1240 1260 50 100

Интенсивность, у.е. Время, нс 1221 нс 5,5 нс

d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o d e m o

5-ти банчевый режим - один из теоретически возможных вариантов расположения сгустков электронов на орбите ВЭПП-4 при непрерывном заполнении сепаратрис. Периметр орбиты 366.075 , расстояние между сгустками 165 см, длина сгустка порядка 3 см. Однако практически удается расположить банчи на расстоянии не менее 1650 см, что определяется параметрами системы инжекции. Теоретически возможная временная структура рентгеновских импульсов СИ при 5-ти банчевом режиме ВЭПП-4. Расстояние между импульсами 5,5 нс, длительность импульса 0,1 нс. Однако практически удается получать минимальное время между импульсами 55 нс..

ВОЗМОЖНАЯ СТРУКТУРА РАСПОЛОЖЕНИЯ БАНЧЕЙ НА ОРБИТЕ ВЭПП-4

slide-33
SLIDE 33

33

Время, нс Интенсивность Временная диаграмма однократного стробоскопического дифракционного эксперимента на ВЭПП-3 в однобанчевом режиме. Основная информация о возбужденной структуре образца через 10 нс после облучения лазером содержится в дифрагированном излучении от импульса № 2. Остальные импульсы создают фоновую засветку. Чтобы убрать фоновую засветку, необходимо перекрыть рентгеновские импульсы № 1, 3,4 и 5. Либо включить детектор только для регистрации дифракции от рентгеновского импульса № 2.

slide-34
SLIDE 34

34

Время, нс Интенсивность

Влияние большого времени затухания люминисценции люминофора от рентгеновского импульса № 1 , в конверторе рентген – свет на фоновые условия регистрации дифракции рентгеновского импульса № 2. Именно дифракция излучения импульса № 2 содержит информацию о структуре вещества через 10 нс после возбуждения ее лазерным излучением.

slide-35
SLIDE 35

35

Время, нс И н т е н с и в н о с т ь

Временная диаграмма однократного дифракционного эксперимента в режиме «дифракционного кино». Цель эксперимента – зафиксировать дифрагированное излучение банчей № 2, 3, 4, 5.

slide-36
SLIDE 36

ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ РАЗВИТИЯ РАБОТ С СИНХРОТРОННЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ НА ВЭПП-4

Изменение фундаментальных параметров синхротронного излучения при увеличении энергии Критическая энергия εc [keV] = 0.665 E2 [GeV] B[T]) Расходимость пучка СИ 1/γ γ = electron energy/mec2 (me = electron mass, c = velocity of light) Яркость [photons·s–1·mr–2·(0.1% bandwidth)–1],

36

slide-37
SLIDE 37

ЯРКОСТЬ [PHOTONS·S–1·MR–2·(0.1% BANDWIDTH)–1]

37

slide-38
SLIDE 38

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ НА ВЭПП-4

  • Спектры излучения на ВЭПП-3 и ВЭПП-4 за 1 нс

38

slide-39
SLIDE 39

Position sensitive X-ray detector DIMEX with time resolution 100 ns (prototype)

DIMEX is the Detector for IMaging of EХplosions Goal: perform dynamic imaging synchronously with SR flashes from individual bunches Design:

  • GEM with drift gap and microstrip

signal PCB

  • gas mixture: Xe/20%CO2 at 7 bar
  • readout and DAQ: based on PSI’s

IC APC128 provided 32 x 100 ns frame-by-frame measurements

39

slide-40
SLIDE 40

ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА ЭКСПЕРИМЕНТА

1 10 20 30 40 50 60 1 10 20 30 40 50 60 1 10 20 30 40 50 60 1 10 20 30 40 50 60 1 10 20 30 Обратный отсчёт Обратный отсчёт

Номер банча Номер банча Номер банча Номер банча Номер кадра

сигнал оператора К.А.Тен быстрый затвор запуск детонатора контактный датчик DIMEX 1 10 20 30 40 50 60 ∆t= 125 нс

Номер банча

ВЧ сигнал

40

slide-41
SLIDE 41

THANK YOU FOR ATTENTION

41

slide-42
SLIDE 42

Experiment set up: 1- flat wave generator, 2- gun tube, 3-plunger,

4-detonator, 5-detector, 6- explosive, 7- sample.

Shock-wave experiments at synchrotron radiation beam line

1 2 3 4 5 6 7 Synchrotron radiation beam

42