新型X射线成像技术在3D中解析与聚变相关的纳米泡沫

太阳的聚变反应使其温度达到数千度，如今科学家们正寻求在实验室中重建这些恒星驱动过程，作为替代清洁能源的一种手段。

一种途径是惯性聚变能源实验，但要想实现这一目标，聚变燃料必须保持在精确的配置中，一种有前景的方法是使用多孔泡沫。问题是，没有人确切知道这些纳米泡沫的工作效果如何，因为现有的技术要么破坏了它们，要么缺乏详细研究它们的决心

现在，研究人员报告说，他们已经开发出一种X射线成像技术，该技术利用能源部SLAC国家加速器实验室的Linac相干光源（LCLS）的独特特性，以与聚变实验相关的精度解析铜泡沫的3D纳米结构

洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究科学家、8月1日发表在《纳米快报》上的这项工作的主要作者Adra Carr说：“这种自由电子激光的3D体积技术是同类测量中的第一种。”

该技术基于PTychography成像，通过处理样品散射的光子图案来生成图像。研究人员将LCLS的X射线自由电子激光散射到泡沫铜样品上，然后使用计算机算法“重建”原始样品。这些算法输入收集到的光子散射模式，最终以纳米级分辨率重建铜泡沫。旋转样本使它们能够以3D形式渲染其结构

“这项新技术利用了X射线自由电子激光的相干性和亮度，”SLAC的高级科学家、这项新研究的通讯作者Arianna Gleason说。“我们能够以一种其他方法无法实现的方式询问泡沫。”

生成的图像显示，铜泡沫并不像预期的那样均匀。许多泡沫薄壳被扭曲、合并或打开——这些变化可能会影响它们在惯性约束聚变实验中的性能。这些信息可用于优化泡沫制造方法，并为聚变实验量身定制这些材料

这项合作工作依赖于劳伦斯利弗莫尔国家实验室的材料专业知识，研究人员在国家点火装置进行惯性约束聚变实验，洛斯阿拉莫斯和杨百翰大学的相干成像专业知识，以及SLAC加速器科学专业知识的实验设计工作

卡尔说：“我认为这项工作是一个非常好的例子，说明这些类型的实验只有在多个领域和SLAC等独特地点的不同专业知识下才有可能进行。”

研究人员希望他们的工作能成为未来成像实验的跳板。他们计划将这项技术应用于其他与聚变相关的材料，格里森说，它也可以扩展到其他多材料、纳米级结构，甚至易碎的样品。可以结合来自其他传感器的信息来研究样品随时间变化的3D纳米结构，或绘制不同化学物质的分布图 More information: Adra Carr et al, Morphology of Copper Nanofoams for Radiation Hydrodynamics and Fusion Applications Investigated by 3D Ptychotomography, Nano Letters (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c02289

Journal information: Nano Letters