Los investigadores han realizado las primeras películas microscópicas de líquidos que se vaporizan con el láser de rayos X más brillante del mundo en el Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC del Departamento de Energía. Los nuevos datos podrían conducir a experimentos mejores y novedosos en láseres de rayos X, cuyos rayos extremadamente brillantes, destellos rápidos de luz toman instantáneas a nivel atómico de algunos de los procesos más rápidos de la naturaleza.
"Comprender la dinámica de estas explosiones nos permitirá evitar sus efectos no deseados en las muestras", dice Claudiu Stan del Stanford PULSE Institute, un instituto conjunto de la Universidad de Stanford y SLAC. "También podría ayudarnos a encontrar nuevas formas de usar explosiones".causado por los rayos X para provocar cambios en las muestras y estudiar la materia en condiciones extremas. Estos estudios podrían ayudarnos a comprender mejor una amplia gama de fenómenos en la ciencia de los rayos X y otras aplicaciones ".
Capturado en la cámara: el láser de rayos X hace un chapoteo
Los líquidos son una forma común de llevar muestras al camino del haz de rayos X para su análisis en la Fuente de luz coherente Linac LCLS de SLAC, una Instalación de usuarios de la Oficina de Ciencias de DOE y otros láseres de rayos X. A plena potencia,Los rayos X ultrabrillantes pueden hacer estallar muestras en una pequeña fracción de segundo. Afortunadamente, en la mayoría de los casos, los investigadores pueden tomar los datos que necesitan antes de que se produzca el daño.
El nuevo estudio, publicado hoy en Física de la naturaleza , muestra con detalle microscópico cómo se desarrolla la interacción explosiva y proporciona pistas sobre cómo podría afectar los experimentos con láser de rayos X.
Stan y su equipo analizaron dos formas de inyectar líquido en la trayectoria del láser de rayos X: como una serie de gotas individuales o como un chorro continuo. Por cada pulso de rayos X que golpea el líquido, el equipo tomó una imagen, cronometrado de cinco billonésimas de segundo a una diezmilésima de segundo después del pulso. Encadenaron cientos de estas instantáneas en películas.
"Gracias a un sistema de imagen especial desarrollado para este propósito, pudimos grabar estas películas por primera vez", dice el coautor Sébastien Boutet de LCLS. "Utilizamos un láser óptico ultrarrápido como una luz estroboscópica para iluminar elexplosión, e hizo imágenes con un microscopio de alta resolución que es adecuado para usar en la cámara de vacío donde los rayos X golpean las muestras ".
Las imágenes muestran cómo un pulso de rayos X desgarra una gota de líquido. Esto genera una nube de partículas más pequeñas y vapor que se expande hacia las gotas vecinas y las daña. Estas gotas dañadas comienzan a moverse hacia las siguientes gotas más cercanas y se fusionancon ellos.
En el caso de los chorros, las películas muestran cómo el pulso de rayos X perfora inicialmente un agujero en la corriente de líquido. Este espacio continúa creciendo, con los extremos del chorro a cada lado del espacio comenzando a formar un delgadopelícula líquida. La película desarrolla una forma de paraguas, que finalmente se pliega y se funde con el chorro.
predicción de desafíos y oportunidades futuros
Con base en sus datos, los investigadores pudieron desarrollar modelos matemáticos que describen con precisión el comportamiento explosivo para una serie de factores que los investigadores varían de un experimento LCLS a otro, incluida la energía del pulso, el tamaño de la gota y el diámetro del chorro.
También pudieron predecir cómo la formación de huecos en los jets podría plantear un desafío en los experimentos en las futuras fuentes de luz XFEL europeo en Alemania y LCLS-II, en construcción en SLAC. Ambos son láseres de rayos X de próxima generación que dispararánmiles de veces más rápido que las instalaciones actuales.
"Los chorros en nuestro estudio tomaron hasta varias millonésimas de segundo para recuperarse de cada explosión, por lo que si los pulsos de rayos X entran más rápido que eso, es posible que no podamos utilizar cada pulso para un experimento,"Stan dice." Afortunadamente, nuestros datos muestran que ya podemos sintonizar los jets más utilizados de manera que se recuperen rápidamente, y hay formas de hacer que se recuperen aún más rápido. Esto nos permitirá hacer uso de LCLS-IIpotencial completo."
Las películas también muestran por primera vez cómo una explosión de rayos X crea ondas de choque que viajan rápidamente a través del chorro de líquido. El equipo espera que estos datos puedan beneficiar a experimentos novedosos, en los que las ondas de choque de un disparador de pulso de rayos Xcambios en una muestra que sondeados por un pulso posterior de rayos X. Esto abriría nuevas vías para estudios de cambios en la materia que ocurren en escalas de tiempo más cortas que las actualmente accesibles.
Otras instituciones involucradas en el estudio fueron el Instituto Max Planck de Investigación Médica, Alemania; la Universidad de Princeton; y el Instituto Paul Scherrer, Suiza. Se recibieron fondos de la Oficina de Ciencia del DOE; Sociedad Max Planck; Proyecto de Ciencias Human Frontiers; y el Laboratorio SLACPrograma dirigido de investigación y desarrollo.
Video: http://www.youtube.com/watch?v=v5bH01qNN0Y
Video: http://www.youtube.com/watch?v=8hm5hAI8fvg
Video: http://www.youtube.com/watch?time_continue=2&v=acIU0-RVaMs
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Laboratorio Nacional de Aceleradores SLAC . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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