DIFFRACTION EXPERIMENT INVESTIGATIONS OF ULTRAFAST ...ssrc.inp.nsk.su/CKP/userdoc/SFR/2018.06.27/02 Tolochko.pdf · KOSOV, ALEKSANDR EVDOKOV, OLEG NAZMOV, VLADIMIR BUDKER INSTITUTE

TIME-RESOLVED X-RAY DIFFRACTION EXPERIMENT

INVESTIGATIONS OF ULTRAFAST PROCESSES IN

BINP. STATUS AND PERSPECTIVES

TOLOCHKO BORIS, TEN, KONSTANTIN ARAKCHEEV, ALEKSEY AULCHENKO, VLADIMIR SHEKHTMAN, LEV ZHULANOV VLADIMIRZOLOTAREV, KONSTANTIN KOSOV, ALEKSANDREVDOKOV, OLEGNAZMOV, VLADIMIR

BUDKER INSTITUTE OF NUCLEAR PHYSICS SB RAS LAVRENTEV INSTITUTE OF HYDRODINAMICS SB RAS INSTITUTE OF SOLID STATE CHEMISTRY AND MECHANOCHEMISTRY SB RAS

MOTIVATION: SYNTHESIS OF NEW MATERIALS

• Preparation of new materials at extremely high temperatures and pressures (10000 C, 10000 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 ms

• Explosion chamber for 200 g of TNT

• X-ray focusing optics

• SKIF

2

Carbon phase diagram and load-reload model.

THE IDEA OF EXPERIMENT

SAXS

WAXS

Absorbsion, XAFS (?)

Diamonds

-3 -2 -1 0 1 2

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7 Trotil press, 1,61

D=7.0 km/s

Z, mm

S -average

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

?SKIF

HOW RECEIVE HIGH PRESSURE AND TEMPERATURE ? BY USING DETONATION, SHOCK WAVES AND LASER

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

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

1

2

34

5

67

Synchrotron radiation

beam

200 g explosives

100 J100 ms1 mm2


intensity



• LASER 100 J, 100 ms



• SKIF

5

SYNCHROTRON RADIATION GENERATION

STORAGE RING VEPP-3:

wiggler

SR

Period – 250 nsInterval – 250 nsInterval* – 125 nsExposure - 1000 ps

Storage ring VEPP-4:

Period – 1200 nsinterval – 5 nsinterval – 10 nsinterval – 15 nsinterval – 20 nsexposure 73 ps

FastDetectorDIMEX

VEPP-3

VEPP-4

125 ns

20 ns

Explosive

Products of detonation

Explosion chamber

100 ns

7

EXPERIMENTAL CONDITIONS • New wigglers – new spectrum range, high intensity


• New detectors – picosecond time resolution (exposure time), interval 100 ns

• LASER 100 J, 100 ms



• BINP support (director, laboratories heads, scientific council)

• SKIF

8

9

DIMEX-G

Strip structure for

DIMEX-Si


intensity



• LASER 100 J, 100 ms



• SKIF

10

wiggler

SR

VEPP-3

explosionchamber

detonationfront

electronsbunches

productsof detonation

SAXSdetector

transmittedbeam

detectorexplosive

wires detectors

Experimental setup of explosion experiment at VEPP-3

11

SYNCHROTRON RADIATION EXPERIMENTAL STATION FOR EXPLOSION INVESTIGATION

12

EXPERIMENTAL STATION “DETONATION” AT VEPP-4

Detector DIMEX

Explosive diameter 40 mmWeight 200 g

SAXS with exposure 73 ps


intensity





• LASER 100 J, 100 ms

• SKIF

14

X-RAY OPTIC 150000 ELEMENTS

MATERIALS: PMMA, SU-8, NI

V.NAZMOV REPORT

СИ100 мм

37 м

м


intensity





• LASER 100 J, 100 ms

• SKIF

16

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

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

The experimental data of model experiment with LASER pulse heating .

17

“PLASMA” SETUP

SCIENTIFIC RESULTS

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 0 1 2 3 4

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

0

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

of explosives TNT/RDX 50/50,

diameter 7 mm, 10 mm and 12,5

mm, 13 ns time resolution

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 0 1 2

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7 Trotil press, 1,61

D=7.0 km/s

Z, mm

S -average

BINP. SR experimentExperimental date received in explosion

experiment of TNT.

Density distribution.

DENSITY MEASUREMENT OF EXPLOSION PRODUCTS AFTER DETONATION FRONT WITH USING SYNCHROTRON RADIATION

Experiment setup.

Synchrotron

radiation

Density reconstruction of explosion product of TNT.

Density measurement of explosion products after detonation front

with using synchrotron radiation. Precision 1 % !

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

0

2000

4000

6000

8000

10000absorption correction

for 20 keV photons

SA

XS

In

ten

sity, a

.u.

Time, ms

1

2 (10% correction)

3 (19% correction)

4 (34% correction)

experimental data

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.

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

26

Correction of Zeldovich theory and textbooks for university

DIAMOND SIZE GROWTH DURING TNT DETONATION

• Rubtsov Ivan – student Novosibirsk University

• Argonne National Laboratory –APS (2017 dates)

27

1 – metal foil; 2 – explosive; 3 –

detonation lens; 4 –explosive.

Experiment setup

Схема измерения МУРР. К1 и К2 – ножи, формирующие пучок SR размером 20 х 0,5 мм, R3 – нож, закрывающий прямой пучок SR, SAXS – рассеянное

излучение SR, D – детектор DIMEX-3. h – расстояние между пучком SR и метаемой пластиной. 1 – исследуемая пластина; 2 – ускоряющий заряд; 3 –

плосковолновая линза; 4 –порошковый тэн.

Relay – Taylor Instability on metal surface.

23.07.2018 28


intensity





• LASER 100 J, 100 ms

• SKIF

29

СПЕКТРЫ ИЗЛУЧЕНИЯ НОВОГО ИСТОЧНИКА СИ

NEW PHOTON SOURCE: SKIF

Основные преимущества нового источника:

• Более высокая интенсивность

• Более широкий спектр – до 200 кэВ

• Монохроматическое излучение из ондуляторов

• Размер источника – 3 мкм (100 мкм на ВЭПП-3)

ACCELERATOR ILU-6/14 WILL BE INSTALLED AT SR BEAMLINE

31

EXPLOSION CHAMBER FOR 2 KG OF TNT WILL BE INSTALLED AT SR BEAMLINE

Фазовая диаграмма углерода и модель

нагрузки – разгрузки.

NEW POSSIBILITY AT SKIF

33

SR

ОБЩАЯ СХЕМА СТАНЦИИБЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ

Эскизный проект экспериментальной станции

«Высокие температуры»

Станция ориентирована на проведения исследований атомной структуры и фазовых переходов при температурах от

комнатной

до 5000 °С.

Задачи, которые будут решаться на станции:

1. Проведение исследований в ходе синтеза высокотемпературных материалов (оксидов,боридов, карбидов) в

процессе электроно-лучевой и лазерной обработки.

2. Получение высокотемпературных композиционных материалов для деталей гиперзвуковых и космических

летательных аппаратов и нужд ядерной энергетики

3. Материаловедческие задачи (отжиг, рекристаллизация, текстурирование) при высоких температурах.

Станции «ЭКСТРЕМАЛЬНО ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР»

EXTREMAL CONDITION BEAM LINE

DESCENDING DETONATION WAVES

СХОДЯЩИЕ ДЕТОНАЦИОННЫЕ ВОЛНЫ

• . а -- схема экспериментального узла со столкновением плоских ударных волн в исследуемом образце. 1 электродетонатор; 2 электроконтактный датчик; 3 детонационная разводка (ПС-83); 4 плосковолновой генератор; 5 диск из взрывчатого вещества; 6 металлическая пластина (медь М1); 7 цилиндрический образец (ПММА). б -- количество массы на луче на встречныхударных волнах в ПММА.

2-CASCADE GAS GUN WITH A BULLET 60 MM IN DIAMETER 200 MM

LENGTH 2-Х КАСКАДНАЯ ГАЗОВАЯ ПУШКА С ПУЛЕЙ ДИАМЕТРОМ 60 ММ

41

SAXS with 1 ns exposure

1 нм 1 мкм

42

ВЭПП-3

ВЭПП-4

-20 0 20 40 1200 1220 1240 1260

0

50

100

Ин

тен

сивн

ост

ь, у.е

.

Время, нс

1221 нс

5,5 нсd 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 при

непрерывном заполнении сепаратрис.

Теоретически возможная временная структура рентгеновских

импульсов СИ при 5-ти банчевом режиме. 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

THANK YOU FOR ATTENTION

43

SAXS with 1 ns exposure

44

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ ДЛЯ МУРР

• ВЭПП-3:Количество наночастицРазмер наночастиц в диапазоне 1-100 нм• ВЭПП-4Формфоктор наночастиц (кристаллическая структура, распределение плотности внутри частицы)Размер наночастиц в диапазоне 1-1000 нм

Возможность исследования откольных иявлений (пыление)45

46

Время, нс

Ин

тен

си

вн

ость

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

47

Время, нс

Ин

тен

си

вн

ость

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.

48

Время, нс

Ин

тен

сивн

ост

ь

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

ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ РАЗВИТИЯ РАБОТ С СИНХРОТРОННЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ НА ВЭПП-4

Изменение фундаментальных параметров синхротронного излучения при увеличении энергии

Критическая энергияec [keV] = 0.665 E2 [GeV] B[T])

Расходимость пучка СИ

1/g g = electron energy/mec2 (me = electron mass, c = velocity of light)

Яркость [photons·s–1·mr–2·(0.1% bandwidth)–1],

49

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

50

НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ НА ВЭПП-4

• Спектры излучения на ВЭПП-3 и ВЭПП-4 за 1 нс51

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

52

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 кадра

сигналоператораК.А.Тен

быстрыйзатвор

запускдетонатора

контактный датчик

DIMEX

1 10 20 30 40 50 60

t= 125 нс


ВЧ сигнал

53

THANK YOU FOR ATTENTION

54

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

67

Synchrotron radiation beam

55

56

Photo diodes micro strip plate designed and produced for DIMEX-G

Parameters of DIMEX

Number of strips– 1024

Strip width– 50 micron

Frame number – 128

Frame duration– от 50 ns

Exposure time – 73 ps

23.07.2018

SAXS at DIMEX window

Documents

DIFFRACTION EXPERIMENT INVESTIGATIONS OF ULTRAFAST ...ssrc.inp.nsk.su/CKP/userdoc/SFR/2018.06.27/02 Tolochko.pdf · KOSOV, ALEKSANDR EVDOKOV, OLEG NAZMOV, VLADIMIR BUDKER INSTITUTE