يستطيع الجهاز الجديد الذي ابتكره علماء أمريكيون التقاط التغيرات على المستوى الذري في المواد تحت الضغط
تم تصميم أداة متخصصة تسمى تشخيص حيود التصوير المرن لتجارب الليزر (FIDDLE) لالتقاط التغيرات في أجزاء من الثانية على المستوى الذري في خصائص المواد. تم تطوير هذه التقنية خصيصًا للمنصة التجريبية لمرفق الإشعال الوطني (NIF). تم تصميم FIDDLE لتجارب الضغط المعتمدة على الليزر. إنه يُخضع المواد غير القابلة للانصهار لدرجات حرارة وضغوط شديدة (من 1 إلى 10 ملايين ضعف الضغط الجوي للأرض) لالتقاط التغيرات على المستوى الذري مع تغير مراحل المواد. تم تطوير الجهاز بواسطة مختبر لورانس ليفرمور الوطني (LLNL) جنبًا إلى جنب مع مختبرات سانديا الوطنية وأنظمة hCMOS المتقدمة، وقد حصل الجهاز مؤخرًا على جائزة R&D 100 المرموقة. لقطات فائقة الدقة يمكن أن تصبح ذرات الكربون لطخة ناعمة من الجرافيت أو ماسًا قويًا بما يكفي لقطع الفولاذ. الفرق هو مسألة التخطيط. على المستوى دون الذري، يؤدي تحول بسيط في كيفية ترتيب الذرات إلى تغيير كل شيء يتعلق بكيفية سلوك المادة. لقد سعى الخبراء منذ فترة طويلة إلى مراقبة هذه التحولات الهيكلية في الوقت الحقيقي في ظل ظروف قاسية. لم يتمكنوا من ذلك. تحدث التغييرات بسرعة كبيرة جدًا، وتحت ضغوط عنيفة جدًا بحيث لا تستطيع الكاميرات القياسية البقاء على قيد الحياة. ولكن الآن، يمكن لـ FIDDLE حل هذه المشكلة. يتم استخدام FIDDLE في اختبارات “الضغط الديناميكي”. تصطدم أشعة الليزر العملاقة بمواد مستهدفة غير قابلة للانصهار، مما يدفعها إلى ضغط يصل إلى 10 ملايين مرة أكبر من الغلاف الجوي للأرض. كل هذا يحدث في عشرات النانو ثانية. تحت هذا الوزن الساحق، يتشوه الهيكل البلوري الداخلي للهدف ويتغير. أوضحت كارا فيناري، عالمة الفيزياء في LLNL: “إن إحدى الطرق الشائعة لتقدير الاختلافات بين مراحل المواد هي النظر في الاختلافات الفيزيائية بين الماس والجرافيت”. “ترتبط الاختلافات الجذرية في سلوك المواد العيانية بالتحولات التي تحدث حسب ترتيب الأنجستروم.” ولرؤية هذه التحولات في مقياس أنجستروم، يستخدم FIDDLE تقنية عالية التخصص. وتضرب مجموعة ثانوية من أشعة الليزر رقاقة معدنية قريبة، مما يولد وميضًا قصيرًا من الأشعة السينية. وعندما تمر هذه الأشعة السينية عبر العينة المضغوطة، فإنها تنحني وتنتشر. وهذا يخلق نمط حيود الأشعة السينية. إن التقاط هذا النمط هو المكان الذي واجهت فيه الأدوات القديمة تحديات. يمكن للتشخيصات السابقة إدارة لقطة واحدة أو اثنتين فقط قبل انتهاء التجربة أو فشل المعدات. يمكن لـ FIDDLE أن يفعل المزيد. فهو يحتوي على ما يصل إلى ثمانية مستشعرات CMOS هجينة مخصصة في مجموعة واحدة مجمعة بإحكام. تستقر هذه المستشعرات على بعد 50 ملم فقط من الهدف، وتلتقط ما بين أربع إلى ثماني صور مميزة بتتابع سريع. ومن المثير للاهتمام أن التوقيت بين الإطارات يبلغ نانوثانية. والنتيجة هي تسلسل محدد زمنيًا يُظهر بالضبط كيف تتطور الشبكة الذرية للمادة تحت الضغط. تحسين الإشارة لم يكن بناء الأداة سهلاً. الجزء الداخلي من الغرفة المستهدفة لـ NIF أثناء طلقة الليزر عبارة عن كابوس فوضوي من الشظايا والحطام المعدني المتطاير والإشعاع الخلفي المسببة للعمى. كما أنها تنتج نبضات كهرومغناطيسية مكثفة قادرة على قلي بعض الإلكترونيات. واضطر الفريق الهندسي إلى بناء درع ثقيل لعزل الأداة التي يبلغ وزنها 130 كيلوغراما عن هذه البيئة المعادية. تمت إضافة حلقات تبريد الهواء والماء القسري لمنع ارتفاع درجة حرارة رقائق الاستشعار المكتظة. واجهت الاختبارات المبكرة عقبة محبطة: فقد كانت الأشعة السينية الخلفية تتسرب إلى البيانات وتتسبب في تشويش الصور. تم حلها من خلال التركيز على السكن المستهدف نفسه. تمكن الفريق من حجب أجهزة الاستشعار من الإشعاع المارق ببساطة عن طريق حلق الحافة الخارجية للجسم المستهدف وضبط زاويةها بمهارة. تم مسح الإشارة. حتى الآن، تم اختبار النظام على عينات من الرصاص، ومقارنة البيانات الملتقطة مع مخططات الطور المعروفة لتحسين معايرة الجهاز. بعد ذلك، تتمثل الخطة في تحويل FIDDLE نحو مواد إدارة المخزونات شديدة السرية والعناصر المهمة للفيزياء الفلكية.
تم النشر: 2026-06-15 10:21:00
