Zweiachsige hydrodynamische Röntgenprüfanlage - Dual-Axis Radiographic Hydrodynamic Test Facility

Die zwei-achsige röntgenologische Hydrodynamischen Versuchsanlage ( DARHT ) ist eine Einrichtung , in Los Alamos National Laboratory , den Teil des ist Department of Energy ‚s Halde Stewardship - Programm. Es werden zwei große Röntgengeräte verwendet, um dreidimensionale Innenbilder von Materialien aufzunehmen. In den meisten Experimenten werden Materialien einem hydrodynamischen Schock ausgesetzt , um den Implosionsprozess in Atombomben und / oder die Auswirkungen starker hydrodynamischer Beanspruchung zu simulieren . Die Tests werden als "vollständige Modelle der Ereignisse, die die nukleare Detonation auslösen" beschrieben. Die leistungsstarken gepulsten Röntgenstrahlen ermöglichen die Erstellung eines ultraschnellen Films, der die Details des untersuchten Prozesses in drei Dimensionen zeigt. Die Tests werden häufig mit Computersimulationen verglichen, um die Genauigkeit des Computercodes zu verbessern. Solche Tests fallen unter die Kategorie der unterkritischen Tests .

Geschichte

Die Planung für DARHT begann in den frühen 1980er Jahren. Basierend auf dem Erfolg von Livermores FXR-Induktions-Linac-Anlage entschied sich Los Alamos 1987 für denselben Beschleunigertyp als Ersatz für PHERMEX, einen 1963 in Betrieb genommenen HF-Beschleuniger.

Das Projekt wurde zu einer wichtigen Priorität, nachdem die USA 1992 den Test von Atomwaffen eingestellt hatten. Die Genehmigung für eine Überholung und eine neue Achse erfolgte schrittweise, wobei die erste Achse 1992 für den Bau genehmigt wurde und die zweite Achse (zunächst ein Zwilling der ersten) ) im Jahr 1997. Dieser Plan wurde geändert, als das Energieministerium beschloss, dass die zweite Achse nicht eine Ansicht der Implosion liefern soll, sondern eine Reihe von Ansichten in schneller Folge.

Der Bau wurde zwischen 1995 und 1996 aufgrund von Klagen der Los Alamos Study Group und der Concerned Citizens for Nuclear Safety, zwei Anti-Atomwaffen-Organisationen, die vom Labor eine Umweltverträglichkeitserklärung für den Bau und Betrieb verlangen, eingestellt. Aktivisten argumentierten, dass DARHT gegen den Vertrag über das umfassende Verbot von Tests und möglicherweise gegen den Vertrag über die Nichtverbreitung von Kernwaffen verstößt , obwohl das Labor und das DOE diese Ansicht ablehnen.

Nach seiner Fertigstellung im Jahr 1999 erzeugte der Beschleuniger der ersten Achse einen 60-ns-Elektronenimpuls mit einem Strom von 2 kA und einer Energie von 20 MeV, der auf einen Punkt mit 1 mm Durchmesser auf dem Ziel fokussiert war - die kleinste Punktgröße und kürzeste Impulslänge, die jemals bei dieser Intensität erreicht wurde. Infolgedessen war die Bildqualität etwa dreimal höher als in der FXR-Einrichtung von Livermore.

Die zweite Maschine (zweite Achse) ist komplizierter und wurde bei ihrer ersten Fertigstellung im Jahr 2003 aufgrund eines Stromausfalls als unbrauchbar befunden. Es stellte sich heraus, dass der Ursprung des elektrischen Durchschlags unerwartet hohe elektrische Felder zwischen der Hochspannungsplatte und den ölisolierten Magnetkernen sowie an Stellen waren, an denen sich Metall, Hochspannungsisolator und Vakuum in den Zellen treffen. Nach eingehender Analyse wurde der Konstruktionsfehler auf fehlerhafte Geräte zurückgeführt, die bei Spannungskalibrierungen verwendet wurden.

Es war eine umfassende Überarbeitung und Umgestaltung des Entwurfs erforderlich, die 2008 abgeschlossen wurde. Das Projekt sollte ursprünglich 1988 30 Millionen US-Dollar kosten, aber die Kosten stiegen schließlich bis 2008 auf 350 Millionen US-Dollar, als die Anlage vollständig in Betrieb genommen wurde.

Beschreibung

Schema des linearen Induktionsbeschleunigers

Das 2., überholte Gaspedal

Während der entscheidenden Auslösephase einer Waffe werden an mehreren Stellen Sprengladungen gezündet, die den Kernbrennstoff umgeben. Das Ergebnis ist eine Stoßwelle, die sich mit Überschallgeschwindigkeit nach innen bewegt ( Implosion ) und den Kraftstoff auf eine immer höhere Dichte komprimiert. Die Implosion endet, wenn der Brennstoff eine überkritische Dichte erreicht, bei der Kernreaktionen im Brennstoff eine unaufhaltsame Energiemenge aufbauen, die dann bei einer massiven Explosion freigesetzt wird. Um das Modell nicht nuklear zu machen, steht ein Schwermetallsurrogat (wie abgereichertes Uran oder Blei ) für den Kernbrennstoff, aber alle anderen Komponenten können exakte Nachbildungen sein. Es können auch unterkritische Plutoniummassen verwendet werden.

Unter solchen extremen Implosionskräften neigen Materialien dazu, sich wie Flüssigkeiten zu verhalten, daher wird diese Scheinimplosion als hydrodynamischer Test oder Hydrotest bezeichnet. Standardmäßig wird ein einzelner Stop-Action-Schnappschuss des Inneren des Waffenmodells erstellt, während die geschmolzenen Komponenten mit Tausenden von Metern pro Sekunde nach innen rasen.

Röntgenstrahlen , die in einem Waffenmodell in das Schwermetall eindringen können, werden mit einem Elektronenbeschleuniger erzeugt . Ein Elektronenstrahl, der sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit bewegt, wird in ein Wolframtarget eingeschlagen. Die Elektronen werden durch den starken elektrostatischen Zug der positiv geladenen Kerne in den Wolframatomen vom Kurs abgezogen, und ihre plötzliche Richtungsänderung bewirkt, dass sie in Form von Bremsstrahlung Energie in Form von energiereichen Röntgenstrahlen abgeben .

Wissenschaftler wussten bereits, wie man einen kurzen Stoß (Impuls) energiereicher Elektronen (anstelle eines kontinuierlichen Strahls) verwendet, um einen kurzen Impuls energiereicher Röntgenstrahlen zu erzeugen, die auf herkömmlichen Röntgenfilmen aufgezeichnet wurden. Die neue Herausforderung bestand darin, dass der Beschleuniger eine sehr große Anzahl von Elektronen in einem extrem starken Impuls abgibt, um einen Röntgenblitz zu erzeugen, der das Modell während der ultradichten Implosion durchdringen kann. Die Spezifikationen erfordern eine Impulsbreite von 60 Milliardstel Sekunden.

Jeder Elektronenbeschleuniger besteht aus einer langen Reihe von Donut-förmigen magnetischen Induktionszellen, die jeweils mit einem Hochspannungsgenerator verbunden sind. In jedem Gaspedal befinden sich insgesamt 74, aber möglicherweise werden nicht alle verwendet. Zum Zeitpunkt des Zündens entlädt jeder Generator seine Leistung und erzeugt durch seine Induktionszelle einen elektrischen Stromimpuls, der wiederum eine große Spannungsdifferenz über den Spalt erzeugt, der diese Zelle von ihrem Nachbarn trennt. Der Elektronenstrahlimpuls wandert durch die zentrale Bohrung der Zellen und erhält jedes Mal, wenn er durch eine Lücke geht , einen 200 keV- Energiestoß.

Eines der Konstruktionsprobleme bestand darin, die neuen Induktionskerne so zu konstruieren, dass sie in die Grenzen der vorherigen Anlage passen. Das Designteam musste den in den Kernen der ersten Achse verwendeten Ferrit durch " Metglas " ersetzen - papierdünne Bänder aus amorphem Eisenband. Die maximale Magnetfeldstärke (Sättigungspunkt) in Metglas ist fünfmal höher als in Ferrit. Das Magnetband wurde durch dünne Mylarschichten isoliert und zu einer Rolle von 20.000 Windungen aufgewickelt, um Mammutkerne mit einem Durchmesser von sechs Fuß herzustellen, die jeweils vier Zoll breit waren und mehr als eineinhalb Tonnen wogen. In jede Induktionszelle passen vier Kerne.

Der vielleicht bedeutendste technische Fortschritt, der in der DARHT-Anlage erzielt wurde, ist die Hochgeschwindigkeitskamera, mit der Röntgenstrahlen auf der zweiten Achse abgebildet werden. Diese Kamera verwendet das weltweit größte LSO-Kristallarray, um die Röntgenstrahlen in sichtbares Licht umzuwandeln, das dann mit der weltweit schnellsten CCD-Kamera (gemeinsam von MIT und Los Alamos entwickelt) mit mehr als zwei Millionen Bildern pro Sekunde abgebildet wird. Diese Szintillationskamera wird durch ein großes Streustrahlengitter („Bucky“) ergänzt, um den Bildkontrast zu verbessern. Die einzigartige Kombination von Diagnosen löst technische Überwachungsprobleme, die seit dem Manhattan-Projekt bestehen, und ermöglicht es den Vereinigten Staaten, ein höheres Vertrauen in die Leistung und die Sicherheitsmargen der Nuklearvorräte zu schaffen, ohne dass Nuklearversuche erforderlich sind.