一種名為靈活成像衍射診斷儀（FIDDLE）的專用儀器被設計用來捕捉材料性質的瞬時、原子級變化。這項技術專門為國家點火設施（NIF）實驗平台開發，旨在進行激光驅動的壓縮實驗。它將非熔融材料置於極端的温度和壓力（高達地球大氣壓的 1 至 1000 萬倍），以捕捉材料相變化過程中的原子級變化。該儀器由洛斯阿拉莫斯國家實驗室（LLNL）與桑迪亞國家實驗室及先進的 hCMOS 系統聯合開發，最近獲得了著名的 R&D 100 獎。
FIDDLE 儀器的技術創新提升材料觀測能力
極高精度的快照顯示，碳原子可以變成柔軟的石墨或足以切割鋼鐵的鑽石。這種差異取決於原子的排列。在亞原子級別上，原子排列方式的微小變化會影響材料的所有性質。專家們長期以來一直希望在極端條件下實時觀測這些結構轉變，但由於變化速度過快，且壓力過於猛烈，標準攝影機無法倖免於難。然而，FIDDLE 可能會解決這一問題。
FIDDLE 用於「動態壓縮」測試。巨大的激光束撞擊非熔融的目標材料，將其推至高達地球大氣壓的 1000 萬倍的壓力。這一切發生在數十納秒內。在這種巨大的壓力下，目標的內部晶體結構扭曲和移動。「理解材料相之間差異的常見方法是考慮鑽石與石墨之間的物理差異。」LLNL 的物理學家卡拉·維納裏（Cara Vennari）解釋道。「宏觀材料行為的劇烈差異與在埃級（angstrom）尺度上發生的變化有關。」
為了觀察這些埃級的變化，FIDDLE 使用了一種高度專業的技術。一組次級激光束照射到附近的金屬箔上，產生短暫的 X 射線閃光。當這些 X 射線穿過被壓縮的樣本時，會彎曲和散射，從而形成 X 射線衍射圖樣。捕捉該圖樣是舊有儀器面臨的挑戰。先前的診斷儀器僅能在實驗結束或設備故障前拍攝一兩個快照，而 FIDDLE 則能做到更多。它將多達八個定製混合 CMOS 傳感器整合到一個緊密集中的陣列中，距離目標僅 50 毫米，這些傳感器能快速捕捉四到八張不同的圖像。
有趣的是，幀之間的時間間隔為兩納秒。結果是一個時間解析序列，準確顯示材料在壓力下的原子網格是如何演變的。建造這一儀器並不容易。在激光發射過程中，NIF 的目標腔室內部是一片混亂，充滿了碎片、飛散的金屬碎片和刺眼的背景輻射。此外，它還會產生強烈的電磁脈衝，可能會損壞某些電子設備。工程團隊不得不建造重型屏蔽，以將這一重達 130 公斤的儀器與這一惡劣環境隔離。
為了防止密集排列的傳感器芯片過熱，還增加了強制空氣和水冷卻迴路。早期測試面臨一個令人沮喪的障礙：背景 X 射線滲入數據並模糊了圖像。解決方案是著眼於目標本身。團隊通過微妙地修整和傾斜目標外部邊緣，成功地為傳感器遮蔽了來自錯誤輻射的影響，信號變得清晰。目前，該系統已在鉛樣本上進行測試，並將捕獲的數據與已知的相圖進行比較，以完善儀器的校準。接下來的計劃是將 FIDDLE 用於高度機密的庫存管理材料和對天體物理學至關重要的元素。
