The highly transient nature of shock loading and pronounced microstructure effects on dynamic materials response call for in situ, temporally and spatially resolved, x-ray-based diagnostics. Third-generation synchrotron x-ray sources are advantageous for x-ray phase contrast imaging (PCI) and diffraction under dynamic loading, due to their high photon fluxes, high coherency, and high pulse repetition rates. The feasibility of bulk-scale gas gun shock experiments with dynamic x-ray PCI and diffraction measurements was investigated at the beamline 32ID-B of the Advanced Photon Source. The x-ray beam characteristics, experimental setup, x-ray diagnostics, and static and dynamic test results are described. We demonstrate ultrafast, multiframe, single-pulse PCI measurements with unprecedented temporal (<100 ps) and spatial (∼2 μm) resolutions for bulk-scale shock experiments, as well as single-pulse dynamic Laue diffraction. The results not only substantiate the potential of synchrotron-based experiments for addressing a variety of shock physics problems, but also allow us to identify the technical challenges related to image detection, x-ray source, and dynamic loading.

1.
L.
Davison
and
R. A.
Graham
,
Phys. Rep.
55
,
255
(
1976
).
2.
M. A.
Meyers
,
Dynamic Behavior of Materials
(
Wiley
,
New York
,
1994
).
3.
G. I.
Kanel
,
Int. J. Fract.
163
,
173
(
2010
).
4.
MaRIE: Matter-Radiation Interactions in Extremes, LALP-10-059, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos,
2010
.
5.
L. M.
Barker
and
R. E.
Hollenbach
,
J. Appl. Phys.
43
,
4669
(
1972
).
6.
W. M.
Trott
,
L. C.
Chhabildas
,
M. R.
Baer
, and
J. N.
Castaneda
, in
Shock Compression of Condensed Matter–2001
, Vol. CP620, edited by
M. D.
Furnish
,
N. N.
Thadhani
, and
Y.
Horie
(
AIP Conference Proc.
,
Melville
,
2002
) pp.
845
848
.
7.
D. L.
Paisley
,
S. N.
Luo
,
S. R.
Greenfield
, and
A. C.
Koskelo
,
Rev. Sci. Instrum.
79
,
023902
(
2008
).
8.
P. M.
Celliers
,
D. J.
Erskine
,
C. M.
Sorce
,
D. G.
Braun
,
O. L.
Landen
, and
G. W.
Collins
,
Rev. Sci. Instrum.
81
,
035101
(
2010
).
9.
C. L.
Morris
,
N. S. P.
King
,
K.
Kwiatkowski
,
F. G.
Mariam
,
F. E.
Merrill
, and
A.
Saunders
, “
Charged particle radiography
Rep. Prog. Phys.
(submitted).
10.
N. S. P.
King
,
E.
Ables
,
K.
Adams
,
K.
Alrick
,
J.
Amanna
,
S.
Balzar
,
P. D.
Barnes
 Jr.
,
M. L.
Crow
,
S. B.
Cushing
,
J. C.
Eddleman
,
T. T.
Fife
,
P.
Flores
,
D.
Fujino
,
R. A.
Gallegos
,
N. T.
Gray
,
E. P.
Hartouni
,
G. E.
Hogan
,
V. H.
Holmes
,
S. A.
Jaramillo
,
J. N.
Knudsson
,
R. K.
London
,
R. R.
Lopez
,
T. E.
McDonald
,
J. B.
McClelland
,
F. E.
Merrill
,
K. B.
Morley
,
C. L.
Morris
,
F. J.
Naivar
,
E. L.
Parker
,
H. S.
Park
,
P. D.
Pazuchanics
,
C.
Pillai
,
C. M.
Riedel
,
J. S.
Sarracino
,
F. E.
Shelley
 Jr.
,
H. L.
Stacy
,
B. E.
Takala
,
R.
Thompson
,
H. E.
Tucker
,
G. J.
Yates
,
H.-J.
Ziock
, and
J. D.
Zumbro
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
424
,
84
(
1998
).
11.
G.
Dimonte
,
G.
Terrones
,
F. J.
Cherne
,
T. C.
Germann
,
V.
Dupont
,
K.
Kadau
,
W. T.
Buttler
,
D. M.
Oro
,
C.
Morris
, and
D. L.
Preston
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
264502
(
2011
).
12.
J.
Wang
,
E.
Landahl
,
T.
Graber
,
R.
Pahl
,
L.
Young
,
L. X.
Chen
, and
E. E.
Alp
,
Synchrotron Radiat. News
18
,
24
(
2005
).
13.
S. W.
Wilkins
,
T. E.
Gureyev
,
D.
Gao
,
A.
Pogany
, and
A. W.
Stevenson
,
Nature (London)
384
,
335
(
1996
).
14.
K.
Fezzaa
and
Y.
Wang
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
104501
(
2008
).
15.
D. H.
Kalantar
,
J. F.
Belak
,
G. W.
Collins
,
J. D.
Colvin
,
H. M.
Davies
,
J. H.
Eggert
,
T. C.
Germann
,
J.
Hawreliak
,
B. L.
Holian
,
K.
Kadau
,
P. S.
Lomdahl
,
H. E.
Lorenzana
,
M. A.
Meyers
,
K.
Rosolankova
,
M. S.
Schneider
,
J.
Sheppard
,
J. S.
Stölken
, and
J. S.
Wark
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
075502
(
2005
).
16.
G. E.
Ice
,
J. D.
Budai
, and
J. W. L.
Pang
,
Science
334
,
1234
(
2011
).
17.
H. N.
Chapman
,
A.
Barty
,
M. J.
Bogan
,
S.
Boutet
,
M.
Frank
,
S. P.
Hau-Riege
,
S.
Marchesini
,
B. W.
Woods
,
S.
Bajt
,
W. H.
Benner
,
R. A.
London
,
E.
Plonjes
,
M.
Kuhlmann
,
R.
Treusch
,
S.
Dusterer
,
T.
Tschentscher
,
J. R.
Schneider
,
E.
Spiller
,
T.
Moller
,
C.
Bostedt
,
M.
Hoener
,
D. A.
Shapiro
,
K. O.
Hodgson
,
D.
van der Spoel
,
F.
Burmeister
,
M.
Bergh
,
C.
Caleman
,
G.
Huldt
,
M. M.
Seibert
,
F. R. N. C.
Maia
,
R. W.
Lee
,
A.
Szoke
,
N.
Timneanu
, and
J.
Hajdu
,
Nat. Phys.
2
,
839
(
2006
).
18.
S. J.
Turneaure
,
Y. M.
Gupta
,
K.
Zimmerman
,
K.
Perkins
,
C. S.
Yoo
, and
G.
Shen
,
J. Appl. Phys.
105
,
053520
(
2009
).
19.
J. D.
Yeager
,
S. N.
Luo
,
B. J.
Jensen
,
K.
Fezzaa
,
D. S.
Montgomery
, and
D. E.
Hooks
,
Composites, Part A
43
,
885
(
2012
).
20.
B. J.
Jensen
,
S. N.
Luo
,
D. E.
Hooks
,
K.
Fezzaa
,
K. J.
Ramos
,
J. D.
Yeager
,
K.
Kwiatkowski
,
T.
Shimada
, and
D.
Dattelbaum
,
AIP Adv.
2
,
012170
(
2012
).
21.
O. V.
Evdokov
,
A. N.
Kozyrev
,
V. V.
Litvinenko
,
L. A.
Lukianchikov
,
L. A.
Merzhievsky
,
E. R.
Pruuel
,
K. A.
Ten
,
B. P.
Tolochko
,
I. L.
Zhogin
, and
P. I.
Zubkov
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
575
,
116
(
2007
).
22.
Q.
Shen
,
W.-K.
Lee
,
K.
Fezzaa
,
Y. S.
Chu
,
F.
De Carlo
,
P.
Jemian
,
J.
Ilavsky
,
M.
Erdmann
, and
G. G.
Long
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A
582
,
77
(
2007
).
23.
M.
Sánchez del Río
and
R. J.
Dejus
,
Proc. SPIE
5536
,
171
(
2004
).
24.
P.
Ilinski
,
R. J.
Dejus
,
E.
Gluskin
, and
T. I.
Morrison
,
Proc. SPIE
1856
,
16
(
1996
).
26.
A.
Snigiriev
,
I.
Snigireva
,
V.
Kohn
,
S.
Kuznetsov
, and
I.
Schelokov
,
Rev. Sci. Instrum.
66
,
5486
(
1995
).
27.
P.
Cloetens
,
R.
Barrett
,
J.
Baruchel
,
J.-P.
Guigay
, and
M.
Schlenker
,
J. Phys. D.
29
,
133
(
1996
).
28.
K. A.
Nugent
,
T. E.
Gureyev
,
D. F.
Cookson
,
D.
Paganin
, and
Z.
Barnea
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
2961
(
1996
).
29.
M. J.
Kitchen
,
D.
Paganin
,
R. A.
Lewis
,
N.
Yagi
,
K.
Uesugi
, and
S. T.
Mudie
,
Phys. Med. Biol.
49
,
4335
(
2004
).
30.
L. J.
Koerner
and
S. M.
Gruner
,
J. Synchrotron Radiat.
18
,
157
(
2011
).
31.
K.
Kwiatkowski
,
P.
Nedrow
,
F.
Mariam
,
F.
Merrill
,
C.
Morris
,
A.
Saunders
,
G.
Hogan
,
V.
Douence
,
Y.
Bai
and
A.
Joshi
, in
Proceedings of the 29th International Congress on High-Speed Imaging and Photonics
, 2010, see http://physics.iwate-med.ac.jp/ichsip29/PROC/PAPERS/A08.pdf.
32.
V. M.
Douence
,
Y. B.
Bai
,
H.
Durmus
,
A.
Joshi
,
P. O.
Pettersson
,
D.
Sahoo
,
K.
Kwiatkowski
,
N. S. P.
King
,
C.
Morris
, and
M. D.
Wilke
,
Proc. SPIE
5580
,
226
(
2005
).
33.
M.
Nikl
,
Meas. Sci. Technol.
17
,
R37
(
2006
).
34.
A.
Koch
,
C.
Raven
,
P.
Spanne
, and
A.
Snigirev
,
J. Opt. Soc. Am. A
5
,
1940
(
1998
).
35.
J. R.
Asay
,
L. P.
Mix
, and
F. C.
Perry
,
Appl. Phys. Lett.
29
,
284
(
1976
).
36.
37.
S. L.
Lopatnikov
,
B. A.
Gama
,
J. M.
Haque
,
C.
Krauthauser
, and
J. W.
Gillespie
 Jr.
,
Int. J. Impact Eng.
30
,
421
(
2004
).
38.
W. J.
Zhu
,
Z. F.
Song
,
X. L.
Deng
,
H. L.
He
, and
X. Y.
Cheng
,
Phys. Rev. B
75
,
024104
(
2007
).
39.
B.
Arman
,
S.-N.
Luo
,
T. C.
Germann
, and
T.
Cagin
,
Phys. Rev. B
81
,
144201
(
2010
).
40.
N. N.
Thadhani
,
Prog. Mater. Sci.
37
,
117
(
1993
).
41.
L.
Huang
,
W. Z.
Han
,
Q.
An
,
W. A.
Goddard
 III
, and
S. N.
Luo
,
J. Appl. Phys.
111
,
013508
(
2012
).
42.
F. P.
Bowden
and
Y. D.
Yoffe
,
Initiation and Growth of Explosion in Liquids and Solids
(
Cambridge University Press
,
Cambridge
,
1952
).
43.
Q.
An
,
S. V.
Zybin
,
W. A.
Goddard
 III
,
A.
Jaramillo-Botero
,
M.
Blanco
, and
S. N.
Luo
,
Phys. Rev. B
84
,
220101
(
2011
).
44.
D.
Paganin
,
S. C.
Mayo
,
T. E.
Gureyev
,
P. R.
Miller
, and
S. W.
Wilkins
,
J. Microsc.
206
,
33
(
2002
).
You do not currently have access to this content.