Создан самый яркий лабораторный источник нейтронов
В PRL опубликована статья группы экспериментаторов из Техасского университета в Остине, в которой они сообщают о создании лазерного источника нейтронов с рекордными значениями нейтронного потока.
Я уже рассказывал, что лазеры высокой пиковой мощности широко используют для генерации пучков высокоэнергичных частиц - ионов, электронов и даже позитронов. Однако ситуация с нейтронами несколько отличается, поскольку лазерное излучение не может непосредственно оказывать воздействие на нейтроны из-за отсутствия у них заряда.
Это, однако, можно обойти, использовав некого посредника, который получил бы энергию от лазерного излучения, а затем передал её нейтронам. Стандартный подход основан на использовании ускоренных лазерным излучением до нескольких десятков МэВ протонов или дейтронов. Облучая ими мишени из лития или бериллия, можно на выходе получить пучок нейтронов с энергиями также на уровне десятков МэВ.
Схема установки из недавней работы по лазерной генерации нейтронов через протоны и дейтроны.
Проблема с этим подходом в том, что эффективность конвертации лазерной энергии в ионы невелика - она не превышает 1%. Кроме того, при изначальной длительности лазерного импульса в десятки-сотни фемтосекунд, на выходе получается пучок нейтронов длительностью несколько сотен пикосекунд. В результате нейтронный пучок получается относительно слабоинтенсивным. Рекордные значения не превышают 1010 частиц в стерадиан.
В свежей работе авторы предлагают альтернативный подход. Вместо ускоренных ионов они предлагают использовать пучки электронов. При облучении ими металлических образцов, например, меди, в результате тормозного излучения генерируется гамма-излучение, которое, в свою очередь, индуцирует ядерные реакции в той же меди, приводящие к генерации нейтронов.
Концептуальная схема предложенного источника нейтронов.
Особенностью использованных в работе лазерного источника электронов является то, что он был оптимизирован для получения большого количества электронов с относительно небольшой энергией - на уровне 10 МэВ. Именно в этом диапазоне достигает максимум сечение ядерных реакций с генерацией нейтронов. Обычно же стараются получить электроны с как можно более высокой энергией - на уровне сотен МэВ и нескольких ГэВ.
Для ускорения электронов был использован Техасский петаваттный лазер. Отдельный лазерный импульс имел длительность около 150 фс и содержал 90 Дж энергии. Таким образом его мощность достигала 600 тераватт. Он фокусировался в пятно диаметром около 10 микрон на поверхность пластиковой мишени толщиной от 20 нанометров до 3 микрон (оптимум по количеству сгенерированных нейтронов достигался для мишени тощиной 500 нм).
В результате оптимизации учёным удалось довести число сгенерированных в одном выстреле нейтронов до более чем 109. При этом длительность пучка составила величину менее 50 пикосекунд, а пиковый поток нейтронов - 1,1×1018 частиц на квадратный сантиметр в секунду (n/cm2/s). В экспериментах с лазерно-ускоренными ионами эта величина не превышала 6×1017 n/cm2/s. Для нелазерных источников характерные значения составляют 1017 n/cm2/s - для источников на основе процесса скалывания (Spallation neutron sources), и порядка 1015 n/cm2/s - для источников на основе деления ядра.
Я уже рассказывал, что лазеры высокой пиковой мощности широко используют для генерации пучков высокоэнергичных частиц - ионов, электронов и даже позитронов. Однако ситуация с нейтронами несколько отличается, поскольку лазерное излучение не может непосредственно оказывать воздействие на нейтроны из-за отсутствия у них заряда.
Это, однако, можно обойти, использовав некого посредника, который получил бы энергию от лазерного излучения, а затем передал её нейтронам. Стандартный подход основан на использовании ускоренных лазерным излучением до нескольких десятков МэВ протонов или дейтронов. Облучая ими мишени из лития или бериллия, можно на выходе получить пучок нейтронов с энергиями также на уровне десятков МэВ.
Схема установки из недавней работы по лазерной генерации нейтронов через протоны и дейтроны.
Проблема с этим подходом в том, что эффективность конвертации лазерной энергии в ионы невелика - она не превышает 1%. Кроме того, при изначальной длительности лазерного импульса в десятки-сотни фемтосекунд, на выходе получается пучок нейтронов длительностью несколько сотен пикосекунд. В результате нейтронный пучок получается относительно слабоинтенсивным. Рекордные значения не превышают 1010 частиц в стерадиан.
В свежей работе авторы предлагают альтернативный подход. Вместо ускоренных ионов они предлагают использовать пучки электронов. При облучении ими металлических образцов, например, меди, в результате тормозного излучения генерируется гамма-излучение, которое, в свою очередь, индуцирует ядерные реакции в той же меди, приводящие к генерации нейтронов.
Концептуальная схема предложенного источника нейтронов.
Особенностью использованных в работе лазерного источника электронов является то, что он был оптимизирован для получения большого количества электронов с относительно небольшой энергией - на уровне 10 МэВ. Именно в этом диапазоне достигает максимум сечение ядерных реакций с генерацией нейтронов. Обычно же стараются получить электроны с как можно более высокой энергией - на уровне сотен МэВ и нескольких ГэВ.
Для ускорения электронов был использован Техасский петаваттный лазер. Отдельный лазерный импульс имел длительность около 150 фс и содержал 90 Дж энергии. Таким образом его мощность достигала 600 тераватт. Он фокусировался в пятно диаметром около 10 микрон на поверхность пластиковой мишени толщиной от 20 нанометров до 3 микрон (оптимум по количеству сгенерированных нейтронов достигался для мишени тощиной 500 нм).
В результате оптимизации учёным удалось довести число сгенерированных в одном выстреле нейтронов до более чем 109. При этом длительность пучка составила величину менее 50 пикосекунд, а пиковый поток нейтронов - 1,1×1018 частиц на квадратный сантиметр в секунду (n/cm2/s). В экспериментах с лазерно-ускоренными ионами эта величина не превышала 6×1017 n/cm2/s. Для нелазерных источников характерные значения составляют 1017 n/cm2/s - для источников на основе процесса скалывания (Spallation neutron sources), и порядка 1015 n/cm2/s - для источников на основе деления ядра.