Создан самый яркий лабораторный источник нейтронов

Группа экспериментаторов из Техасского университета в Остине на основе лазера сверхвысокой пиковой мощности создала источник высокоэнергичных нейтронов с рекордной плотностью нейтронного потока. Это удалось благодаря новому методу, основанному на использовании гамма-фотонов для генерации нейтронов, в то время как в предыдущих работах использовались изотопы водорода. Ученые уверены, что разработанный ими источник в перспективе может найти применение для быстрого определения элементного состава, а также для изучения астрофизических процессов в лаборатории. Результаты работы изложены в свежей статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters.

Общий вид на установку Техасского петаваттного лазера, который использовался для ускорения нейтронов в обсуждаемом эксперименте.
Общий вид на установку Техасского петаваттного лазера, который использовался для ускорения нейтронов в обсуждаемом эксперименте.

Яркость нейтронных источников принято характеризовать плотностью нейтронного потока. Эта величина равна количеству нейтронов, проходящих через единичную площадку в единицу времени, обычно она измеряется в нейтронах на квадратный сантиметр в секунду, н/(см2·с). До сих пор лучшее, чего смогли достичь ученые, это яркость около 1017 н/(см2·с). В обсуждаемой работе получен поток нейтронов, равный 1,1×1018 н/(см2·с). Более того, как утверждают ее авторы, на более мощных лазерных установках, которые уже строятся и будут доступны для экспериментов в ближайшие годы, их методом можно будет достичь потока на уровне 1020 н/(см2·с).

В лабораторных условиях доступно не очень много ярких источников нейтронов. Наиболее распространены источники на основе атомных реакторов. Однако они способны генерировать нейтронные потоки величиной не более 1015 н/(см2·с). Большую яркость обеспечивают нейтронные источники на основе процесса скалывания (Spallation neutron sources). Нейтроны в них генерируются при облучении мишеней из тяжелых атомов (например, вольфрама или ртути) протонами, ускоренными в традиционных ускорителях. Но и для таких источников нейтронный поток не превышает 1017 н/(см2·с). Сравнимые потоки генерируют источники и на основе сверхмощных лазеров. Потенциально намного большие потоки могут быть получены на установках лазерного термоядерного синтеза, например National Ignition Facility. В случае зажигания термоядерной реакции на ней ожидается достигнуть совершенно невообразимых 1034 н/(см2·с). Однако этот источник едва ли можно назвать лабораторным, поскольку поместить его в какую-либо лабораторию для проведения экспериментов с нейтронами представляется затруднительным.

Основным приложением нейтронных источников высокой яркости является так называемая быстрая нейтронная резонансная радиография (Fast Neutron Resonance Radiography, FNRR). Эта технология позволяет определять элементный состав тел, недоступных для наблюдения оптическими или какими-либо другими методами. По своей природе FNRR аналогична спектроскопии, но основана на эффекте резонансного поглощения нейтронов. Как известно, нейтроны по сравнению с другими частицами обладают очень высокой проникающей способностью, за счет чего возможно их использование для быстрого обнаружения контрабанды наркотиков, взрывчатых веществ и т. п., а также во многих других промышленных и исследовательских целях. Так, нейтронная радиография методом FNRR позволяет, например, проводить осмотр целых грузовиков на предмет провоза запрещенных веществ за считанные минуты (см. D. Vartsky et al., 2010. Novel detectors for fast-neutron resonance radiography).

Естественно, что для широкого распространения нейтронный источник должен быть относительно компактным и недорогим. Это затрудняет использование источников на основе атомного реактора или на основе процесса скалывания, требующих больших ускорителей протонов. Источники на основе лазерных технологий выглядят на их фоне более предпочтительными.

В обсуждаемой работе для генерации нейтронов был использован Техасский петаваттный лазер, способный генерировать импульсы длительностью 150 фемтосекунд (1 фс = 10–15 с) и энергией 90 Дж. Таким образом, мощность излучения в пике импульса достигала величины в 600 ТВт. Подобные лазеры сверхвысокой пиковой мощности широко используются для получения и ускорения пучков высокоэнергичных частиц: электронов или ионов. С помощью дополнительного преобразования электронных пучков можно получать и высокоэнергичные позитроны. Генерация пучков нейтронов является еще одним направлением в этой области физики.

В рассматриваемой работе для получения нейтронов использовалась сложная схема преобразования энергии из лазерного излучения сначала в ускоренные электроны, затем в гамма-фотоны и только после этого в нейтроны. Дело в том, что само по себе лазерное излучение может передавать свою энергию только легким и при этом заряженным электронам. Ионы слишком тяжелы, чтобы получить значительную энергию от излучения напрямую, а нейтроны, кроме того что тяжелы, еще и нейтральны, и на них излучение никак не действует.

Обычные схемы ускорения основаны на конвертации энергии нагретых лазерным излучением электронов в энергию ионов. Ионы ускоряют одним из стандартных методов лазерного ускорения, в результате чего получаются пучки протонов или дейтронов (изотопов водорода с одним протоном и одним нейтроном в составе ядра) с энергиями от нескольких единиц до нескольких десятков МэВ. Затем такой пучок направляют, например, в пластинку бериллия толщиной в несколько сантиметров, в котором происходит ядерная реакция с образованием атома лития и нейтрона. Энергия нейтрона, получаемого в такой реакции, обычно имеет порядок энергии исходного протона. Именно таким образом год назад были получены нейтроны с рекордной энергией в 150 МэВ (см.: M. Roth et al., 2013. Bright Laser-Driven Neutron Source Based on the Relativistic Transparency of Solids). В том же эксперименте было зафиксировано рекордное для данной схемы количество сгенерированных нейтронов — около 1010 частиц за один выстрел.

Схема экспериментальной установки из статьи M. Roth et al., 2013. Слева: стандартная схема генерации нейтронов. В пластиковой (CH или CD) мишени ускоряется пучок протонов или дейтронов (p+ or d+ beam), который затем посылается в образец бериллия (Be), где и происходит генерация нейтронов. Справа: расположение элементов внутри и снаружи камеры с мишенью.
Схема экспериментальной установки из статьи M. Roth et al., 2013. Слева: стандартная схема генерации нейтронов. В пластиковой (CH или CD) мишени ускоряется пучок протонов или дейтронов (p+ or d+ beam), который затем посылается в образец бериллия (Be), где и происходит генерация нейтронов. Справа: расположение элементов внутри и снаружи камеры с мишенью.

Проблема с описанным подходом заключается в том, что до сих пор не создано достаточно эффективного способа конвертации лазерной энергии в энергию ускоренных ионов. Обычно доля энергии, перешедшая ионам, не превышает 1%. Кроме того, из-за особенностей схемы длительность импульса нейтронов в сотни раз превышает длительность изначального лазерного импульса. Например, в упоминавшейся выше статье для генерации нейтронов применялся лазерный импульс длительностью 600 фс, а длительность нейтронного пучка составила несколько сотен пикосекунд (1 пс = 10–12 с). Из-за этого величина нейтронного потока на такого рода источниках не превышает 1017 н/(см2·с).

Схема генерации нейтронов. Изображение из обсуждаемой статьи в PRL
Схема генерации нейтронов. Изображение из обсуждаемой статьи в PRL

Группой из Техаса в обсуждаемом эксперименте применен альтернативный подход к генерации нейтронов. Изначально лазерное излучение ускоряет большое количество электронов при взаимодействии с тонкой (толщиной от 20 нм до 3 мкм) пластиковой мишенью. Затем эти электроны посылаются на конвертор, представляющий собой стопку из девяти медных пластинок. В нем электроны в результате тормозного излучения генерируют гамма-фотоны, которые, в свою очередь, выбивают из атомов меди нейтроны.

Экспериментально измеренный спектр электронов (синяя линия). Красным показано распределение электронов по энергиям для теплового распределения с температурой равной 10,5 МэВ.
Экспериментально измеренный спектр электронов (синяя линия). Красным показано распределение электронов по энергиям для теплового распределения с температурой равной 10,5 МэВ.

Наиболее эффективно процесс генерации нейтронов идет для гамма-фотонов с энергией в диапазоне от 10 до 25 МэВ, поэтому и электроны ускорялись до энергии того же уровня. Это отличает данную задачу от привычной постановки эксперимента по лазерному ускорению электронов, в котором требуется получить как можно большую энергию отдельного электрона, и на сегодняшний день достигнут уровень нескольких единиц ГэВ, а в качестве мишени используется не твердотельный пластик, а разреженный газ. В данном же случае ставилась задача генерации электронов относительно низкой энергии, но в большом количестве. Эффективность конвертации лазерной энергии в энергию электронов составила в итоге около 10%.

Сверху: зависимость числа сгенерированных нейтронов от толщины пластиковой мишени. Снизу: сравнение измеренного спектра нейтронов (синий) с результатом численного моделирования (красный).
Сверху: зависимость числа сгенерированных нейтронов от толщины пластиковой мишени. Снизу: сравнение измеренного спектра нейтронов (синий) с результатом численного моделирования (красный).

Другая особенность проведенного эксперимента заключалась в том, что энергия нейтронов в нем была относительно невелика. Она не превышала нескольких единиц МэВ и имела пик в районе 1 МэВ. Однако число нейтронов было велико. При оптимальной толщине пластиковой мишени, равной 500 нм, было сгенерировано 2×109 нейтронов за один выстрел. Это в пять раз меньше, чем в упоминавшейся работе 2013 года, но и лазерный импульс в данном случае был в четыре раза короче.

Увеличение нейтронного потока же было достигнуто за счет того, что электроны в отличие от ионов при энергии около 10 МэВ летят со скоростями, близкими к скорости света. Поэтому длительность их пучка — и, соответственно, длительность пучка полученных из них гамма-фотонов — была порядка длительности лазерного импульса и не превышала пикосекунды. Длительность полученного в итоге пучка нейтронов при этом определяется только временем, которое релятивистским электронам необходимо, чтобы пройти сквозь медный конвертор. В эксперименте его толщина составляла 18 мм, и соответствующее время пролета равнялось 50 пикосекундам, что в несколько раз меньше, чем в схеме на основе ускорения ионов.

Яркие источники нейтронов, помимо промышленных приложений, о которых мы писали в начале, вызывают повышенный интерес и как приложения для фундаментальных исследований. Например, в области лабораторной астрофизики — для наблюдения в лабораторных условиях процессов, характерных для астрофизических объектов. Примером такого процесса является быстрый нейтрон-захватный или r-процесс. Предполагается, что он является основным источником тяжелых элементов во Вселенной, более половины атомов железа и все элементы тяжелее висмута, по всей видимости, получены именно через него. Традиционно считалось, что в природе r-процесс может идти только в коллапсирующих ядрах сверхновых, однако недавно было выдвинуто предположение, что он может наблюдаться и при слиянии двух нейтронных звезд. В любом случае, для наблюдения r-процесса требуются исключительно высокие потоки нейтронов. В ядрах сверхновых нейтронный поток достигает величины 1022 н/(см2·с). Пока что такие потоки для лабораторных источников нейтронов недоступны, но, возможно, новая схема позволит их достигнуть в обозримом будущем.


Статья изначально опубликована на сайте «Элементы».

comments powered by Disqus