Создан самый яркий лабораторный источник нейтронов

Рис. 1. Общий вид на установку Техасского петаваттного лазера

Рис. 1. Общий вид на установку Техасского петаваттного лазера, который использовался для ускорения нейтронов в обсуждаемом эксперименте. Фото с сайта ph.utexas.edu

Группа экспериментаторов из Техасского университета в Остине на основе лазера сверхвысокой пиковой мощности создала источник нейтронов с рекордной плотностью 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.

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 нейтронной 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 (рис. 1). 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. «Элементы» уже рассказывали о том, как лазеры могут ускорять электроны (Создан лазерно-плазменный ускоритель нового поколения, 17.08.2011) или ионы (Первое применение лазерных ускорителей будет медицинским, 02.06.2008). 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 (рис. 2). 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.

Рис. 2. Стандартная схема генерации нейтронов и вид установки

Рис. 2. 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. Bright Laser-Driven Neutron Source Based on the Relativistic Transparency of Solids

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).

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 (рис. 3).

Рис. 3. Схема генерации нейтронов

Рис. 3. Схема генерации нейтронов. Изображение из обсуждаемой статьи в PRL

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 (см. Nuclear fusion from the explosions of laser driven deuterium clusters). В данном же случае ставилась задача генерации электронов относительно низкой энергии, но в большом количестве (рис. 4). Эффективность конвертации лазерной энергии в энергию электронов составила в итоге около 10%.

Рис. 4. Экспериментальный спектр электронов и их распределение по энергиям

Рис. 4. Экспериментально измеренный спектр электронов (синяя линия). Красным показано распределение электронов по энергиям для теплового распределения с температурой равной 10,5 МэВ. Изображение из обсуждаемой статьи в PRL

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 (рис. 5). Это в пять раз меньше, чем в упоминавшейся работе 2013 года, но и лазерный импульс в данном случае был в четыре раза короче.

Рис. 5. Зависимость числа нейтронов от толщины пластиковой мишени

Рис. 5. Сверху: зависимость числа сгенерированных нейтронов от толщины пластиковой мишени. Снизу: сравнение измеренного спектра нейтронов (синий) с результатом численного моделирования (красный). Изображение из обсуждаемой статьи в PRL

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 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.

Источник: I. Pomerantz et al. Ultrashort Pulsed Neutron Source // Phys. Rev. Lett. 27 October 2014. V. 113. P. 184801.

Артем Коржиманов


15
Показать комментарии (15)
Свернуть комментарии (15)

  • alleksha  | 02.11.2014 | 09:54 Ответить
    Спасибо за интересную новость. Замечу, что фраза "В нем электроны в результате тормозного излучения генерируют гамма-фотоны, которые, в свою очередь, выбивают из атомов меди нейтроны" может ввести в заблуждение. Фотоны (неважно "лазерные" или рожденные в результате тормозного излучения), конечно, не могут выбивать нейтроны из ядра. Фотоны могут лишь перевести ядро в возбужденное состояние. Это возбуждение снимается испусканием нейтронов (и протонов). Собственно это и объясняет почему "энергия нейтронов в нем была относительно невелика".
    Ответить
    • PavelS > alleksha | 02.11.2014 | 14:07 Ответить
      А в чем отличие от понятия "выбить"?
      Ответить
      • alleksha > PavelS | 02.11.2014 | 20:06 Ответить
        Чтобы "выбить", фотон должен провзаимодействовать непосредственно с нейтроном, чего он сделать по понятным причинам не может.
        Ответить
    • korzhimanov > alleksha | 03.11.2014 | 09:31 Ответить
      Согласен, употребление слова «выбить» было неудачным.
      Ответить
  • samara  | 03.11.2014 | 02:21 Ответить
    Хорошо пишите, с дебютом!
    Ответить
    • korzhimanov > samara | 03.11.2014 | 09:31 Ответить
      Спасибо!
      Ответить
  • PavelS  | 03.11.2014 | 02:47 Ответить
    Про нейтрон-захватный процесс синтеза тяжелых ядер. Мне так как неспециаллисту кажется что тут важна не только пиковая яркость, но и протяженность испульса. Т.к. в сверхновых импульс не только яркий, но и длительный. Тут же очень сомнительно, что найдётся ядро, которое успеет поймать несколько десятков нейтронов за ничтожные доли секунды. Так что сомнительно что подобными вспышками удастся многое наисследовать.
    Ответить
    • korzhimanov > PavelS | 03.11.2014 | 09:34 Ответить
      В общем-то в Википедии всё написано. Идея в том, что вам надо последовательно захватить несколько нейтронов, при этом промежуточные изотопы радиоактивны. Это возможно только если у вас есть достаточно высокий поток нейтронов.
      Ответить
      • PavelS > korzhimanov | 03.11.2014 | 16:13 Ответить
        Так я говорю что высокий поток вероятно необходимое, но отнюдь не достаточное условие.
        Ответить
        • korzhimanov > PavelS | 05.11.2014 | 13:39 Ответить
          Понял вас. Посмотрел поподробнее. Если приведённые вот здесь http://nuclphys.sinp.msu.ru/nuclsynt/n11.htm формулы верны, то, действительно, это является серьёзной проблемой. Время захвата нейтрона при потоке 10^16 порядка одной секунды. В статье же речь о пикосекундах, поэтому и потоки должны быть на 12 порядков больше. Надо будет спросить Hegelich (он возглавляет эту экспериментальную группу) об этом при встрече.
          Ответить
          • dudenkov > korzhimanov | 07.11.2014 | 01:13 Ответить
            Высокий пиковый поток нейтронов важен для прикладных исследований и универсально приложимых аналитических методов, вроде нейтронографии. А для фундаментальных исследований в ядерной физике главная проблема - достичь высокого нейтронного потока не в импульсе, а именно среднего, с учетом времени между импульсами. Для экспериментов по синтезу элементов острова стабильности, в которых пока мировым лидером является ОИЯИ в Дубне, нужны максимальное возможные содержания нейтронов в сумме ядра-снаряда и ядра-мишени, к тому же быстро испаряющей от трех до пяти нейтронов, уносящих избыток энергии. Лучший снаряд - ядро 48Ca (благодаря дважды магичности намного превосходящее другие легкие ядра по разности количеств нейтронов и протонов). Но публикуемые результаты получают на далеко не лучших мишенях - 244Pu, 248Cm, 249Bk. А вот лучшие мишени - 250Cm среди долгоживущих нуклидов и 252Cm, (246-247)Pu, (254-255,257)Es, 257Fm, 254Cf среди технически допускающих возможность выделения (периоды полураспада не менее нескольких суток) до сих пор не используются, так как необходимые для их получения в весовых количествах СРЕДНИЕ нейтронные потоки достигаются только при ядерном взрыве. В то же время ядерные взрывы в научных целях, даже сверхмалой мощности, не проводятся, а условия испытаний ядерных боеприпасов не предусматривали возможностей удобной переработки продуктов взрывов хотя бы через годы с целью извлечения долгоживущих изотопов, имеющих чрезмерно низкие реакторные выходы - труднодоступного 244Pu и практически недоступного 250Cm (последний позволит подойти к острову стабильности на 2 нейтрона ближе, чем это доступно сейчас). В то же время сечения захвата и деления долгоживущего 242mAm, содержащегося в реакторном америции, а может быть, и либо сверхзасекреченного по этой причине, либо позорно до науки до сих пор не изученного долгоживущего изомера 248(LLI)Bk (неизвестно, основное это состояние или изомер) позволят проводить взрывы рекордно малой мощности в неразрушаемых замкнутых пространствах с возможностью полного извлечения и переработки продуктов захвата и деления. Извлечение путем смыва с подачей на экстракцию позволит извлекать и перечисленные выше относительно короткоживущие изотопы, которые позволили бы приблизиться к острову стабильности на 4 нейтрона ближе, чем это доступно сейчас с помощью 248Cm, с реальными шансами попасть в электронно-захватную "полосу притяжения" острова стабильности. Вместе с тем, такие взрывы сверхмалой мощности позволили бы с помощью смывного извлечения части продуктов уже через секунды после взрыва получить информацию о идущем в сверхновых процессе множественного нейтронного захвата - а именно, по какой точно линии на изотопной диаграмме бета-распад продуктов обрывается спонтанным или запаздывающим делением, и, с помощью экспериментальной поправки в расчетные данные, выяснить, возможно ли достижение "острова стабильности" таким путем, в том числе повторным множественным нейтронным облучением продуктов бета-распада продуктов множественного захвата нейтрона доступными ядрами по Es включительно, и если да, то какой путь будет оптимальным. Для извлечения 242mAm пригоден только затратный электромагнитный метод, но для создания критической массы могут понадобиться лишь сотни, если не десятки, миллиграммов этого изотопа, однако для их извлечения придется переработать не менее чем в тысячу раз большее количество реакторной смеси изотопов америция. Для получения 248(LLI)Bk (в смеси с также долгоживущим 247Bk) оптимальным способом должно быть облучение реакторного 249Bk быстрыми нейтронами, с выдержкой для отделения от исходного 249Bk, однако о получении долгоживущего изомера сообщалось лишь в работах от 1965 и 1973 г., при масс-спектроскопическом исследовании облучения кюрия альфа-частицами и альфа-распада 252Es, и про него известно лишшь, что его период альфа-полураспада превышает 800 лет (экстраполяции дают значения от 100 тыс. лет до 1 млн. лет, а изомерный переход, бета-распады и электронный захват многократно запрещены по угловому моменту).
            Ответить
  • mike359  | 05.11.2014 | 12:42 Ответить
    В статье Клауса Гофмана http://alhimik.ru/read/hoffman64.html он подсчитывает, что на превращение 50 кг ртути в 74 грамма золота нужно 4 года при интенсивности 10^15 нейтронов/(см2 . с)
    Если взять описываемый в статье источник, то выйдет уже в тысячу раз меньше, то есть 35 часов! А для 10^20 выходит 126 секунд.
    Философский камень близится?
    Ответить
    • korzhimanov > mike359 | 05.11.2014 | 13:12 Ответить
      В статье Гофмана речь идёт о непрерывном излучении или средней интенсивности. Здесь же 10^18 — это пиковый поток, количество нейтронов в импульсе всего 10^9, а выстрел совершается раз в несколько минут, то есть средний поток намного ниже, чем в реакторах.
      Ответить
  • Arbnos  | 18.11.2014 | 04:13 Ответить
    Артём, поздравляю с первой статьёй на Элементах!
    Ответить
  • Tenelbai  | 26.11.2014 | 11:34 Ответить
    .
    Ответить
Написать комментарий


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»