مطيافية الطيف للنيترونات السريعة بزمن الطيران لحدث مفرد باستخدام مصدر نيترونات مدفوع بليزر بيتاواط

لماذا تهم نبضات النيترونات الصغيرة

النيترونات، الجسيمات غير المشحونة داخل نوى الذرات، هي مجسات قوية للطبيعة والتكنولوجيا على حد سواء. تساعد العلماء على فهم كيف تكونت العناصر في الكون، وكيف تعمل المفاعلات النووية، وكيف تستجيب المواد المتقدمة للإشعاع. ومع ذلك، فإن الأجهزة الكبيرة المستخدمة تقليديًا لإنتاج حزم نيترونات مكثفة — المفاعلات البحثية والمسرعات الكبيرة — مكلفة وتصبح نادرة بشكل متزايد. تستكشف هذه الدراسة خيارًا مختلفًا تمامًا: استخدام ليزر فائق القوة لإنشاء نبضات مدمجة ومكثفة من النيترونات السريعة، وإظهار، لأول مرة، أن هذه النبضات يمكن قياسها حدثًا تلو الآخر بدقة عالية.

من الآلات العملاقة إلى ومضات على الطاولة

تعتمد مصادر النيترونات التقليدية على أنفاق مسرعات طويلة أو مفاعلات نووية لتوليد حزم تسافر عدة أمتار — وأحيانًا مئات الأمتار — قبل أن تصل إلى التجربة. تحدّ هذه السعة والتعقيد من إمكانية الوصول وتجعل التحديثات بطيئة. بالمقابل، تستخدم مصادر النيترونات المدفوعة بالليزر ليزرًا من فئة البيتاواط مركزًا على رقاقة صلبة صغيرة. تلتقط الحقول الكهربائية القصوى لليزر جسيمات من الرقاقة وتسرعها، في الغالب بروتونات، إلى عشرات الملايين من إلكترون فولت في جزء من ترليون من الثانية فقط. عندما تصطدم هذه البروتونات بهدف ثانٍ، يُسمى المحول أو الملتقط، تنتج نبضة قصيرة جدًا ومكثفة من النيترونات السريعة. وبما أن النبضة الأولية قصيرة للغاية، فمن حيث المبدأ يمكن استخدام مسار طيران أقصر بكثير لقياس طاقات النيترونات، مما يقلص التجهيز كله إلى تجربة بحجم غرفة.

بناء تجربة مدمجة ولكن نظيفة

تحويل هذه الفكرة إلى أداة دقيقة يمثل تحديًا. فالتفاعل مع الليزر لا يولد البروتونات فحسب، بل يبث أيضًا إلكترونات وأشعة سينية وغاما وضجيجًا كهرومغناطيسيًا يمكن أن يطغى بسهولة على المكشافات الحساسة. تقيس مكشافات النيترون التقليدية في هذا المجال عادة الإشارة الإجمالية من العديد من الجسيمات في وقت واحد، وهو أمر مناسب لعد النيترونات لكنه غير كافٍ للفصل بين التفاعلات الفردية. في هذا العمل، بنى الفريق ترتيبًا مبسطًا حول ليزر DRACO من فئة البيتاواط في دريسدن. قاموا بتوصيف شعاع البروتون المسرع بالليزر وباقي الجسيمات بعناية، ثم استخدموا محاكيات حاسوبية مفصلة لتصميم التدريع وتحديد مواقع المكشافات. تم إنشاء النيترونات بإطلاق البروتونات على كتل من النحاس أو فلوريد الليثيوم. وضع مكشاف صغير مقاوم للإشعاع من الماس على بُعد 1.5 متر فقط — أقرب بكثير من المرافق القياسية — لاصطياد النيترونات بينما ما زال من الممكن فصلها زمنيًا عن ومضة الفوتونات المبكرة.

الاستماع إلى «نقرات» النيترون المفردة

جوهر الدراسة هو القدرة على كشف أحداث ناجمة عن نيترون واحد بدلًا من مجرد ضباب من كثير من الأحداث. يستجيب مكشاف الماس في أقل من مليار جزء من الثانية وهو حساس نسبيًا لأشعة غاما، مما يجعله مناسبًا لهذا الوسط القاسي. ومع ذلك، كانت الإشارات الكهربائية الخام في البداية تهيمن عليها الومضة الفورية من الأشعة السينية والضجيج الكهرومغناطيسي. سجّل الباحثون آثارًا لكل طلقة ليزر وطوروا طريقة تحليل مخصصة لطرح نمط الضجيج المشترك والبحث عن نبضات صغيرة ذات شكل جيد تصل لاحقًا في الزمن. كل نبضة من هذه النبضات تمثل تفاعلًا نوترونيًا داخل الماس. بقياس زمن وصول كل نبضة بالنسبة لطلقة الليزر وباستخدام مسار الطيران المعروف بطول 1.5 متر، حوّلوا الزمن إلى طاقة النيترون وبنوا طيفًا بتجميع البيانات على مدى مئات الطلقات.

فصل الإشارة عن الخلفية

كانت صعوبة رئيسية هي تمييز النيترونات التي جاءت مباشرة من هدف المحول عن تلك التي تشتتت عن الجدران أو المعدات الأخرى. لتقييم هذه الخلفية، قام الفريق بالتناوب بين قياسات عادية وتشغيلات «مظللة» تم فيها وضع كتلة من مادة ماصة للنيترونات مؤقتًا بين المصدر والمكشاف. الإشارات المسجلة في هذا التكوين المظلل جاءت في الغالب من النيترونات المشتتة والإشعاع المتبقي. باستخدام نهج إحصائي مستعار من علم الفلك، جمعوا مجموعتي البيانات لطرح الخلفية واستعادة مساهمة النيترونات المباشرة. ثم صححوا لكفاءة المكشاف المعتمدة على الطاقة — المعروفة من محاكاة منفصلة — للحصول على العائد الحقيقي للنيترونات كدالة للطاقة لكلا المادتين المحولتين وقارنوا النتيجة مع طرق عد النيترونات المستقلة وبرنامجَي محاكاة رئيسيين.

ماذا تخبرنا النتائج

أظهرت التجربة أن مصدرًا مدفوعًا بليزر بيتاواط يمكنه إنتاج ما يقرب من مئة مليون نيترون سريع لكل طلقة فوق طاقة مليون إلكترون فولت بشكل موثوق، وأنه يمكن تسجيل أحداث النيترون الفردية بوضوح على بعد 1.5 متر فقط من المصدر على الرغم من الإشعاع الخلفي المكثف. تطابقت الأطياف الطاقية المقاسة مع توقعات الحواسيب والمكشافات التقليدية ضمن نسب مئوية من العشرات، وهو اتفاق قوي بالنظر إلى صعوبة البيئة والعدد المحدود للطلقات. عند مقارنتها بمرافق المسرعات المعروفة، يقدم المصدر المدفوع بالليزر دقة طاقة نيترونية قابلة للمقارنة في إعداد مدمج بكثير وعدد نيترونات لكل نبضة تنافسي، مع سبل واضحة للتحسين مع تقدم الليزر والأهداف عالية التكرار. من الناحية التطبيقية، يبرهن هذا الإثبات للمبدأ أن مختبرات النيترونات المستقبلية المعتمدة على الليزر قد تجرٍ دراسات تفصيلية للتفاعلات النووية — بما في ذلك للنظائر المشعة قصيرة العمر — في مساحات صغيرة ومع نبضات قصيرة غير مسبوقة، مما يفتح فرصًا جديدة في الفيزياء النووية وعلم الفلك التطبيقي والعلوم التطبيقية.

الاستشهاد: Millán-Callado, M.A., Scheuren, S., Alejo, A. et al. Single-event fast neutron time-of-flight spectrometry with a petawatt-laser-driven neutron source. Nat Commun 17, 3154 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70312-7

الكلمات المفتاحية: مصدر نيترونات مدفوع بالليزر, زمن الطيران للنيترونات السريعة, ليزر بيتاواط, مكشاف الماس, دراسات التفاعلات النووية