Zeit-zu-Flug-Spektrometrie schneller Neutronen bei Einzelereignissen mit einer petawatt‑Laser-getriebenen Neutronenquelle

Warum winzige Neutronenblitze wichtig sind

Neutronen, die ungeladenen Teilchen im Atomkern, sind mächtige Sonden für Natur und Technik. Sie helfen Forschern zu verstehen, wie die Elemente im Universum entstanden sind, wie Kernreaktoren funktionieren und wie hochentwickelte Materialien auf Strahlung reagieren. Die großen Anlagen, die traditionell intensive Neutronenstrahlen erzeugen — Forschungsreaktoren und große Teilchenbeschleuniger — sind jedoch teuer und werden seltener. Diese Studie untersucht eine sehr andere Option: die Nutzung eines ultrastarken Lasers zur Erzeugung kompakter, intensiver Pulse schneller Neutronen und zeigt erstmals, dass sich diese Pulse mit hoher Präzision einzeln nachweisen lassen.

Von Riesengeräten zu Tischplattenblitzen

Konventionelle Neutronenquellen beruhen auf langen Beschleunigertunneln oder Kernreaktoren, die Strahlen erzeugen, die viele Meter — manchmal Hunderte Meter — zurücklegen, bevor sie ein Experiment erreichen. Ihre Größe und Komplexität begrenzen den Zugang und machen Aufrüstungen langsam. Im Gegensatz dazu verwenden lasergetriebene Neutronenquellen einen Petawatt‑Klassen‑Laser, der auf eine winzige feste Folie fokussiert wird. Die extremen elektrischen Felder des Lasers reißen Teilchen aus der Folie und beschleunigen hauptsächlich Protonen in nur Billionstel Sekunden auf einige zehn Millionen Elektronenvolt. Treffen diese Protonen auf ein zweites Ziel, genannt Konverter oder Catcher, erzeugen sie einen sehr kurzen, intensiven Puls schneller Neutronen. Da der Ausgangsimpuls so kurz ist, kann man im Prinzip eine viel kürzere Flugstrecke zur Energiebestimmung der Neutronen verwenden und das gesamte Aufbautrumpf auf einen raumgroßen Versuch verkleinern.

Ein kompaktes, aber sauberes Experiment aufbauen

Diese Idee in ein Präzisionsinstrument zu verwandeln ist anspruchsvoll. Die Laserwechselwirkung erzeugt nicht nur Protonen, sondern schleudert auch Elektronen, Röntgen‑ und Gammastrahlung sowie elektromagnetisches Rauschen aus, die empfindliche Detektoren leicht überdecken können. Traditionelle Neutronendetektoren in diesem Bereich messen meist nur das Gesamtsignal vieler Teilchen gleichzeitig, was zwar zum Zählen von Neutronen ausreicht, aber nicht zur Auflösung einzelner Wechselwirkungen. In dieser Arbeit baute das Team rund um den DRACO‑Petawatt‑Laser in Dresden eine schlanke Anordnung. Sie charakterisierten sorgfältig den laserbeschleunigten Protonenstrahl und andere Teilchen und nutzten dann detaillierte Computersimulationen, um Abschirmung und Detektorpositionen zu entwerfen. Neutronen wurden erzeugt, indem die Protonen in Kupfer‑ oder Lithiumfluoridblöcke geschossen wurden. Ein kleiner, strahlungsstabiler Diamantdetektor wurde nur 1,5 Meter entfernt platziert — viel näher als in Standardanlagen —, um Neutronen einzufangen und sie dennoch zeitlich vom früheren Photonenblitz zu trennen.

Einzelne Neutronen‑»Klicks« hören

Der Kern der Studie ist die Fähigkeit, einzelne neutroneninduzierte Ereignisse zu detektieren statt nur einen Schleier vieler Ereignisse. Der Diamantdetektor reagiert in weniger als einer Milliardstel Sekunde und ist relativ unempfindlich gegenüber Gammastrahlung, was ihn für dieses harte Umfeld gut geeignet macht. Trotzdem dominierten die rohen elektrischen Signale zunächst durch den prompten Röntgenblitz und elektromagnetisches Rauschen. Die Forscher zeichneten für jeden Laserimpuls Spuraufnahmen auf und entwickelten eine spezielle Analysemethode, um das gemeinsame Rauschmuster zu subtrahieren und nach kleinen, gut geformten Pulsen zu suchen, die zeitlich später eintreffen. Jeder dieser Pulse entspricht einer Neutronenwechselwirkung im Diamanten. Durch Messen der Ankunftszeit jedes Pulses relativ zum Laserimpuls und unter Verwendung der bekannten 1,5‑Meter‑Flugstrecke wandelten sie Zeit in Neutronenenergie um und erstellten ein Spektrum durch Akkumulieren von Daten über Hunderte von Schüssen.

Signal und Hintergrund trennen

Eine zentrale Schwierigkeit bestand darin, Neutronen zu unterscheiden, die direkt aus dem Konverter kamen, von solchen, die an Wänden oder anderer Ausrüstung gestreut worden waren. Zur Quantifizierung dieses Hintergrunds wechselte das Team normale Messungen mit „verschatteten“ Läufen ab, bei denen vorübergehend ein Block neutronenabsorbierenden Materials zwischen Quelle und Detektor platziert wurde. Signale, die in dieser verschatteten Konfiguration aufgezeichnet wurden, stammten größtenteils von gestreuten Neutronen und Reststrahlung. Mit einem aus der Astrophysik entlehnten statistischen Ansatz kombinierten sie die beiden Datensätze, um den Hintergrund zu subtrahieren und den direkten Neutronenanteil zurückzugewinnen. Anschließend korrigierten sie für die energieabhängige Effizienz des Detektors — bekannt aus separaten Simulationen —, um die tatsächliche Neutronenausbeute als Funktion der Energie für beide Konvertermaterialien zu erhalten und verglichen das Ergebnis mit unabhängigen Neutrozählmethoden und zwei großen Simulationscodes.

Was die Ergebnisse aussagen

Das Experiment zeigte, dass eine petawatt‑Lasergetriebene Quelle zuverlässig in der Größenordnung von hundert Millionen schnellen Neutronen pro Schuss oberhalb von einer Million Elektronenvolt erzeugen kann und dass einzelne Neutronenereignisse bereits 1,5 Meter von der Quelle entfernt trotz intensiver Hintergrundstrahlung sauber aufgezeichnet werden können. Die gemessenen Energiespektren stimmten mit Computerprognosen und konventionellen Detektoren bis auf einige zehn Prozent überein — eine starke Übereinstimmung angesichts der schwierigen Umgebung und der begrenzten Schussanzahl. Im Vergleich zu etablierten Beschleunigeranlagen bietet die lasergetriebene Quelle vergleichbare Energieauflösung bei deutlich kompakterem Aufbau und konkurrenzfähigen Neutronen pro Puls, mit klaren Verbesserungsmöglichkeiten, wenn Laser und Hochwiederholungs‑Targets weiterentwickelt werden. Praktisch zeigt dieses Proof‑of‑Concept, dass zukünftige laserbasierte Neutronenlabore detaillierte Studien zu Kernreaktionen — auch an kurzlebigen, radioaktiven Isotopen — in kleinen Räumen und mit beispiellos kurzen Pulsen durchführen könnten, wodurch neue Chancen in Kernphysik, Astrophysik und angewandter Wissenschaft eröffnet werden.

Zitation: 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

Schlüsselwörter: lasergetriebene Neutronenquelle, Schnelle Neutronen Zeit‑zu‑Flug, Petawatt‑Laser, Diamantdetektor, Studien zu Kernreaktionen