ספקטרומטריית מהירות-היתר של נייטרונים באירוע יחיד עם מקור נייטרונים מונע על‑ידי לייזר פטה־ואט

מדוע פתקים זעירים של נייטרונים חשובים

נייטרונים, החלקיקים הנטענים שאינם מיוננים בגרעיני האטום, הם חיישנים רבי־עוצמה לטבע ולטכנולוגיה גם יחד. הם מסייעים למדענים להבין כיצד נוצרו היסודות ביקום, כיצד מתנהלים כורים גרעיניים וכיצד חומרים מתקדמים מגיבים לקרינה. עם זאת, המתקנים הגדולים שנועדו מסורתית להפיק קרני נייטרונים אינטנסיביות — כורים ניסויים ומאיצי חלקיקים ענקיים — יקרים והולכים ונעשים נדירים יותר. המחקר הזה בוחן אפשרות שונה מאד: שימוש בלייזר עוצמתי במיוחד ליצירת פתקים קומפקטיים ואינטנסיביים של נייטרונים מהירים ומדגים, לראשונה, שניתן למדוד את הפתקים הללו אינטראקציה אחרי אינטראקציה בדיוק גבוה.

ממכונות ענק לפלאשים על שולחן העבודה

מקורות נייטרונים קונבנציונליים מסתמכים על מנהרות מאיץ ארוכות או כורים גרעיניים כדי להפיק קרניים שנעות מטרים רבים — ולעתים אפילו מאות מטרים — לפני שהן מגיעות לניסוי. הגודל והמורכבות שלהם מגבילים את הגישה והופכים שדרוגים לאיטיים. לעומת זאת, מקורות נייטרונים מונעי לייזר משתמשים בלייזר ברמת פטה‑ואט שממוקד על דקיק מוצק. השדות החשמליים הקיצוניים של הלייזר קרעים חלקיקים מהדקיק ומאיצים בעיקר פרוטונים לאנרגיות של עשרות מיליוני אלקטרון־וולט בתוך טריליוןיות השנייה. כאשר פרוטונים אלה נתקלים במטרה שנייה, הנקראת ממיר או קלסר, הם מייצרים פיק קצר מאוד ואינטנסיבי של נייטרונים מהירים. מאחר שהדופק ההתחלתי כה קצר, מבחינה עקרונית ניתן להשתמש במסלול טיסה קצר בהרבה למדידת אנרגיית הנייטרונים, מה שמכניס את כל המערכת לטווח גודל של חדר.

בניית ניסוי קומפקטי אך נקי

הפיכת הרעיון הזה לכלי מדויק היא אתגר. האינטראקציה עם הלייזר לא רק יוצרת פרוטונים אלא גם מפזרת אלקטרונים, קרני רנטגן, גמא ורעש אלקטרומגנטי היכולים לטשטש בקלות גלאים עדינים. גלאי נייטרונים מסורתיים בתחום הזה מודדים בדרך כלל רק את האות הכולל של חלקיקים רבים בו‑זמנית, דבר המספק ספירת נייטרונים אך אינו מאפשר לפתור תגובות יחידות. בעבודה זו בנו החוקרים סידור ממוקד סביב לייזר DRACO ברמת פטה בדראזדן. הם אפיינו בזהירות את קרן הפרוטונים המואצת על‑ידי הלייזר ואת שאר החלקיקים, ולאחר מכן השתמשו בסימולציות ממוחשבות מפורטות כדי לתכנן מגיני קרינה ומיקומי גלאים. הנייטרונים נוצרו על ידי שיגור הפרוטונים אל גושי נחושת או פלואוריד ליתיום. גלאי יהלום קטן, עמיד לקרינה, הוצב במרחק של 1.5 מטר בלבד — הרבה יותר קרוב מאשר במתקנים רגילים — כדי לקלוט נייטרונים ועדיין להפרידם בזמן מפלאש הפוטונים המוקדם.

להקשיב ל"קליקים" של נייטרון יחיד

הליבה של המחקר היא היכולת לזהות אירועים המושרים על‑ידי נייטרון יחיד במקום רק טשטוש של רבים. גלאי היהלום מגיב בתוך פחות ממיליארדית השנייה ורגישותו לקרני גמא נמוכה יחסית, מה שהופך אותו למתאים לסביבה הקשה הזו. אף על פי כן, האותות החשמליים הגולמיים הוצפו תחילה על‑ידי הפלאש המיידי של קרני רנטגן ושל רעש אלקטרומגנטי. החוקרים הקליטו עקבות לכל ירי לייזר ופיתחו שיטת ניתוח ייעודית כדי להחסיר את תבנית הרעש המשותפת ולחפש דפוסי אות קטנים ומעוצבים היטב המגיעים זמן קצר יותר לאחר מכן. כל אחד מהדפיקות הללו מתCorresponds לאינטראקציה של נייטרון בתוך היהלום. באמצעות מדידת זמן ההגעה של כל דפיקות יחסית לירי הלייזר ושימוש במסלול הטיסה הידוע של 1.5 מטר, המירו זמן לאנרגיית נייטרון ובנו ספקטרום על‑ידי צבירה של נתונים על פני מאות יריות.

להפריד את האות מהרקע

קושי מרכזי היה להבחין בין נייטרונים שבאו ישירות ממטרת הממיר לבין אלה שפוזרו על קירות או ציוד אחר. כדי לכמת רקע זה, הצוות החליף בין מדידות רגילות לבין ריצות "מוצלות" שבהן בלוק חומר סופג‑נייטרונים הושם זמנית בין המקור לגלאי. אותות שהוקלטו במצב המוצל הגיעו ברובם מנייטרונים מפוזרים ומקרינה שארית. תוך שימוש בגישה סטטיסטית שאולה מאסטרופיזיקה, שילבו את שתי מערכות הנתונים כדי להחסיר את הרקע ולשחזר את התרומה הישירה של הנייטרונים. לאחר מכן תוקנה היעילות התלויית‑אנרגיה של הגלאי — הידועה מסימולציות נפרדות — על מנת לקבל את התפוקה האמיתית של נייטרונים כפונקציה של אנרגיה עבור שני חומרי הממיר והשוו את התוצאה לשיטות ספירת נייטרונים מקובלות ושני קודי סימולציה מרכזיים.

מה מגלים התוצאות

הניסוי הראה שמקור מונע לייזר ברמת פטה‑ואט יכול לייצר באופן מהימן סדרי גודל של כמאה מיליון נייטרונים מהירים לכל ירייה מעל מיליון אלקטרון־וולט, וכי אירועי נייטרון בודדים ניתנים לרישום בניקיון במרחק של 1.5 מטר בלבד מהמקור חרף קרינת רקע עזה. ספקטרות האנרגיה שנמדדו התאימו לניבויים ממוחשבים ולגלאים קונבנציונליים בטווח של עשרות אחוזים, הסכמה חזקה בהתחשב בקושי הסביבה ובמגבלת מספר היריות. בהשוואה למתקני מאיצים מבוססים, המקור המונע לייזר מציע רזולוציית אנרגיית נייטרונים השווה בגודל בהרבה יותר קומפקטי ותפוקת נייטרונים תחרותית לפולס, עם דרכים ברורות לשיפור ככל שלייזרים ומטרות קצב‑גבוה יתפתחו. במונחים מעשיים, הוכחה זו של קונספט מצביעה על כך שמעבדות נייטרון מבוססות‑לייזר בעתיד יוכלו לבצע מחקרים מפורטים של תגובות גרעיניות — כולל איזוטופים רדיואקטיביים קצרים־חיים — במרחבים קטנים ובדופקים קצרים שאין כמותם, ופותחות הזדמנויות חדשות בפיזיקה גרעינית, אסטרופיזיקה ומדעים יישומיים.

ציטוט: 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

מילות מפתח: מקור נייטרונים מונע על‑ידי לייזר, מדידת מהירות-היתר של נייטרונים, לייזר פטה‑ואט, גלאי יהלום, מחקרים של תגובות גרעיניות