ペタワットレーザー駆動中性子源を用いた単一事象高速中性子飛行時間分光法

なぜ微小な中性子バーストが重要なのか

中性子は原子核内の電荷を持たない粒子であり、自然や技術の両面を探る強力なプローブです。宇宙で元素がどのように形成されたか、原子炉がどのように振る舞うか、先進材料が放射線にどう反応するかを解明するのに役立ちます。しかし、強力な中性子ビームを生成する従来の大型装置—研究炉や大型加速器—は高価であり、入手可能性も減少しています。本研究はまったく異なる選択肢を検討します：超高出力レーザーを使ってコンパクトで強力な高速中性子のバーストを作り、これらのバーストを初めて高精度で“単一事象”ごとに計測できることを示します。

巨大小型装置からテーブルトップでの閃光へ

従来の中性子源は長い加速器トンネルや原子炉に依存し、ビームは実験に到達するまで数メートル、時には数百メートルを進みます。その大きさと複雑さが利用の制約や改良の遅さを生みます。これに対してレーザー駆動中性子源は、ペタワット級レーザーを小さな固体箔に集光します。レーザーの極端な電場が箔から粒子をはぎ取り、主に陽子を数兆分の一秒という短時間で数千万電子ボルトに加速します。これらの陽子がコンバータ（キャッチャー）と呼ばれる第二の標的に当たると、非常に短く強烈な高速中性子のバーストが生成されます。初期パルスが極めて短いため、理論的には中性子のエネルギーを測定する飛程を大幅に短縮でき、装置全体を室内サイズに縮小できます。

コンパクトでかつクリーンな実験を構築する

このアイデアを精密測定器に仕立てるには困難が伴います。レーザー相互作用は陽子だけでなく、電子、X線、ガンマ線、電磁ノイズを放出し、繊細な検出器を容易に覆い隠します。この分野の従来の中性子検出器は多数の粒子からの総信号のみを計測することが多く、中性子の数を数えるには十分でも個々の反応を分解するには不十分です。本研究チームはドレスデンのDRACOペタワットレーザーを中心に合理化した配置を構築しました。レーザー加速陽子ビームや他の粒子を注意深く特性評価し、詳細な計算機シミュレーションを用いて遮蔽と検出器位置を設計しました。中性子は陽子を銅またはフッ化リチウムのブロックに打ち込むことで生成されました。放射線耐性のある小型ダイヤモンド検出器をわずか1.5メートルの距離に配置し、標準的な設備よりもはるかに近接して中性子を捉えつつ、先行する光子フラッシュと時間的に分離できるようにしました。

単一中性子の「クリック」を聴く

研究の核心は、多数の混ざったぶれではなく単一の中性子誘起事象を検出できることです。ダイヤモンド検出器は1ナノ秒未満で応答し、ガンマ線に比較的鈍感であるため、この過酷な環境に適しています。それでも生の電気信号は当初、X線による即発性フラッシュや電磁ノイズが支配していました。研究者は各レーザーショットのトレースを記録し、共通のノイズパターンを差し引いて、時間的に遅れて到着する小さく形の整ったパルスを探索する専用の解析法を開発しました。これらの各パルスはダイヤモンド内での中性子相互作用に対応します。レーザーショットに対する各パルスの到着時間を測り、既知の1.5メートルの飛程を用いて時間を中性子エネルギーに変換し、数百ショット分のデータを蓄積してスペクトルを構築しました。

信号と背景の分離

重要な困難は、コンバータ標的から直接来る中性子と壁や他の装置で散乱した中性子を区別することでした。この背景を定量化するため、チームは通常の測定と交互に「シャドウ」実行を行い、源と検出器の間に中性子吸収材のブロックを一時的に置きました。シャドウ構成で記録された信号は主に散乱中性子や残留放射から来ていました。天体物理学から借用した統計的アプローチを用いて、二つのデータセットを組み合わせて背景を差し引き、直接の中性子寄与を回復しました。さらに別個のシミュレーションで知られている検出器のエネルギー依存効率で補正し、両方のコンバータ材料についてエネルギー依存の真の中性子生成量を得て、独立した中性子計測法や二つの主要シミュレーションコードと結果を比較しました。

結果が示すこと

実験は、ペタワットレーザー駆動源が1MeV以上の高速中性子を1ショットあたり概ね1億個程度生成できること、そして強い背景放射の中でも発生源からわずか1.5メートル離れた位置で個々の中性子事象を明確に記録できることを示しました。測定されたエネルギースペクトルは計算予測および従来の検出器と数十パーセントの範囲で一致しており、環境の過酷さとショット数の限界を考えれば強い整合性といえます。既存の加速器施設と比較すると、レーザー駆動源ははるかにコンパクトな設備で同等の中性子エネルギー分解能と競争力のあるパルス当たり中性子数を提供し、レーザーや高繰り返し標的の進歩に伴って改良の道筋が明らかです。実用的には、この概念実証により将来のレーザー基盤中性子ラボが狭い空間で短寿命放射性同位体を含む詳細な核反応研究を超短パルスで行える可能性が示され、核物理学、天体物理学、応用科学の新たな機会を開きます。

引用: 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

キーワード: レーザー駆動中性子源, 高速中性子飛行時間法, ペタワットレーザー, ダイヤモンド検出器, 核反応研究