Eenmalige tij-of-vlucht-spectrometrie van snelle neutronen met een petawatt-lasergestuurde neutronenbron

Waarom kleine neutronuitbarstingen ertoe doen

Neutronen, de ongeladen deeltjes in atoomkernen, zijn krachtige sondes van zowel de natuur als technologie. Ze helpen wetenschappers te begrijpen hoe elementen in het universum zijn gevormd, hoe kernreactoren zich gedragen en hoe geavanceerde materialen reageren op straling. Toch zijn de grote apparaten die traditioneel intense neutronbundels produceren — onderzoeksreactoren en grote deeltjesversnellers — duur en steeds schaarser. Deze studie onderzoekt een heel ander alternatief: het gebruik van een ultrakrachtige laser om compacte, intense uitbarstingen van snelle neutronen te creëren en toont voor het eerst aan dat deze uitbarstingen één interactie per keer met hoge precisie kunnen worden gemeten.

Van reuzenapparaten naar tafelbladflitsen

Conventionele neutronenbronnen vertrouwen op lange versnellertunnels of kernreactoren om bundels te genereren die vele meters — soms honderden meters — afleggen voordat ze een experiment bereiken. Hun omvang en complexiteit beperken de toegang en maken upgrades traag. Daartegenover gebruiken laser-gestuurde neutronenbronnen een petawatt-klasse laser die op een klein vast folie wordt gefocust. De extreme elektrische velden van de laser scheuren deeltjes uit het folie en versnellen voornamelijk protonen tot tientallen miljoenen elektronvolt in slechts biljoensten van een seconde. Wanneer deze protonen een tweede doel raken, een zogenaamde converter of catcher, produceren ze een zeer korte, intense uitbarsting van snelle neutronen. Omdat de initiële puls zo kort is, kan men in principe een veel kortere vluchtafstand gebruiken om de neutronenergieën te meten, waardoor de hele opstelling kan krimpen tot een kamerformaat experiment.

Een compacte maar schone opstelling bouwen

Het omzetten van dit idee in een precisie-instrument is uitdagend. De laserinteractie genereert niet alleen protonen maar sprayt ook elektronen, röntgenstraling, gammastraling en elektromagnetische ruis uit die gevoelige detectoren gemakkelijk kunnen overschaduwen. Traditionele neutronendetectoren in dit veld meten doorgaans alleen het totaalsignaal van veel deeltjes tegelijk, wat prima is voor het tellen van neutronen maar niet voor het resolven van individuele reacties. In dit werk bouwde het team een gestroomlijnde opstelling rond de DRACO petawatt-laser in Dresden. Ze karakteriseerden zorgvuldig de laser-versnelde protonenbundel en andere deeltjes en gebruikten vervolgens gedetailleerde computersimulaties om afscherming en detectorposities te ontwerpen. Neutronen werden gemaakt door de protonen op koperen of lithiumfluorideblokken te schieten. Een kleine, stralingsharde diamantdetector werd geplaatst op slechts 1,5 meter afstand — veel dichter dan in standaardfaciliteiten — om neutronen op te vangen terwijl ze nog in de tijd te scheiden waren van de eerdere flits van fotonen.

Naar individuele neutron-"klikjes" luisteren

De kern van de studie is het vermogen om door neutronen geïnduceerde individuele gebeurtenissen te detecteren in plaats van alleen een wazige verzameling van velen. De diamantdetector reageert in minder dan een miljardste van een seconde en is relatief ongevoelig voor gammastraling, waardoor hij goed geschikt is voor deze harde omgeving. Toch werden de ruwe elektrische signalen aanvankelijk gedomineerd door de onmiddellijke flits van röntgenstraling en door elektromagnetische ruis. De onderzoekers registreerden sporen voor elke lasershot en ontwikkelden een specifieke analysemethode om het gemeenschappelijke ruispatroon af te trekken en te zoeken naar kleine, goedgevormde pulsen die later in de tijd aankwamen. Elk van deze pulsen komt overeen met een neutroninteractie binnenin het diamant. Door de aankomsttijd van elke puls ten opzichte van de lasershot te meten en gebruik te maken van de bekende 1,5 meter vluchtafstand, zetten ze tijd om in neutronenergie en bouwden ze een spectrum op door data te accumuleren over honderden shots.

Signaal van achtergrond scheiden

Een belangrijke moeilijkheid was het onderscheiden van neutronen die rechtstreeks uit het converterdoel kwamen van degenen die verstrooid waren aan wanden of andere apparatuur. Om deze achtergrond te kwantificeren, afwisselde het team normale metingen met "geëschaduwde" runs waarbij tijdelijk een blok neutronenabsorberend materiaal tussen bron en detector werd geplaatst. Signalen die in deze geëschaduwde configuratie werden opgenomen, kwamen grotendeels van verstrooide neutronen en resterende straling. Met een statistische benadering geleend uit de astrofysica combineerden ze de twee datasets om de achtergrond af te trekken en het directe neutronenaandeel terug te winnen. Vervolgens corigeerden ze voor de energie-afhankelijke efficiëntie van de detector — bekend uit afzonderlijke simulaties — om de werkelijke neutronenopbrengst als functie van energie te verkrijgen voor beide convertermaterialen en vergeleken het resultaat met onafhankelijke neutronentelmethoden en twee gangbare simulatiecodes.

Wat de resultaten ons vertellen

Het experiment toonde aan dat een petawatt-lasergestuurde bron betrouwbaar ongeveer honderd miljoen snelle neutronen per shot kan produceren boven één miljoen elektronvolt, en dat individuele neutrongebeurtenissen schoon kunnen worden geregistreerd op slechts 1,5 meter van de bron ondanks intense achtergrondstraling. De gemeten energiespectra kwamen binnen tientallen procenten overeen met computervoorspellingen en conventionele detectoren, een sterke overeenstemming gezien de moeilijkheid van de omgeving en het beperkte aantal shots. Vergeleken met gevestigde versnellervoorzieningen biedt de lasergestuurde bron vergelijkbare energie-resolutie van neutronen in een veel compactere opstelling en concurrerende aantallen neutronen per puls, met duidelijke verbeterpaden naarmate lasers en hoogfrequentiedoelen zich ontwikkelen. In praktische termen toont dit proof of concept aan dat toekomstige lasergebaseerde neutronenlaboratoria gedetailleerde studies van kernreacties — ook van kortlevende, radioactieve isotopen — in kleine ruimtes en met ongekend korte pulsen zouden kunnen uitvoeren, wat nieuwe kansen opent in kernfysica, astrofysica en toegepaste wetenschap.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: laser-gestuurde neutronenbron, tijd-van-vlucht voor snelle neutronen, petawatt-laser, diamantdetector, studies van kernreacties