Spektrometria czasu przelotu szybkich neutronów z rejestracją pojedynczych zdarzeń przy źródle neutronów napędzanym laserem petawattowym

Dlaczego małe impulsy neutronów mają znaczenie

Neutrony, nie naładowane cząstki wewnątrz jąder atomowych, są potężnymi sondami przyrody i technologii. Pomagają naukowcom zrozumieć, jak powstawały pierwiastki we wszechświecie, jak zachowują się reaktory jądrowe oraz jak zaawansowane materiały reagują na promieniowanie. Jednak duże urządzenia tradycyjnie używane do wytwarzania intensywnych wiązek neutronów — reaktory badawcze i duże akceleratory cząstek — są kosztowne i coraz rzadsze. W pracy tej rozważono bardzo inną opcję: użycie ultramocnego lasera do stworzenia kompaktowych, intensywnych impulsów szybkich neutronów i wykazano po raz pierwszy, że te impulsy można mierzyć jedno zdarzenie na raz z dużą precyzją.

Od gigantycznych maszyn do stołowych błysków

Konwencjonalne źródła neutronów polegają na długich tunelach akceleratorów lub reaktorach jądrowych, aby wygenerować wiązki, które pokonują wiele metrów — czasem setki metrów — zanim dotrą do eksperymentu. Ich rozmiar i złożoność ograniczają dostęp i spowalniają modernizacje. Dla odmiany źródła neutronów napędzane laserem wykorzystują laser klasy petawatt skupiony na maleńkiej stałej folii. Ekstremalne pola elektryczne lasera wyrwą cząstki z folii i przyspieszą głównie protony do dziesiątek milionów elektronowoltów w zaledwie bilionowych częściach sekundy. Gdy te protony uderzą w drugi cel, zwany konwerterem lub łapaczem, wytwarzają bardzo krótki, intensywny impuls szybkich neutronów. Ponieważ początkowy impuls jest tak krótki, w zasadzie można zastosować znacznie krótszą drogę przelotu do pomiaru energii neutronów, zmniejszając cały układ do eksperymentu mieszczącego się w pomieszczeniu.

Budowa kompaktowego, lecz „czystego” eksperymentu

Przekształcenie tej idei w narzędzie precyzyjne jest wyzwaniem. Interakcja lasera nie tylko generuje protony, ale także rozprasza elektrony, promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie gamma i szumy elektromagnetyczne, które łatwo mogą zasłonić delikatne detektory. Tradycyjne detektory neutronów w tej dziedzinie zwykle mierzą jedynie całkowity sygnał od wielu cząstek naraz, co wystarcza do zliczania neutronów, ale nie pozwala rozróżniać pojedynczych reakcji. W tej pracy zespół zbudował uproszczony układ wokół lasera petawattowego DRACO w Dreźnie. Starannie scharakteryzowali wiązkę protonów przyspieszonych przez laser i inne cząstki, a następnie użyli szczegółowych symulacji komputerowych do zaprojektowania osłon i pozycji detektorów. Neutrony powstawały przez wystrzeliwanie protonów na bloki miedzi lub fluorku litu. Mały, odporny na promieniowanie detektor diamentowy umieszczono zaledwie 1,5 metra dalej — znacznie bliżej niż w standardowych obiektach — aby łapać neutrony przy jednoczesnym rozdzieleniu ich w czasie od wcześniejszego błysku fotonów.

Słuchanie pojedynczych „kliknięć” neutronów

Istotą badania jest zdolność wykrywania pojedynczych zdarzeń wywołanych przez neutrony, a nie tylko rozmycia wielu zdarzeń. Detektor diamentowy reaguje w czasie krótszym niż jedna miliardowa sekundy i jest stosunkowo mało czuły na promieniowanie gamma, co czyni go dobrze przystosowanym do tak surowego środowiska. Mimo to surowe sygnały elektryczne początkowo były zdominowane przez natychmiastowy błysk rentgenowski i przez szumy elektromagnetyczne. Badacze rejestrowali przebiegi dla każdego wystrzału lasera i opracowali dedykowaną metodę analizy, aby odjąć wspólny wzorzec szumu i wyszukać małe, dobrze ukształtowane impulsy przychodzące później w czasie. Każdy z tych impulsów odpowiada interakcji neutronu w diamencie. Mierząc czas nadejścia każdego impulsu względem wystrzału lasera i korzystając z znanej drogi przelotu 1,5 metra, przeliczali czas na energię neutronu i tworzyli widmo, kumulując dane przez setki wystrzałów.

Oddzielanie sygnału od tła

Główną trudnością było rozróżnienie neutronów, które przyszły bezpośrednio z celu konwertera, od tych, które rozproszyły się od ścian lub innego sprzętu. Aby oszacować to tło, zespół przeplatał normalne pomiary z biegami „zacienionymi”, w których tymczasowo umieszczano blok materiału pochłaniającego neutrony pomiędzy źródłem a detektorem. Sygnały zarejestrowane w tej zacienionej konfiguracji pochodziły w większości od neutronów rozproszonych i promieniowania resztkowego. Korzystając ze statystycznego podejścia zapożyczonego z astrofizyki, połączyli oba zbiory danych, aby odjąć tło i odzyskać wkład neutronów bezpośrednich. Następnie skorygowali wynik o zależną od energii wydajność detektora — znaną z odrębnych symulacji — aby uzyskać prawdziwy strumień neutronów jako funkcję energii dla obu materiałów konwertera i porównali rezultat z niezależnymi metodami zliczania neutronów oraz dwoma głównymi kodami symulacyjnymi.

Co mówią wyniki

Eksperyment wykazał, że źródło napędzane laserem petawattowym może wiarygodnie wytwarzać rzędu stu milionów szybkich neutronów na wystrzał powyżej miliona elektronowoltów, oraz że pojedyncze zdarzenia neutronowe można czysto zarejestrować zaledwie 1,5 metra od źródła pomimo intensywnego promieniowania tła. Mierzone widma energetyczne zgadzały się z przewidywaniami komputerowymi i konwencjonalnymi detektorami w granicach dziesiątek procent, co stanowi mocne dopasowanie, biorąc pod uwagę trudne warunki i ograniczoną liczbę wystrzałów. Porównane z ustalonymi obiektami akceleratorowymi, źródło napędzane laserem oferuje porównywalną rozdzielczość energetyczną neutronów w znacznie bardziej kompaktowym układzie oraz konkurencyjną liczbę neutronów na impuls, z wyraźnymi ścieżkami poprawy wraz z rozwojem laserów i wyrzutników o wysokiej częstotliwości. W praktycznym wymiarze ta demonstracja koncepcji pokazuje, że przyszłe laboratoria neutronowe oparte na laserach mogłyby prowadzić szczegółowe badania reakcji jądrowych — w tym izotopów krótkotrwałych i radioaktywnych — na niewielkiej przestrzeni i przy bezprecedensowo krótkich impulsach, otwierając nowe możliwości w fizyce jądrowej, astrofizyce i naukach stosowanych.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: źródło neutronów napędzane laserem, czas przelotu szybkich neutronów, laser petawattowy, detektor diamentowy, badania reakcji jądrowych