Спектрометрия времени пролета быстрых нейтронов по отдельным событиям с нейтронным источником, управляемым пета‑ваттным лазером

Почему имеют значение крошечные всплески нейтронов

Нейтроны, незаряженные частицы внутри атомных ядер, являются мощными зондами как для природы, так и для технологий. Они помогают учёным понять, как формировались элементы во Вселенной, как работают ядерные реакторы и как продвинутые материалы реагируют на излучение. В то же время крупные установки, традиционно используемые для получения интенсивных пучков нейтронов — исследовательские реакторы и большие ускорители частиц — дороги в обслуживании и становятся всё реже. В этом исследовании рассматривается совершенно иной подход: использование сверхмощного лазера для создания компактных интенсивных вспышек быстрых нейтронов и демонстрация, впервые, что эти вспышки можно измерять по одному взаимодействию с высокой точностью.

От гигантских машин к настольным вспышкам

Обычные нейтронные источники опираются на длинные туннели ускорителей или ядерные реакторы, чтобы генерировать пучки, которые проходят много метров — иногда сотни метров — прежде чем достичь эксперимента. Их размер и сложность ограничивают доступ и замедляют модернизацию. Напротив, источники нейтронов на лазерной основе используют пета‑ваттный класс лазера, сфокусированный на крошечной твердой фольге. Экстремальные электрические поля лазера вырывают частицы из фольги и ускоряют преимущественно протоны до десятков миллионов электронвольт всего за триллионные доли секунды. Когда эти протоны попадают в вторую мишень — называемую конвертером или приёмником — они производят очень короткую, интенсивную вспышку быстрых нейтронов. Поскольку начальный импульс настолько краток, по сути можно использовать гораздо меньшую дистанцию пролёта для измерения энергий нейтронов, уменьшая всю установку до эксперимента, помещающегося в комнате.

Создание компактного, но чистого эксперимента

Реализация этой идеи как прецизионного инструмента представляет трудности. Взаимодействие с лазером генерирует не только протоны, но и распыляет электроны, рентгеновские лучи, гамма‑излучение и электромагнитные помехи, которые легко могут заглушить чувствительные детекторы. Традиционные нейтронные детекторы в этой области обычно измеряют лишь суммарный сигнал от множества частиц одновременно, что подходит для подсчёта нейтронов, но не для разрешения отдельных реакций. В этой работе команда построила упрощённую схему вокруг пета‑ваттного лазера DRACO в Дрездене. Они тщательно характеризовали лазерно‑ускоренный пучок протонов и другие частицы, затем использовали детальные компьютерные модели для проектирования экранирования и расположения детекторов. Нейтроны создавались выстреливанием протонов в блоки меди или фторида лития. Небольшой радиационно‑устойчивый алмазный детектор был размещён всего в 1,5 метра — намного ближе, чем в стандартных установках — чтобы ловить нейтроны и в то же время отделять их по времени от более ранней вспышки фотонов.

Прослушивание отдельных «щелчков» нейтронов

Сердце исследования — способность регистрировать события, вызванные отдельными нейтронами, а не только размытую сумму многих. Алмазный детектор реагирует менее чем за одну миллиардную секунды и относительно нечувствителен к гамма‑излучению, что делает его хорошо пригодным для этой суровой среды. Тем не менее первоначальные электрические сигналы были в основном доминированы мгновенной вспышкой рентгеновских лучей и электромагнитными помехами. Исследователи записывали следы для каждого выстрела лазера и разработали специализированный метод анализа для вычитания общей шумовой составляющей и поиска малых, хорошо сформированных импульсов, приходящих позже по времени. Каждый такой импульс соответствует взаимодействию нейтрона в алмазе. Измеряя время прихода каждого импульса относительно лазерного импульса и используя известный пролёт в 1,5 метра, они преобразовывали время в энергию нейтрона и накапливали спектр, суммируя данные за сотни выстрелов.

Отделение сигнала от фона

Ключевая трудность заключалась в различении нейтронов, пришедших напрямую с конвертера, от тех, что рассеялись от стен или другого оборудования. Чтобы оценить этот фон, команда чередовала обычные измерения с «затенёнными» сериями, в которых между источником и детектором временно помещали блок из вещества, поглощающего нейтроны. Сигналы, записанные в такой затенённой конфигурации, в основном исходили от рассеянных нейтронов и остаточной радиации. Используя статистический подход, заимствованный из астрофизики, они комбинировали два набора данных, чтобы вычесть фон и восстановить вклад прямых нейтронов. Затем они скорректировали результаты с учётом энерго‑зависимой эффективности детектора — известной по отдельным моделированиям — чтобы получить истинный выход нейтронов как функцию энергии для обоих материалов конвертера и сравнили результат с независимыми методами подсчёта нейтронов и двумя крупными программными кодами моделирования.

Что показывают результаты

Эксперимент показал, что источник на базе пета‑ваттного лазера может надёжно производить порядка ста миллионов быстрых нейтронов на выстрел с энергиями выше одного миллиона электронвольт, и что отдельные нейтронные события можно чисто регистрировать всего в 1,5 метра от источника, несмотря на интенсивное фоновое излучение. Измеренные энергетические спектры совпадали с компьютерными предсказаниями и показаниями обычных детекторов с точностью в десятки процентов — хорошее согласие с учётом сложности среды и ограниченного числа выстрелов. По сравнению с установленными ускорительными установками, лазерный источник предлагает сопоставимое энергонеразрешение нейтронов в гораздо более компактной конфигурации и конкурентоспособное число нейтронов на импульс, с очевидными путями для улучшения по мере развития лазеров и целей для работы на высокой частоте. В практическом плане этот демонстрационный опыт показывает, что в будущем лаборатории на лазерной основе смогут проводить детальные исследования ядерных реакций — в том числе для короткоживущих радиоактивных изотопов — в небольших помещениях и с беспрецедентно короткими импульсами, открывая новые возможности в ядерной физике, астрофизике и прикладных науках.

Цитирование: 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

Ключевые слова: нейтронный источник на лазерной основе, время пролета быстрых нейтронов, пета‑ваттный лазер, алмазный детектор, исследования ядерных реакций