Увеличение выхода синтеза за счёт вторичных реакций пучок-мишень в лазерно‑кластерных экспериментах

Зажигая крошечные «солнца» в лаборатории

Синтез, процесс, питающий Солнце, обычно требует огромных установок или условий в недрах звёзд. В этом исследовании рассматривается совсем другой путь: использование настольных ультрабыстрых лазеров и крошечных газовых кластеров для инициирования реакций синтеза в компактной установке. Авторы показывают, как простая твёрдая «оболочка» вокруг лазер‑приводимого источника синтеза может значительно увеличить число производимых нейтронов, открывая путь к малым лабораторным экспериментам, имитирующим условия, близкие к звёздным.

Как лазеры превращают кластеры в топливо для синтеза

В лазерно‑кластерном синтезе мощный ультракороткий лазерный импульс ударяет по струе микроскопических кластеров из дейтерированного метана — формы метана, в которой водород замещён дейтерием, более тяжёлым изотопом водорода. Интенсивное излучение выбивает электроны из кластеров, оставляя положительно заряженные ионы, которые сильно отталкиваются друг от друга и «кумуляционно взрываются». Эта эксплозия разгоняет ионы дейтерия до десятков тысяч электронвольт энергии — достаточно, чтобы пары ядер дейтерия сливались и испускали нейтроны с энергией 2,45 МэВ. Некоторая часть синтеза происходит там, где кластеры взрываются, когда энергичные ионы сталкиваются друг с другом или с более медленными атомами в газовой струе.

Добавление окружающей мишени для дополнительного синтеза

Ключевая идея работы — улавливать и использовать быстрые ионы, покидающие начальную область синтеза. Команда окружила струю кластеров С‑образным блоком из дейтерированного пластика (CD2). По мере того как горячие ионы дейтерия вылетают из взрывающихся кластеров, многие из них влетают в эту твёрдую мишень. Там они сталкиваются с большим числом атомов дейтерия, упакованных с гораздо большей плотностью, чем в газовой струе. Каждый ион может инициировать дополнительные реакции синтеза по мере замедления внутри твёрдого тела, превращая то, что могло бы быть «потерянными» частицами, во вторую стадию производства нейтронов.

Измерение нейтронов в гонке со временем

Чтобы определить, насколько полезна эта вторичная мишень, исследователи тщательно измеряли время прихода и количество нейтронов на детекторах, размещённых в нескольких метрах. Поскольку скорость нейтронов от синтеза известна, время пролёта даёт информацию о том, когда и где они были созданы. Вычитая ранние сигналы от рентгеновского излучения и учитывая небольшие энергетические разбросы, команда выделила нейтроны, возникшие в области кластеров, и нейтроны от добавленного блока CD2. Они также использовали отдельный детектор для измерения энергий ионов дейтерия, определив «температуры» ионов между примерно 60 и 100 килоэлектронвольт — показатель энергии ионов.

Повышение «температуры» для увеличения выхода

С установленной мишенью CD2 выход нейтронов на один лазерный импульс резко возрос. При самых низких проверяемых энергиях ионов число нейтронов примерно удвоилось по сравнению со случаем только с кластерами; при наивысших энергиях около 100 кэВ выход увеличился примерно в 3,5 раза. Временное модельное описание, отслеживающее расширение горячей плазмы, замедление ионов и число реакций в газе и в твёрдом теле, хорошо согласуется с этими измерениями. Анализ показывает, что с ростом энергии иона каждое отдельное ядро становится более вероятным кандидатом на синтез в твёрдой мишени, поэтому относительная польза добавленного блока CD2 растёт почти линейно в проверенном диапазоне.

Что это означает для синтеза и космоса

Эксперимент демонстрирует практический способ значительно усилить производство нейтронов в компактных лазерно‑приводимых установках синтеза, окружив основную область синтеза подходящей твёрдой мишенью. Помимо простого увеличения числа нейтронов, концепция гибка: заменяя блок CD2 другими материалами, будущие эксперименты смогут изучать различные ядерные реакции в тщательно контролируемых условиях низких энергий, похожих на внутренности звёзд. Фактически, сочетание лазерно‑кластерного синтеза и вторичных мишеней предлагает маломасштабную настраиваемую платформу для исследования того, как ядра реагируют и как часто они сливаются — информация, важная для понимания как потенциальных технологий синтеза, так и внутренней работы астрофизических объектов.

Цитирование: Sim, J., Lee, S., Kim, Hi. et al. Fusion yield enhancement via secondary beam-target reactions in laser-cluster experiments. Sci Rep 16, 5633 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35722-z

Ключевые слова: лазерно‑кластерный синтез, дейтериевый синтез, выход нейтронов, вторичные мишени, астрофизические ядерные реакции