Enkelhändelse neutrontidsflyktsspektrometri med en petawatt‑laserstyrd neutronskälla

Varför små neutronblixtar spelar roll

Neutroner, de neutrala partiklarna i atomkärnor, är kraftfulla sonder för både naturvetenskap och teknik. De hjälper forskare att förstå hur universums grundämnen bildades, hur kärnreaktorer beter sig och hur avancerade material reagerar på strålning. De stora anläggningar som traditionellt används för att skapa intensiva neutronstrålar—forskningsreaktorer och stora partikelacceleratorer—är dock kostsamma och blir alltmer sällsynta. Denna studie undersöker ett helt annat alternativ: att använda en ultra‑kraftfull laser för att skapa kompakta, intensiva utbrott av snabba neutroner och visar, för första gången, att dessa utbrott kan mätas en växelverkan i taget med hög precision.

Från jättemaskiner till skrivbordsblixtar

Konventionella neutronskällor förlitar sig på långa acceleratortunnlar eller kärnreaktorer för att generera strålar som färdas många meter—ibland hundratals meter—innan de når ett experiment. Deras storlek och komplexitet begränsar tillgången och gör uppgraderingar långsamma. Däremot använder laser‑drivna neutronskällor en petawatt‑klass laser riktad mot en liten solid folie. Laserns extrema elektriska fält sliter loss partiklar från folien och accelererar främst protoner till tiotals miljoner elektronvolt på bara biljoner av en sekund. När dessa protoner träffar ett andra mål, kallat en omvandlare eller fångare, producerar de en mycket kort, intensiv puls av snabba neutroner. Eftersom den initiala pulsen är så kort kan man i princip använda en mycket kortare flyglängd för att mäta neutronernas energi, vilket krymper hela uppställningen till ett rumstort experiment.

Bygga ett kompakt men rent experiment

Att förvandla idén till ett precisionsverktyg är utmanande. Laserinteraktionen genererar inte bara protoner utan sprider även ut elektroner, röntgenstrålning, gamma‑strålning och elektromagnetiskt brus som lätt kan övermanna känsliga detektorer. Traditionella neutrontäktorer i fältet mäter vanligtvis bara totalsignalen från många partiklar samtidigt, vilket fungerar för att räkna neutroner men inte för att urskilja individuella växelverkaner. I detta arbete byggde teamet en strömlinjeformad uppställning kring DRACO‑petawattlasern i Dresden. De karaktäriserade noggrant den laseraccelerationerade protonbunten och andra partiklar, och använde därefter detaljerade dator‑simuleringar för att utforma skärmning och detektorplaceringar. Neutroner skapades genom att skjuta protonerna in i antingen kopparblock eller litiumfluoridblock. En liten, strålningshård diamantdetektor placerades bara 1,5 meter bort—mycket närmare än i standardanläggningar—för att fånga neutroner samtidigt som de fortfarande separerades i tid från det tidigare fotonblixtrande.

Lyssna på enskilda neutron‑”klick”

Studien kärnar i förmågan att detektera enskilda neutroninducerade händelser snarare än bara en suddig massa av många. Diamantdetektorn svarar inom mindre än en miljarddel av en sekund och är relativt okänslig för gamma‑strålning, vilket gör den väl lämpad för denna hårda miljö. Trots det dominerades de råa elektriska signalerna initialt av den omedelbara blixtern från röntgenstrålning och av elektromagnetiskt brus. Forskarna spelade in signalspår för varje laserskott och utvecklade en särskild analysmetod för att subtrahera det gemensamma bruset och söka efter små, välformade pulser som anlände senare i tiden. Var och en av dessa pulser motsvarar en neutronväxelverkan i diamanten. Genom att mäta ankomsttiden för varje puls relativt laserskottet och använda den kända 1,5‑meters flyglängden omvandlade de tid till neutronenergi och byggde upp ett spektrum genom att ackumulera data över hundratals skott.

Separera signal från bakgrund

En central svårighet var att skilja neutroner som kom direkt från omvandlarmålet från dem som hade spridits mot väggar eller annan utrustning. För att kvantifiera denna bakgrund växlade teamet mellan normala mätningar och ”skuggade” körningar där ett block av neutronabsorberande material tillfälligt placerades mellan källan och detektorn. Signaler som registrerades i denna skuggade konfiguration kom framför allt från spridda neutroner och kvarvarande strålning. Med en statistisk metod lånad från astrofysiken kombinerade de de två dataseten för att subtrahera bakgrunden och återfå den direkta neutrontillförseln. Därefter korrigerade de för detektorns energi‑beroende effektivitet—känd från separata simuleringar—för att erhålla det verkliga neutronutfallet som funktion av energi för båda omvandlarmaterialen och jämförde resultatet med oberoende neutrontäkningsmetoder och två större simuleringskoder.

Vad resultaten berättar

Experimentet visade att en petawatt‑laserstyrd källa pålitligt kan producera i storleksordningen hundra miljoner snabba neutroner per skott över en miljon elektronvolt, och att individuella neutronevenemang kan registreras tydligt redan 1,5 meter från källan trots intensiv bakgrundsstrålning. De uppmätta energispektren överensstämde med datorprediktioner och konventionella detektorer inom tiotals procent—en stark överensstämmelse med tanke på miljöns svårighetsgrad och det begränsade antalet skott. Jämfört med etablerade acceleratoranläggningar erbjuder den laserdrivna källan liknande neutronenergiupplösning i en mycket mer kompakt uppställning och konkurrenskraftigt antal neutroner per puls, med tydliga utvecklingsvägar i takt med förbättrade lasrar och högre repetitionsmål. I praktiska termer visar detta konceptbevis att framtida laserbaserade neutronsalar skulle kunna utföra detaljerade studier av nukleära reaktioner—including kortlivet radioaktiva isotoper—in i små utrymmen och med ovanligt korta pulser, vilket öppnar nya möjligheter inom kärnfysik, astrofysik och tillämpad vetenskap.

Citering: 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

Nyckelord: laserstyrd neutronskälla, snabb neutron tidsflykt, petawattlaser, diamantdetektor, studier av nukleära reaktioner