利用千万亿瓦级激光驱动中子源进行单事件快中子飞行时间谱测量

为什么微小的中子爆发很重要

中子是原子核内不带电的粒子，是研究自然与技术问题的有力探针。它们帮助科学家理解宇宙中元素的形成、核反应堆的行为以及先进材料在辐射下的响应。然而，用来产生强中子束的传统大设备——研究反应堆和大型粒子加速器——成本高昂且越来越稀少。本研究探讨了一个截然不同的方案：利用超强激光产生紧凑且强烈的快中子脉冲，并首次展示这些脉冲可以以高精度逐一测量单次相互作用。

从巨型设施到桌面闪光

传统中子源依赖长距离的加速器隧道或核反应堆来产生传播数米——有时达数百米——才能到达实验区的束流。它们的体积和复杂性限制了使用与升级的灵活性。相比之下，激光驱动中子源使用千万亿瓦级激光聚焦到微小的固体箔靶上。激光产生的极端电场从箔靶中剥离粒子，主要将质子在短至万亿分之一秒的时间尺度内加速到千万电子伏的能量。当这些质子撞击称为转换器或接收器的二次靶时，会产生非常短、强烈的快中子脉冲。由于初始脉冲极其短暂，理论上可以使用更短的飞行路径来测量中子能量，从而将整个装置缩小到房间尺度的实验。

构建紧凑而干净的实验

要把这个想法变成精准工具并不容易。激光相互作用不仅产生质子，还会喷射出电子、X射线、伽马射线和电磁噪声，这些都极易淹没灵敏探测器。该领域的传统中子探测器通常只测量来自大量粒子的总信号，这对计数中子足够，但无法解析单个反应。在这项工作中，团队围绕德累斯顿的DRACO千万亿瓦激光搭建了简化的实验布局。他们对激光加速的质子束和其他粒子进行了精确表征，并用详细的计算机模拟设计了屏蔽和探测器位置。中子通过将质子发射到铜或氟化锂块中产生。一个小型耐辐射金刚石探测器被放置在仅1.5米的位置——比标准设施近得多——以在仍能将中子与早先的光子闪光在时间上分开的情况下捕获中子。

监听单个中子的“咔嗒”声

本研究的核心是能够检测由单个中子诱发的事件，而不仅仅是一片模糊的集合。金刚石探测器的响应时间小于十亿分之一秒，并且对伽马射线相对不敏感，使其非常适合在这种恶劣环境中工作。即便如此，原始电信号最初还是被X射线的速发闪光和电磁噪声主导。研究人员为每次激光发放记录波形，并开发了专门的分析方法以扣除共同的噪声模式，搜索稍晚到达的、小而形状良好的脉冲。每个这样的脉冲对应金刚石内的一次中子相互作用。通过测量每个脉冲相对于激光发放的到达时间，并利用已知的1.5米飞行路径，他们将时间转换为中子能量，并通过累积数百次发放的数据建立能谱。

将信号与背景区分开

一项关键难题是区分直接来自转换器靶的中子与那些从墙壁或其他设备散射来的中子。为量化这一背景，团队在正常测量与“遮挡”运行之间交替进行，在遮挡运行中在源与探测器之间临时放置一块吸收中子的材料块。遮挡配置下记录的信号大多来自散射中子和残余辐射。他们采用来自天体物理学的统计方法，将两组数据结合以扣除背景并恢复直接中子贡献。随后，他们根据单独模拟已知的探测器能量相关效率进行校正，从而获得两种转换材料随能量变化的真实中子产额，并将结果与独立的中子计数方法和两套主要模拟代码进行了比较。

结果告诉我们的是什么

实验表明，千万亿瓦激光驱动的中子源能够可靠地产生约十亿级（每次发放一亿计）能量高于一百万电子伏的快中子，并且尽管存在强烈的背景辐射，单个中子事件仍可在距离源仅1.5米处被清晰记录。测得的能谱与计算预测和传统探测器结果在数十个百分点内吻合，考虑到环境的复杂性和发放次数的限制，这是一致性良好的结果。与已建立的加速器设施相比，激光驱动源在更紧凑的装置中提供了可比的中子能量分辨率和具竞争力的每脉冲中子数，且随着激光与高重复靶技术的进步有明显的改进路径。从实际角度看，这一概念验证表明未来基于激光的中子实验室可在小空间内以前所未有的短脉冲执行详细的核反应研究——包括针对短寿命放射性同位素——为核物理、天体物理和应用科学开辟了新机会。

引用: 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

关键词: 激光驱动中子源, 快中子飞行时间谱, 千万亿瓦激光, 金刚石探测器, 核反应研究