Efficient Generation of Neutrons Based on Ultrashort Laser-driven Direct Acceleration in Microwire-Array Targets

Dit onderzoek demonstreert een efficiënte methode voor neutronengeneratie door middel van directe laserversnelling in microwire-array targets, waarbij met ultrashort laserpulsen een hoge neutronopbrengst wordt behaald die geschikt is voor compacte en economische toepassingen met een hoge herhalingssnelheid.

De kern

Stel je voor dat je een enorme hoeveelheid energie wilt gebruiken om een heel specifiek doel te bereiken, maar je hebt maar een heel klein beetje "brandstof" (laserenergie) tot je beschikking. Hoe haal je het maximale uit elke druppel? Dat is precies waar deze wetenschappers aan hebben gewerkt.

Hier is de uitleg van hun ontdekking in begrijpelijke taal:

De Uitdaging: De "Licht-Snelweg"

Wetenschappers willen graag neutronen maken. Neutronen zijn piepkleine deeltjes die superhandig zijn voor bijvoorbeeld het scannen van materialen (zoals een soort super-röntgenfoto) of het onderzoeken van kernenergie.

Normaal gesproken heb je hiervoor gigantische, peperdure installaties nodig die de hele dag stroom vreten. De onderzoekers in dit artikel willen dit doen met ultrakorte laserpulsen (flitsen van licht die zo kort zijn dat ze bijna niet te meten zijn). Het probleem? Die korte flitsen zijn vaak niet krachtig genoeg om een grote hoeveelheid neutronen te produceren. Het is alsof je een enorme muur probeert omver te duwen met één heel snelle, maar lichte vingerdruk.

De Oplossing: De "Micro-Gordijnen" (Het Microwire-Array)

In plaats van de laser op een plat plaatje te schieten, hebben de onderzoekers iets heel slims bedacht. Ze hebben een doelwit gemaakt dat bestaat uit duizenden microscopisch kleine draadjes die heel dicht op elkaar staan. Denk aan een super-fijn gordijn van metaaldraadjes, maar dan op een schaal die zo klein is dat je het met het blote oog niet kunt zien.

Hoe werkt dat dan?
Stel je de laserstraal voor als een enorme vloedgolf die op een rij met palen (de draadjes) slaat.

1. De versnelling: In plaats van dat de golf gewoon tegen de palen botst, zorgt de structuur van de draadjes ervoor dat de energie niet versnippert. De elektrische velden van de laser worden "gevangen" in de smalle gaatjes tussen de draadjes.
2. De slinger: Dit werkt als een soort elektrische versneller in een miniatuur-format. De deeltjes (elektronen) worden door de laser niet alleen weggeblazen, maar ze worden door de vorm van de draadjes als het ware "gefocusst" en met een enorme snelheid naar voren geslingerd. Het is alsof je een knikker niet zomaar wegwerpt, maar hem door een perfect gevormde buis schiet die hem steeds sneller laat gaan.

Het Resultaat: Een Explosie van deeltjes

Door deze "micro-draadjes" te gebruiken, slaagden de onderzoekers erin om protonen (andere kleine deeltjes) veel efficiënter vooruit te schieten. Wanneer deze supersnelle protonen vervolgens tegen een speciaal blokje materiaal (de "converter") botsen, ontstaat er een enorme productie van neutronen.

De prestatie in cijfers:
Ze hebben een record gebroken. Ze haalden veel meer neutronen uit dezelfde hoeveelheid laserenergie dan voorheen mogelijk was. Het is alsof je met een kleine batterij plotseling een hele zaklamp kunt laten branden die normaal gesproken een hele energiecentrale nodig heeft.

Waarom is dit belangrijk?

Dankzij dit onderzoek kunnen we in de toekomst:

• Compactere apparaten maken voor medisch onderzoek of materiaalkunde.
• Sneller werken: Omdat de laserflitsen zo kort zijn, kun je ze heel vaak achter elkaar afvuren (hoge herhalingssnelheid).
• Goedkoper onderzoek doen: Je hebt geen gigantische faciliteiten meer nodig, maar kunt werken met compactere lasersystemen.

Kortom: Door de laserstraal slim te laten "spelen" met een web van microscopische draadjes, hebben ze een manier gevonden om met een klein beetje licht een enorme hoeveelheid nuttige deeltjes te creëren.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Efficiënte neutronengeneratie via directe laserversnelling in microwire-array targets

Het Probleem

Korte, hoog-flux neutronenbronnen zijn essentieel voor toepassingen zoals neutronen-resonantie-imaging, onderzoek naar fusiematerialen en snelle neutronencaptuur. Tot nu toe waren dergelijke bronnen voornamelijk afhankelijk van versnellingsinstallaties (accelerators), die echter beperkt worden door hoog energieverbruik en hoge kosten. Laser-gedreven neutronenbronnen bieden een alternatief met extreem korte pulsen (<1 ns) en een zeer hoge piekstroom, maar de efficiëntie (het aantal neutronen per joule laserenergie) is bij ultrakorte (femtoseconde) lasers tot nu toe onvoldoende geweest vergeleken met langere pulsen.

Methodologie

De onderzoekers introduceerden een nieuwe methode waarbij een ultrakorte laserpuls (ca. 25 fs, 1 PW vermogen) interageert met een microwire-array (MWA) target.

1. Target-ontwerp: De MWA bestaat uit nauwkeurig geordende, 3D-geprinte microwires (polymeren) op een dun SiN-substraat. De onderzoekers varieerden de array-periode ($P$) om de optimale geometrie te vinden.
2. Fysisch mechanisme: In plaats van de standaard Target Normal Sheath Acceleration (TNSA), maken zij gebruik van Direct Laser Acceleration (DLA). Wanneer de laser de kanalen tussen de microwires binnendringt, worden elektronen door de Lorentzkracht versneld. Deze elektronen vormen intense bundels die een extreem sterk elektrisch veld (sheath field) aan de achterzijde van het substraat induceren, wat leidt tot een superieure versnelling van protonen en ionen.
3. Neutrongeneratie: De versnelde protonen botsen met een converter (LiF, LiD of Be) om neutronen te produceren via kernreacties zoals $^7\text{Li}(p, n)$ en $\text{D}(p, n)^3\text{He}$.
4. Simulaties: Er werd gebruikgemaakt van een geïntegreerde simulatiemethode die Radiation Hydrodynamics (RHD), Particle-in-Cell (PIC) en Monte Carlo (MC) technieken combineert om de volledige keten van preplasma-vorming tot neutronendetectie te modelleren.

Belangrijkste Bijdragen

• Optimalisatie van de geometrie: Het identificeren van de optimale array-periode ($P = 6,4\ \mu\text{m}$) waarbij de protonenenergie en de hoeveelheid protonen boven de 1 MeV significant toenemen.
• Demonstratie van DLA: Het bewijzen dat directe laserversnelling in microstructuren de efficiëntie van ionenversnelling met ultrakorte pulsen drastisch verhoogt.
• Voorspellend model: Het aantonen dat de aanwezigheid van een laser-prepulse de optimale periode van de array verschuift door de vorming van preplasma.

Resultaten

• Neutronenopbrengst: Met een LiD-converter werd een neutronenopbrengst van $(8,33 \pm 0,84) \times 10^6\ \text{n/sr/J}$ gemeten. Dit is een nieuw record voor femtoseconde-lasers bij matige intensiteiten.
• Protonenversnelling: Bij de optimale periode bereikte de protonen-cutoff energie ongeveer 42,5 MeV, wat een verbetering is van factor twee ten opzichte van een vlak doelwit (plane target).
• Potentieel met Beryllium (Be): Simulaties voorspellen dat het gebruik van een Be-converter de opbrengst kan verhogen naar een ongekende $3,67 \times 10^7\ \text{n/sr/J}$.
• Flux en Duur: De geproduceerde neutronenpulsen zijn extreem kort (FWHM van 70-100 ps bij de bron) met een piekstroom die tot twee orde groottes hoger ligt dan die van spallatiebronnen.

Significantie

Dit werk vormt een doorbraak in de ontwikkeling van compacte, economische en hoog-repetitieve neutronenbronnen. Door de efficiëntie van ultrakorte laserpulsen te verhogen, wordt het mogelijk om neutronenbronnen te bouwen die niet alleen krachtig zijn, maar ook geschikt voor snelle opeenvolgende metingen. Dit opent de deur naar geavanceerde toepassingen in de nucleaire materiaalkunde en medische beeldvorming (zoals neutronen-resonantie-radiografie).