1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования
  4. № 8, 2023

Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2023, № 8, стр. 22-31

Создание нейтронного источника с использованием реакций (γ,n) на лазерно-плазменном ускорителе и его использование для диагностики параметров электронного пучка

Д. А. Горлова a, b, *, А. Ю. Заворотный a, b, И. Н. Цымбалов a, b, К. А. Иванов a, c, С. А. Шуляпов a, d, Р. В. Волков a, А. Б. Савельев a, c

a Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Физический факультет
119991 Москва, Россия

b Институт ядерных исследований РАН
117312 Москва, Россия

c Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
119991 Москва, Россия

d Акустический институт им. Н.Н. Андреева РАН
117292 Москва, Россия

* E-mail: gorlova.da14@physics.msu.ru

Поступила в редакцию 15.09.2022
После доработки 22.12.2022
Принята к публикации 22.12.2022

Аннотация

Создание компактных лабораторных источников нейтронов необходимо как для проведения фундаментальных физических исследований, так и для практического применения (например, нейтронной радиографии и спектроскопии). Одним из наиболее перспективных подходов к созданию такого источника является использование лазерно-плазменных ускорителей электронов или ионов, и последующая инициация ядерных реакций (γ,n), (p,n) или (d,n) с выделением нейтронов. В настоящей работе был создан и охарактеризован источник нейтронов на основе реакций фоторасщепления (γ,n) с использованием электронного пучка от 1 ТВт лазерно-плазменного ускорителя. Показано, что максимальный поток нейтронов составляет ~105 нейтрон./с · срад при эффективности ~106 нейтрон./Дж лазерного излучения. При сохранении эффективности и увеличении энергии лазерного импульса в 10 раз поток нейтронов будет достаточным для ряда приложений. Также было проведено численное моделирование методом Монте-Карло образования нейтронов пучком электронов с параметрами, соответствующими измеренным экспериментально. Продемонстрировано, что регистрация числа генерируемых нейтронов в эксперименте может быть использована для оценки заряда и средней энергии ускоренных электронов. Полученные значения хорошо согласуются со значениями, измеренными стандартными средствами диагностики пучка.

Ключевые слова: источник нейтронов, лазерно-плазменное ускорение, ускорение электронов, фотоядерные реакции, измерение заряда пучка, метод Монте-Карло.

Список литературы

  1. Gales S., Tanaka K.A., Balabanski D.L., Negoita F., Stutman D., Tesileanu O., Ur C.A., Ursescu D., Andrei I., Ataman S. et al. // Reports Prog. Phys. 2018. V. 81. № 9. P. 094301. https://www.doi.org/10.1088/1361-6633/AACFE8

  2. Umstadter D. // J. Phys. D. Appl. Phys. 2003. V. 36. № 8. P. R151. https://www.doi.org/10.1088/0022-3727/36/8/202

  3. Alejo A., Ahmed H., Green A., Mirfayzi S.R., Borghesi M., Kar S. // Nuovo Cim. della Soc. Ital. di Fis. C. 2015. V. 38. № 6. P. 1. https://www.doi.org/10.1393/ncc/i2015-15188-8

  4. Nedorezov V.G., Rykovanov S.G., Savel’ev A.B. // Uspekhi Fiz. Nauk. 2021. T. 191. C. 1281. https://www.doi.org/10.3367/ufnr.2021.03.038960

  5. Filges D., Goldenbaum F. // Handbook of Spallation Research. Germany, Wiley, Weinheim, 2009.

  6. Altieri S., Protti N. // Ther. Radiol. Oncol. 2018. V. 2. P. 47. https://www.doi.org/10.21037/TRO.2018.10.08

  7. Ковальчук М.В., Воронин В.В., Гаврилов С.В., Гартвик А.В., Дьячков М.В., Ипатов Д.А., Матвеев В.А., Тарнавич В.В., Ульянов В.А. // Кристаллография. 2022. Т. 67. № 5. С. 785. https://www.doi.org/10.31857/S0023476122050095

  8. Anderson I.S., Andreani C., Carpenter J.M., Festa G., Gorini G., Loong C.K., Senesi R. // Phys. Rep. 2016. V. 654. P. 1. https://www.doi.org/10.1016/J.PHYSREP.2016.07.007

  9. Ikeda Y., Taketani A., Takamura M., Sunaga H., Kumagai M., Oba Y., Otake Y., Suzuki H. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2016. V. 833. P. 61. https://www.doi.org/10.1016/J.NIMA.2016.06.127

  10. Alvarez J., Fernández-Tobias J., Mima K., Nakai S., Kar S., Kato Y., Perlado J.M. // Phys. Procedia. C. 2014. V. 60. P. 29. https://www.doi.org/10.1016/j.phpro.2014.11.006

  11. Kleinschmidt A., Bagnoud V., Deppert O., Favalli A., Frydrych S., Hornung J., Jahn D., Schaumann G., Tebartz A., Wagner F. et al. // Phys. Plasmas. 2018. V. 25. № 5. P. 053101. https://www.doi.org/10.1063/1.5006613

  12. Ivanov K.A., Shulyapov S.A., Gorlova D.A., Mordvintsev I.M., Tsymbalov I.N., Savel’ev A.B. // Quantum Electron. 2021. V. 51. № 9. P. 768. https://www.doi.org/10.1070/QEL17604/XML

  13. Feng J., Fu C., Li Y., Zhang X., Wang J., Li D., Zhu C., Tan J., Mirzaie M., Zhang Z. et al. // High Energy Density Phys. 2020. V. 36. P. 100753. https://www.doi.org/10.1016/j.hedp.2020.100753

  14. Arikawa Y., Utsugi M., Alessio M., Nagai T., Abe Y., Kojima S., Sakata S., Inoue H., Fujioka S., Zhang Z. et al. // Plasma Fusion Res. 2015. V. 10. Iss. 1. P. 2404003. https://www.doi.org/10.1585/pfr.10.2404003

  15. Phillips T.W., Cable M.D., Cowan T.E., Hatchett S.P., Henry E.A., Key M.H., Perry M.D., Sangster T.C., Stoyer M.A. // Rev. Sci. Instrum. 1999. V. 70. № 1. P. 1213. https://www.doi.org/10.1063/1.1149337

  16. Mirfayzi S.R., Yogo A., Lan Z., Ishimoto T., Iwamoto A., Nagata M., Nakai M., Arikawa Y., Abe Y., Golovin D. et al. // Sci. Rep. 2020. V. 10. № 1. P. 20157. https://www.doi.org/10.1038/s41598-020-77086-y

  17. Mirfayzi S.R., Ahmed H., Doria D., Alejo A., Ansell S., Clarke R.J., Gonzalez-Izquierdo B., Hadjisolomou P., Heathcote R., Hodge T. et al. // Appl. Phys. Lett. 2020. V. 116. № 17. P. 174102. https://www.doi.org/10.1063/5.0003170

  18. Jung D., Falk K., Guler N., Deppert O., Devlin M., Favalli A., Fernandez J.C., Gautier D.C., Geissel M., Haight R. et al. // Phys. Plasmas. 2013. V. 20. № 5. P. 056706. https://www.doi.org/10.1063/1.4804640

  19. Higginson D.P., McNaney J.M., Swift D.C., Bartal T., Hey D.S., Kodama R., Le Pape S., MacKinnon A., Mariscal D., Nakamura H. et al. // Phys. Plasmas. 2010. V. 17. № 10. P. 100701. https://www.doi.org/10.1063/1.3484218

  20. Günther M.M., Rosmej O.N., Tavana P., Gyrdymov M., Skobliakov A., Kantsyrev A., Zähter S., Borisenko N.G., Pukhov A., Andreev N.E. // Nature Commun. 2022. V. 13. № 131. P. 1. https://www.doi.org/10.1038/s41467-021-27694-7

  21. Horn’y V., Chen S.N., Davoine X., et al. // High-flux neutron generation by laser-accelerated ions from single- and double-layer targets. Sci Rep 12, 19767 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24155-z

  22. Magill J., Schwoerer H., Ewald F., Galy J., Schenkel R., Sauerbrey R.// Appl. Phys. B. 2003. V. 77. № 4. P. 387. https://www.doi.org/10.1007/S00340-003-1306-4

  23. Tsymbalov I.N., Volkov R.V., Eremin N.V., Ivanov K.A., Nedorezov V.G., Paskhalov A.A., Polonskij A.L., Savel’ev A.B., Sobolevskij N.M., Turinge A.A. et al. // Phys. At. Nucl. 2017. V. 80. № 3. P. 397. https://www.doi.org/10.1134/S1063778817030231

  24. Malka G., Aleonard M.M., Chemin J.F., Claverie G., Harston M.R., Scheurer J.N., Tikhonchuk V., Fritzler S., Malka V., Balcou P. et al. // Phys. Rev. E. 2002. V. 66. № 6. P. 066402. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevE.66.066402

  25. Ledingham K.W.D., Spencer I., McCanny T., Singhal R.P., Santala M.I.K., Clark E., Watts I., Beg F.N., Zepf M., Krushelnick K. et al. // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84. № 5. P. 899. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.899

  26. Tsymbalov I., Gorlova D., Ivanov K., Shulyapov S., Prokudin V., Zavorotny A., Volkov R., Bychenkov V., Nedorezov V., Savel’ev A. et al. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2021. V. 63. № 2. P. 022001. https://www.doi.org/10.1088/1361-6587/abcc3c

  27. Tsymbalov I., Gorlova D., Shulyapov S., Prokudin V., Zavorotny A., Ivanov K., Volkov R., Bychenkov V., Nedorezov V., Paskhalov A. et al. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2019. V. 61. № 7. P. 075016. https://www.doi.org/10.1088/1361-6587/ab1e1d

  28. Tsymbalov I.N., Volkov R.V., Eremin N.V., Ivanov K.A., Nedorezov V.G., Paskhalov A.A., Polonskij A.L., Savel’ev A.B., Sobolevskij N.M., Turinge A.A. et al. // Phys. At. Nucl. 2017. V. 80. № 3. P. 397. https://www.doi.org/10.1134/S1063778817030231

  29. Gorlova D., Tsymbalov I., Ivanov K., Zavorotnyi A., Nedorezov V., Savel’ev A. // Proc. SPIE 2021. V. 11779. https://doi.org/10.1117/12.2589123

  30. Agostinelli S., Allison J., Amako K., Apostolakis J., Araujo H., Arce P., Asai M., Axen D., Banerjee S., Barrand G. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2003. V. 506. № 3. P. 250. https://doi.org/10.1016/S0168-9002(03)01368-8

  31. Chadwick M.B., Herman M., Obložinský P., Dunn M.E., Danon Y., Kahler A.C., Smith D.L., Pritychenko B., Arbanas G., Arcilla R. et al. // Nucl. Data Sheets. 2011. V. 112. № 12. P. 2887. https://www.doi.org/10.1016/J.NDS.2011.11.002

  32. Kutsenko B. New Geant4 photonuclear cross-section model. https://cds.cern.ch/record/2778865/.

  33. Otuka N., Dupont E., Semkova V., Pritychenko B., Blokhin A.I., Aikawa M., Babykina S., Bossant M., Chen G., Dunaeva S. et al. // Nucl. Data Sheets. 2014. V. 120. P. 272. https://www.doi.org/10.1016/J.NDS.2014.07.065

  34. Kawano T., Cho Y.S., Dimitriou P., Filipescu D., Iwamoto N., Plujko V., Tao X., Utsunomiya H., Varlamov V., Xu R. et al. // Nucl. Data Sheets. 2020. V. 163. P. 109. https://www.doi.org/10.1016/J.NDS.2019.12.002

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал