利用激光产生世界最大中子束

位于美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory, LANL),使用短脉冲激光创造出目前世界上最大的中子束。中子束通常是用粒子加速器或者核反应来产生的,广泛应用于科学研究,特别是材料科学领域。LANL 的这一突破将带来更加先进的材料测量手段。

来自美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、德国达姆施塔特技术大学(Technical University of Darmstadt)以及美国桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratories)的研究人员,使用 TRIDENT (三叉戟)激光器,将功率高达 200 万亿瓦的高强度短脉冲激光聚焦到注入氘的超薄的塑料薄片上,从而产生出中子束。氘是氢的一种同位素。这个 TRIDENT 激光器也曾被用于创造质子束(跳转阅读)。每平方厘米的薄片上集中了大约 2x1020 瓦的光能量,相当于将地球上接收到的所有太阳光(120,000 太瓦)集中于一个铅笔尖上。此时激光与塑料薄片相互作用,产生出等离子体 —— 一种带电的气体(电离)。等离子体加速大量的氘核(氘的原子核)打到铍靶(铍材料的接收器)上,从而将氘核转换成中子束。利用等离子体的一种独特属性,相对论透明效应,可以在毫米长的距离上将氘核加速到需要的速度。使用常规加速器技术需要几米的加速距离。

等离子体物理学家汤姆·哈瑞在实验前调整 TRIDENT 激光器的目标定位和粒子束诊断

等离子体物理学家汤姆·哈瑞在实验前调整 TRIDENT 激光器的目标定位和粒子束诊断。 (Image: LANL)

根据 Los Alamos 2012 年罗森学者,德国达姆施塔特技术大学的 Markus Roth 介绍,目前只有 TRIDENT 激光器成功实现了这种新型的等离子加速机制,新纪录是比以前的纪录高 5 倍,而只需要原来激光能量的四分之一。

来自 LANL 中子科学与技术团队的 Frank Merrill 说,“中子是有着很多科学应用的独一无二的探测方式。常用于研究宇宙的基本性质、先进材料,并且在主动货柜探测、边境秘密核弹探测等方面有潜在应用价值,也可以作为融合相关中子诊断的试验台 —— 这也是该研究的原动力。

这一创纪录的中子束有着非常好的速度和能量范围,使得它为射线成像和各种高能量密度物理研究的理想手段。“放在源背后一厘米的对象,将在小于一纳秒(一秒钟的十亿分之一)时间内暴露于超过 40 中子每平方微米(百万分之一米)的中子辐射中,使它成为一个令人印象深刻的放射学应用探测器”,Merrill 表示。

该实验还第一次产生了由短脉冲激光驱动的中子照片,显示出与数值计算非常吻合的结果。利用短脉冲激光来产生中子束可能在大学和研究机构中开启中子研究的新领域。

via LANL©

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