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

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

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.

Об авторах

Д. А. Горлова

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
Физический факультет; Институт ядерных исследований РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: gorlova.da14@physics.msu.ru
Россия, 119991, Москва; Россия, 117312, Москва

А. Ю. Заворотный

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
Физический факультет; Институт ядерных исследований РАН

Email: gorlova.da14@physics.msu.ru
Россия, 119991, Москва; Россия, 117312, Москва

И. Н. Цымбалов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
Физический факультет; Институт ядерных исследований РАН

Email: gorlova.da14@physics.msu.ru
Россия, 119991, Москва; Россия, 117312, Москва

К. А. Иванов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
Физический факультет; Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Email: gorlova.da14@physics.msu.ru
Россия, 119991, Москва; Россия, 119991, Москва

С. А. Шуляпов

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
Физический факультет; Акустический институт им. Н.Н. Андреева РАН

Email: gorlova.da14@physics.msu.ru
Россия, 119991, Москва; Россия, 117292, Москва

Р. В. Волков

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
Физический факультет

Email: gorlova.da14@physics.msu.ru
Россия, 119991, Москва

А. Б. Савельев

Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова,
Физический факультет; Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

Email: gorlova.da14@physics.msu.ru
Россия, 119991, Москва; Россия, 119991, Москва

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 файлы


© Д.А. Горлова, А.Ю. Заворотный, И.Н. Цымбалов, К.А. Иванов, С.А. Шуляпов, Р.В. Волков, А.Б. Савельев, 2023