Новый подход позволит создать компактные сверхинтенсивные источники нейтронов и гамма-излучения

Международная группа ученых, в состав которой вошли специалисты из Московского физико-технического института, Объединенного института высоких температур РАН и Физического института РАН, разработала новый подход к получению сверхинтенсивных источников нейтронов и гамма-излучения. Мощный лазер (с интенсивностью излучения ~10¹⁹ Вт/см²) взаимодействует с мишенью из легчайшей полимерной пены, формируя короткоимпульсный источник десятков миллиардов нейтронов и триллионов гамма-квантов. Полученное гамма-излучение интенсивнее, чем у ускорителей частиц площадью в несколько футбольных полей. Такой источник может быть использован во многих областях исследований — от астрофизики до медицинских и биофизических приложений. Об открытии сообщает пресс-служба МФТИ.

Сверхинтенсивные фотонные и нейтронные пучки являются незаменимыми инструментами для современной науки. Например, чтобы воспроизвести в лаборатории процессы, происходящие в далеком космосе, требуются потоки нейтронов, в которых через площадку в 1 см² за секунду пролетает свыше секстиллиона (10²¹) частиц. Такие показатели недостижимы для существующих традиционных установок на основе ускорителей. Один из перспективных подходов, обсуждаемый в настоящее время, основан на применении сверхмощных лазеров.

Международная группа ученых разработала экспериментальную схему для генерации сверхинтенсивных гамма- и нейтронных пучков при умеренных релятивистских интенсивностях лазерного излучения с высокой надежностью и рекордными значениями потоков гамма-излучения и нейтронов. В  своем эксперименте ученые использовали лазер PHELIX (Petawatt High-Energy Laser for Heavy Ion Experiments — петаваттный высокоэнергетический лазер для экспериментов с тяжелыми ионами). Его мощность (1015 Вт) примерно в тысячу раз больше, чем суммарная мощность электростанций во всем мире, правда, импульс длится всего триллионную часть секунды. Лазерное излучение воздействует двумя последовательными импульсами: первый, «предварительный», наносекундный импульс направляется в мишень из пены триацетата целлюлозы плотностью всего 2 мг/см³, в которой за счет ионизации атомов вещества генерируется однородная плазма. Второй, более мощный, импульс пикосекундной длительности распространяется уже в созданной первым плазме, ускоряя электроны до высоких энергий. Полученная в результате этого процесса энергия электронов достигает сотни мегаэлектронвольт, что сравнимо со значениями, получаемыми на синхротронных ускорителях электронных пучков.  

Далее необходимо заставить электрон «сбросить» энергию, излучив фотон с длиной волны в десятитысячные доли нанометра (10^-4 нм) — тот самый гамма-квант, ради которого всё и затевалось. В данном эксперименте для торможения электронов была использована тонкая золотая пластинка. Таким образом исследователям удалось получить направленные пучки гамма-излучения, содержащие триллионы квантов. В эксперименте была достигнута рекордная эффективность преобразования (более 1,4 %) лазерной энергии в гамма-излучение с энергией выше 10 МэВ.  

Установив поодаль от основной мишени слои металлических фольг (в эксперименте использовались золото, хром тантал и индий), исследователи зарегистрировали мощное нейтронное излучение — более 60 миллиардов частиц. Нейтроны высвобождаются в ходе фотоядерной реакции при поглощении ядром металла высокоэнергетического гамма-кванта. Эффективность преобразования лазерной энергии в нейтроны составила порядка 0,05 %.  

Кроме того, причиной ядерной реакции могут стать протоны, которые также возможно ускорить с помощью лазерного излучения. В качестве источника протонов использовалась металлическая фольга, которую располагали на задней плоскости полимерной мишени. Ускоренные в полимерной мишени под воздействием лазера электроны покидали фольгу, формируя отрицательный заряд снаружи, при этом сама фольга заряжалась положительно. Возникшее между отрицательным и положительным зарядом электростатическое поле «вытягивает» из фольги протоны. 

Интерес ученых к нейтронам обусловлен тем, что они не несут электрического заряда и поэтому могут проникать глубоко в атомы вещества. «Освещение» материалов нейтронами позволяет различать положения атомов легких элементов (водорода, кислорода и других), что почти невозможно с использованием рентгеновских и гамма-лучей. По этой причине нейтроны успешно применяются при изучении белковых макромолекул, полимеров, микродефектов и микронеоднородностей в растворах и сплавах, в медицине и других областях. Астрофизики с помощью лабораторных источников нейтронного излучения могут проверить предположения о процессах, происходящих в недоступных для нас звездах. 

В итоге относительно недорогая и компактная лазерная установка оказалась способна в некоторых аспектах заменить собой классический радиочастотный ускоритель электронов. Полученный импульсный источник направленного рентгеновского излучения и нейтронов может быть использован во многих областях исследований — в рентгенографических и материаловедческих,  в медицинских и биофизических приложениях (включая FLASH-радиотерапию), а также ядерных исследованиях.

Работа опубликована в журнале Nature Communications.