Neutron Source from (γ, n ) Reactions at a Laser-Plasma Accelerator and Its Use for Electron Beam Characterization

D. A. Gorlova; Горлова Д. А.; A. Yu. Zavorotny; Заворотный А. Ю.; I. N. Tsymbalov; Цымбалов И. Н.; K. A. Ivanov; Иванов К. А.; S. A. Shulyapov; Шуляпов С. А.; R. V. Volkov; Волков Р. В.; A. B. Savel’ev; Савельев А. Б.

doi:10.31857/S1028096023080083

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

Авторы: Горлова Д.А.¹^,2, Заворотный А.Ю.¹^,2, Цымбалов И.Н.¹^,2, Иванов К.А.¹^,3, Шуляпов С.А.¹^,4, Волков Р.В.¹, Савельев А.Б.¹^,3
Учреждения:
1. Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Физический факультет
2. Институт ядерных исследований РАН
3. Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
4. Акустический институт им. Н.Н. Андреева РАН
Выпуск: № 8 (2023)
Страницы: 22-31
Раздел: Статьи
URL: https://cijournal.ru/1028-0960/article/view/664518
DOI: https://doi.org/10.31857/S1028096023080083
EDN: https://elibrary.ru/OBZOPU
ID: 664518

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Доступ платный или 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.

Ключевые слова

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

Список литературы

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
Umstadter D. // J. Phys. D. Appl. Phys. 2003. V. 36. № 8. P. R151. https://www.doi.org/10.1088/0022-3727/36/8/202
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
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
Filges D., Goldenbaum F. // Handbook of Spallation Research. Germany, Wiley, Weinheim, 2009.
Altieri S., Protti N. // Ther. Radiol. Oncol. 2018. V. 2. P. 47. https://www.doi.org/10.21037/TRO.2018.10.08
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Kutsenko B. New Geant4 photonuclear cross-section model. https://cds.cern.ch/record/2778865/.
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
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