北京大学应用物理与技术研究中心乔宾课题组与合作者提出激光驱动的新型短脉冲中子源方案

  中子不带电荷但具有磁矩和自旋，和物质相互作用过程中能够表现出不同于X射线、电子、离子等其他微观粒子的独特穿透性和探测能力。中子散射、中子衍射、中子照相等方法与技术已被广泛应用于医学、材料科学、核物理、工程和安全等领域，成为科学研究和工业应用中不可或缺的超微探针。目前，中子科学的研究及应用主要依赖传统的反应堆中子源和散裂中子源，这类大型装置造价高昂，资源紧张，并且中子束流通量受到堆芯散热和存储环容量的限制已达到峰值，客观上限制了中子科学发展及应用的普及。寻找低成本、小型化、高流强的新型中子源方案成为科研人员追求的目标。超短超强激光驱动产生粒子束及中子束作为近年来兴起的新型加速技术，受到广泛关注和研究，为紧凑型中子源发展指明了方向。

  最近，北京大学物理学院重离子物理研究所乔宾教授课题组与中国工程物理研究院激光聚变研究中心等离子体物理重点实验室合作，提出一种利用皮秒强激光驱动无碰撞激波加速氘离子轰击次级靶获得高通量中子源的新方案（如图），并在星光-Ⅲ激光装置上进行了原理性实验验证。2023年7月12日，相关研究成果以“基于激光驱动无碰撞激波加速的高通量中子源”（High-Flux Neutron Generator Based on Laser-Driven Collisionless Shock Acceleration）为题，在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

  激光在近临界密度等离子体中能驱动无碰撞静电激波，激波波前拥有很强的纵向电场，能够在传播过程中连续反射并加速等离子体背景中的离子到高能量，并且不受荷质比的影响。与传统的靶背鞘场加速相比，无碰撞激波加速不仅在加速氘离子方面具有巨大优势，而且能够大幅增加高能氘离子的数量，通过与中子转换靶的核反应产生高通量的中子束流。

图1. 双靶烧蚀构型的皮秒激光驱动激波加速方案示意图

  基于上述设想，研究者创新性的设计了新颖的双靶烧蚀构型，利用纳秒激光及皮秒预脉冲烧蚀形成适合激波产生的近临界密度等离子体，皮秒主脉冲驱动产生无碰撞激波并加速氘离子。基于星光-Ⅲ激光装置开展的原理性验证实验结果表明，在激光强度为1019 W/cm2的皮秒激光条件下，实验上观察到加速出氘能谱中存在2到6 MeV平台，这是激波加速的典型特征，同时测量到了通过氟化锂中子转换靶后的前向中子产率为6.6*107 n/sr(中子数/立体弧度)，比靶背鞘场加速方案中获得的中子通量高一个数量级。进一步的自洽混合模拟估计，在相同的激光能量下，当激光强度提高到1021 W/cm2时，该方案可以获得前向产率为5*1010 n/s的高通量中子源，比国际同类激光条件下的实验记录高出一个数量级。该工作为激光驱动的紧凑型中子源领域提供了一种全新的方案，也为紧凑型中子源在不同科学领域的重要应用铺平了道路。

图2.（a）实验中得到的有无烧蚀情形下的中子产率对比。（b）前向中子产额随激光强度的变化的数值模拟结果

  北京大学物理学院2018级博士生姚屹林、中国工程物理研究院激光聚变研究中心等离子体物理重点实验室助理研究员贺书凯和北京大学物理学院2017级博士生雷柱为共同第一作者。乔宾教授与中国工程物理研究院激光聚变研究中心周维民研究员为共同通讯作者。

  该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委重点基金、杰出青年基金、中国科学院战略重点研究计划、挑战计划、北京大学核物理与核技术国家重点实验室、中国工程物理研究院激光聚变研究中心等离子体物理重点实验室以及广州国家超级计算中心的大力支持。

  论文原文链接 ：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.025101