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超快科学

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实验室工作台上的中子

30 Jan 2013
闪闪发亮

德国和美国的物理学家已经建造了一种新型的紧凑的高通量高能中子源。这种新型的基于激光的设备具有比物理学家和其他科学家目前使用的大型中子设施更便宜,更方便的潜力。发明人说,放射源可以装在大学实验室中,也可以用来识别非法核材料。

中子对于许多领域的科学家来说都是一种宝贵的工具,使他们能够探究各种材料的结构和动力学。如今,中子科学的主要缺点是必须在核反应堆或专用加速器设施中产生强中子束–使基于激光的台式光源非常有吸引力。

通量低

基于激光的源包括产生非常短的高能电磁辐射脉冲,该脉冲使小的固体靶标电离,然后将释放的电子推向靶标的背面,因此产生了非常强的电场,进而使离子加速。离子–通常是氘核,包括一个质子和一个中子–然后刺激第二个目标的核反应,产生中子。尽管进行了十年的研究,但是产生的中子通量仍然很低。这主要是因为诸如水蒸气之类的带电分子会污染目标表面并以离子为代价而被加速。

2006年,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Lin Yin和Brian Albright展示了如何解决这个问题。他们使用计算机模拟来显示强激光束可以穿透薄的固体目标。通常,固体物体是不透明的,因为其组成电子振动的频率超过入射光的频率。但是尹和奥尔布赖特(Yin and Albright)计算出,非常强的激光束应能够将等离子体中电子的速度提高到一定程度,以使它们的相对论质量显着降低电子。’频率低于红外激光的频率。

突围加力

尹和奥尔布赖特将这种效应命名为“激光突破加力” because in “breaking out”到达目标的另一端,激光束将重新激发在加速离子时失去能量的电子,从而使这些离子达到更高的能量。光束还将与整个目标相互作用,而不仅仅是与表面上的原子相互作用,这意味着将加速更多氘核,从而增加中子通量。

该方案现已由Technische大学的Markus 罗斯付诸实践。ät达姆施塔特和洛斯阿拉莫斯和桑迪亚国家实验室的同事。罗斯’的小组将来自Los Alamos TRIDENT激光器的超强脉冲和定义明确的脉冲定向到掺杂有氘原子的400 nm厚塑料靶上。这只是定位5 在由铍制成的次要靶材前面的毫米。

即使脉冲提供的能量不足先前实验所用能量的四分之一,但它们产生的中子却接近10 times as energetic – up to 150 MeV – and also nearly 10 倍数。此外,许多中子是朝正方向发射的,研究人员将其归因于一种特定的核反应,即氘核的分解。

第一次射线照相

罗斯’小组还通过在中子源和与CCD照相机相连的闪烁纤维阵列之间放置一系列钨,钢和塑料物体,使用激光驱动的中子束拍摄了第一张射线照相。

希望这将使许多大学生都能使用中子科学
Markus 罗斯, Technische Universität Darmstadt

罗斯说,尽管他的小组’该装置产生的中子比反应堆或加速器少,它将中子堆积成极短的脉冲–每个仅持续几十分之一秒。他解释说,这使其适合需要高时间分辨率的应用,例如核反应堆内部中子损伤的泵浦探针研究或监视行星芯内部条件的模拟。他声称,一旦商品化,整个设备将可以安装在实验室工作台上,并且只有目标需要屏蔽。“作为大学教授,对我而言,最酷的事情是我们用激光取代了数百米长的加速器,” he says. “希望这将使许多大学生都能使用中子科学。”

该小组现在将致力于定制设备’s energy spectrum –例如,低能中子可用于研究极端条件下的物质,而检查容器内敏感材料则需要高能。该设备可以针对此反恐应用找到其第一批客户。“我们已经与美国实验室和大学建立了网络,以开发一种可以在未来五到六年内进行商业销售的系统,” he explains.

提高重复率

美国劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的激光驱动中子专家斯科特·威尔克斯指出,非激光的中子源足够小,可放入手提箱,可以产生相当数量的中子,但他说,在以秒为单位的时间间隔内而且能量要低得多。这使得它们不太擅长对非常短暂的现象进行成像。威尔克斯补充说,下一步将是增加激光’的重复率,他预测,“将是一项不小的壮举,但是,考虑到激光技术’快速发展,不可避免”.

英国哈德斯菲尔德大学的Bob Cywinski警告说,该设备可能有其局限性。他同意这对于需要单发中子的应用(例如核材料监测或辐射破坏研究)可能是有用的,并且如果可以将其平均时间通量提高到足够高的水平,则可能适合核废料trans变。然而,Cywinski认为,平均通量将太低,无法替代常规中子散射应用中的反应堆和加速器。

该研究发表在 体检信.

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