Нейтроны — особые субатомные частицы без электрического заряда — на сегодняшний день широко применяются как в академических исследованиях, так и в практике, например, при поиске новых месторождений полезных ископаемых. Одним из распространенных методов генерации высокоинтенсивных пучков протонов является воздействие мощного лазерного излучения на определенные изотопы водорода. В ходе данной реакции атомы указанных изотопов ионизируются, вступают в столкновение и сливаются посредством ядерного синтеза, сопровождаемого выбросом нейтронов. Тем не менее данный подход обладает рядом недостатков: подобные источники характеризуются значительными габаритами, высоким энергопотреблением и необходимостью использования дорогостоящих изотопных материалов. В связи с этим группа ученых из нескольких китайских научно-исследовательских институтов разработала инновационный метод получения нейтронов.

В этом новом способе также используются лазеры, но по всем основным показателям он превосходит все другие имеющиеся способы минимум в 100 раз. Новый способ заключается в нагреве лучом лазерного света капсулы с дейтерием, ядра которого сливаются, высвобождая нейтроны.

Внутри капсулы протекает так называемая реакция инерциального управляемого термоядерного синтеза (inertial confinement fusion), которая отличается “необузданным нравом”, моментально затухая или переходя в неуправляемый вид при любых отклонениях параметров.

Китайские исследователи решили проблему нестабильности при помощи того, что получило название “сходящегося сферического плазменного синтеза”. Для реализации такого принципа стабилизации исследователи использовали капсулу сферической формы, покрытую слоем золота. Внутри этой капсулы находится слой из материала, напоминающего пенопласт, поры которого заполнены дейтерием. Лучи лазерного света “запускаются” внутрь капсулы сквозь сетку крошечных отверстий во внешнем золотом покрытии.

Проникающие внутрь капсулы лучи лазерного света провоцируют реакцию ядерного синтеза, в результате чего получаются нейтроны, беспрепятственно выходящие наружу через стенки капсулы и слой золотого покрытия. Китайские исследователи, испытывая новую технологию, использовали серию импульсов лазерного света, в каждом из которых заключалось по 6.3 килоджоуля энергии. Согласно проведенным измерениям, каждый из импульсов “порождал” около 1 миллиарда нейтронов, что приблизительно в 100 раз больше, чем можно получить другими способами при сопоставимых энергетических затратах.

Исследователи полагают, что если наполнить капсулу-мишень смесью дейтерия и трития в определенных пропорциях, то можно добиться увеличения количества нейтронов на выходе еще в тысячу раз. Кроме этого, метод сходящегося сферического плазменного синтеза, при определенной модификации, позволит получать не только нейтроны, но и потоки субатомных частиц других типов.

Оригинал работы: G. Ren et al. Neutron Generation by Laser-Driven Spherically Convergent Plasma Fusion, Physical Review Letters.

Для любознательных

В России и мире исследования технологии получения пучков нейтронов с помощью лазерного излучения ведутся в нескольких ведущих научных центрах.

В мире:

1. Европейская лаборатория GSI (Германия) — здесь проводятся интенсивные исследования с использованием лазера PHELIX (Petawatt High-Energy Laser for Heavy Ion Experiments). Этот лазер способен генерировать мощные пучки нейтронов и гамма-излучения для различных научных целей.
2. Национальный институт ядерной физики (Италия) — участвует в разработке и применении лазерных технологий для получения нейтронов.
3. Ливерморская национальная лаборатория (США) — активно работает над созданием и оптимизацией лазерных систем для получения нейтронов, применяемых в исследованиях и разработках новых материалов.

В России:

1. Московский физико-технический институт (МФТИ) — совместно с ОИВТ РАН и ФИ РАН участвует в разработке новых подходов к получению сверхинтенсивных источников нейтронов и гамма-излучения.
2. Объединённый институт высоких температур РАН (ОИВТ РАН) — проводит исследования и разработки в области лазерной плазмы и получения нейтронов.
3. Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН — здесь созданы уникальные мишени из пены, используемые в экспериментах по получению нейтронов с помощью лазерного излучения.
4. Институт ядерной физики СО РАН (Новосибирск) — активно участвует в исследованиях и разработках лазерных технологий для получения нейтронов.

Применение исследований:

• Астрофизика: моделирование процессов, происходящих в звёздах и космосе.
• Материаловедение: изучение структуры и свойств материалов на атомном уровне.
• Медицина: разработка новых методов диагностики и лечения.
• Биофизика: исследование биологических макромолекул и их взаимодействий.
• Ядерные исследования: изучение ядерных реакций и разработка новых источников энергии.

Эти исследования открывают новые возможности для науки и техники, позволяя проводить уникальные эксперименты и получать ценные данные для различных областей знаний.

Применение в материаловедении

Исследования и разработки в области получения пучков нейтронов с помощью лазерного излучения имеют огромное значение для материаловедения. Применение этих технологий открывает новые горизонты в изучении структуры и свойств материалов. Вот основные направления их использования:

1. Изучение микродефектов и неоднородностей:
   • Нейтроны способны проникать глубоко в материалы, что позволяет выявлять микродефекты и неоднородности, которые сложно обнаружить с помощью рентгеновских лучей.
2. Анализ легких элементов:
   • Нейтронное излучение эффективно для анализа распределения легких элементов, таких как водород и кислород, в различных материалах. Это особенно важно для исследования полимерных материалов и композитов.
3. Исследование фазовых переходов:
   • Изучение изменений в кристаллической структуре материалов при различных температурах и условиях с использованием нейтронов помогает понять фазовые переходы и улучшить свойства материалов.
4. Разработка новых материалов:
   • С помощью нейтронных исследований можно оптимизировать состав и структуру материалов для достижения заданных свойств, таких как повышенная прочность, устойчивость к коррозии и температурным воздействиям.
5. Исследование диффузионных процессов:
   • Нейтроны используются для изучения диффузии атомов и молекул в твердых телах, что важно для разработки новых сплавов и покрытий.
6. Контроль качества материалов:
   • Применение нейтронного излучения позволяет проводить неразрушающий контроль качества материалов, выявлять внутренние дефекты и оценивать долговечность конструкций.
7. Моделирование и симуляция:
   • Полученные данные о структуре и свойствах материалов помогают создавать более точные компьютерные модели и симуляции, что ускоряет процесс разработки и тестирования новых материалов.
8. Исследование радиационной стойкости:
   • Изучение поведения материалов под воздействием радиации помогает разрабатывать более устойчивые к радиационным воздействиям материалы для использования в ядерной энергетике и космической технике.

Эти применения делают нейтронные исследования незаменимыми для современной материаловедческой науки, способствуя развитию новых технологий и улучшению существующих материалов.