激光加速离子从单层与双层靶产生高通量中子

当代超强短脉冲激光系统为产生高通量中子束提供了极为紧凑的装置,例如致密物质无损探测、聚变装置中子诱导损伤研究或实验室天体物理研究所需的中子束。本文通过耦合粒子-in-胞与蒙特卡洛数值模拟,考察了利用 1-PW、20-fs 量级激光系统优化离子诱导核反应中子源的可能策略。为改善离子加速,被激光辐照的靶选为超薄固体箔,可单独放置,也可在其前置一近临界密度等离子体层以增强激光聚焦。我们比较了这些单层与双层靶的性能,并确定了它们在加速离子能量与角谱方面的最优参数。随后将这些离子送入转换器,通过在铍与铅核上的核反应产生中子。总体而言,我们确定了若干构型,可在 ~1 cm 厚转换器中产生高达 $\sim 10^{10}\,\rm n\,sr^{-1}$ 的中子产额,或在 $\lesssim 100$-$\mu$m 厚转换器背面获得 above $10^{23}\,\rm n\,cm^{-2}\,s^{-1}$ 的瞬时中子通量。考虑每分钟一次激光发射的实际重复频率,相应的时间平均中子产额预计可达($\gtrsim 10^7\,\rm n \,sr^{-1}\,s^{-1}$)远高于当前实验纪录的值,且即便仅以薄箔作为初级靶亦可实现。使用双层靶可进一步将时间平均产额提升至 above $10^8\,\rm sr^{-1}\,s^{-1}$。