激光-瓦斯场驱动的光子核与激光驱动 DD 融合中子源用于快速中子捕获：从头到尾的仿真研究
等离子体物理
2026-05-20 v1
摘要
激光驱动的中子源提供超短脉冲持续时间和极端峰值通量，超出传统设施的能力，使其能够实现新颖的时间-of-flight（TOF）光谱学和核天体物理测量。我们present了第一项完整的从头到尾仿真比较，评估了 deuterium-deuterium（DD）批量融合和激光-瓦斯场加速驱动的光子核中子源，这些源针对 r-process 的快速中子捕获进行了评估。仿真链路耦合了激光-等离子体相互作用的粒子-in-cell建模、Geant4 蒙特卡罗中子输运（包括屏蔽和背景特征）以及用于 Au197 和 Rh103 上多中子捕获的 NON-SMOKER 事件发生器。我们从 1J 太赫兹到 250J 匹赫级系统推导了中子产量、脉冲持续时间和峰值通量的比例定律，包括针对短脉冲 regime 下体积离子加热通过等离子体膨胀时间尺度支配产量的 DD 批量融合比例定律。在现实的实验条件下，DD 融合产生脉冲小于 20ps 的准单能 2.45MeV 中子，100 微米源尺寸，峰值通量超过 10^22 cm^(-2) s^(-1)，适用于高分辨率 TOF 光谱学。LWFA 源产生更宽的谱线，脉冲大于 50ps，但高重复频率（最高可达 100 Hz）为短寿命同位素的累积捕获事件提供了 36 倍的优势。我们得出结论，这些源是互补的：DD 融合最大化单次峰值亮度，而 LWFA 提供高吞吐量的积累，用于系统性研究。这些结果为首次直接激光驱动的快速中子捕获实验的设计确立了准则，设施包括 PHELIX、ELI-NP 和如 UT3 这样的 TW 级系统。
引用
@article{arxiv.2605.18968,
title = {Laser-Wakefield-Driven Photonuclear and Laser-Driven DD Fusion Neutron Sources for Fast Neutron Capture: A Start-to-End Simulation Study},
author = {Ou Z. Labun and D. D. Phan and L. Labun and M. L. Klebonas and Calin Hojbota and Philip Franke and Sam Yoffe and Rahul Kumar and B. M. Hegelich},
journal= {arXiv preprint arXiv:2605.18968},
year = {2026}
}
备注
53 pages, 14 figures