• Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
21.06.2022
ФизТех
1 433

Разработан новый подход к получению сверхинтенсивных источников нейтронов и гамма-излучения

4.7

Международная группа ученых, в состав которой вошли специалисты из МФТИ, ОИВТ РАН и ФИ РАН, разработала новый подход к получению сверхинтенсивных источников нейтронов и гамма-излучения. Мощный поток взаимодействует с мишенью из легчайшей полимерной пены, формируя короткоимпульсный источник десятков миллиардов нейтронов и триллионов гамма-квантов. Полученное гамма-излучение интенсивнее, чем у ускорителей частиц площадью в несколько футбольных полей. Такой источник может быть использован во многих областях исследований — от астрофизики до медицинских и биофизических приложений.

Мишенная камера и система диагностики лазерной плазмы / ©Пресс-служба МФТИ / Автор: Наталья Федосеева

Работа опубликована в журнале Nature Communications. Сверхинтенсивные фотонные и нейтронные пучки — это незаменимые инструменты для современной науки. Например, чтобы воспроизвести в лаборатории процессы, происходящие в далеком космосе, требуются потоки нейтронов, в которых через площадку в один квадратный сантиметр за секунду пролетает свыше секстиллиона (1021) частиц. Такие показатели недостижимы для существующих традиционных установок на основе ускорителей. Один из перспективных подходов, обсуждаемый в настоящее время, основан на применении сверхмощных лазеров.

Международная группа ученых разработала экспериментальную схему для генерации сверхинтенсивных гамма- и нейтронных пучков при умеренных релятивистских интенсивностях лазерного излучения с высокой надежностью и рекордными значениями потоков гамма-излучения и нейтронов. В своем эксперименте ученые использовали лазер PHELIX (Petawatt High-Energy Laser for Heavy Ion Experiments — петаваттный высокоэнергетический лазер для экспериментов с тяжелыми ионами). Его мощность (1015 Вт) примерно в тысячу раз больше, чем суммарная мощность электростанций во всем мире, правда, импульс длится всего триллионную часть секунды.

Лазерное излучение воздействует двумя последовательными импульсами: первый, «предварительный» наносекундный импульс направляется в мишень из пены триацетата целлюлозы плотностью всего два мг/см3, в которой за счет ионизации атомов вещества генерируется однородная плазма. Второй, более мощный импульс пикосекундной длительности распространяется уже в созданной первым плазме, ускоряя электроны до высоких энергий. Полученная в результате этого процесса энергия электронов достигает сотни мегаэлектронвольт, что сравнимо со значениями, получаемыми на синхротронных ускорителях электронных пучков.

Далее необходимо заставить электрон «сбросить» энергию, излучив фотон с длиной волны в десятитысячные доли нанометра (10-4 нм) — тот самый гамма-квант, ради которого все и затевалось. В этом эксперименте для торможения электронов была использована тонкая золотая пластинка. Таким образом исследователям удалось получить направленные пучки гамма-излучения, содержащие триллионы квантов. В эксперименте была достигнута рекордная эффективность преобразования (более 1,4 процентов) лазерной энергии в гамма-излучение с энергией выше 10 МэВ.

Исследовательский коллектив в экспериментальном зале лазера PHELIX в GSI (Германия, Дармштадт) / ©Пресс-служба МФТИ

Установив поодаль от основной мишени слои металлической фольги (в эксперименте использовались золото, хром тантал и индий), исследователи зарегистрировали мощное нейтронное излучение — более 60 миллиардов частиц. Нейтроны высвобождаются в ходе фотоядерной реакции при поглощении ядром металла высокоэнергетического гамма-кванта. Эффективность преобразования лазерной энергии в нейтроны составила порядка 0,05 процентов.

Кроме того, причиной ядерной реакции могут стать протоны, которые также возможно ускорить с помощью лазерного излучения. В качестве источника протонов использовалась металлическая фольга, которую располагали на задней плоскости полимерной мишени. Ускоренные в полимерной мишени под воздействием лазера электроны покидали фольгу, формируя отрицательный заряд снаружи, при этом сама фольга заряжалась положительно. Возникшее между отрицательным и положительным зарядом электростатическое поле «вытягивает» из фольги протоны.

Интерес ученых к нейтронам обусловлен тем, что они не несут электрического заряда и поэтому могут проникать глубоко в атомы вещества. «Освещение» материалов нейтронами позволяет различать положения атомов легких элементов (водорода, кислорода и других), что почти невозможно с использованием рентгеновских и гамма-лучей. По этой причине нейтроны успешно применяются при изучении белковых макромолекул, полимеров, микродефектов и микронеоднородностей в растворах и сплавах, в медицине и других областях. Астрофизики с помощью лабораторных источников нейтронного излучения могут проверить предположения о процессах, происходящих в недоступных для нас звездах.

В итоге относительно недорогая и компактная лазерная установка оказалась способна в некоторых аспектах заменить собой классический радиочастотный ускоритель электронов. Полученный импульсный источник направленного рентгеновского излучения и нейтронов может быть использован во многих областях исследований — в рентгенографических и материаловедческих, в медицинских и биофизических приложениях (включая FLASH-радиотерапию), а также ядерных исследованиях.

Пример рентгенографического изображения тестового объекта (часы) / ©Пресс-служба МФТИ

«Эти исследования являются хорошим примером важности сотрудничества как экспериментаторов с теоретиками, так и ученых из разных стран, — отмечает Николай Андреев, руководитель лаборатории лазерной плазмы ОИВТ РАН, профессор кафедры физики высоких плотностей энергии МФТИ.

— Новые, важные для развития фундаментальной и прикладной науки, рекордные результаты были получены с использованием полномасштабного численного моделирования при планировании и обработке результатов эксперимента, для чего потребовались самые современные вычислительные комплексы в России и Германии. Решающим элементом в экспериментах, которыми руководит выпускница Физтеха профессор Ольга Николаевна Розмей, являются уникальные мишени из пены, созданные в Физическом институте имени П. Н. Лебедева РАН, в лаборатории термоядерных мишеней нейтронно-физического отдела, возглавляемого Натальей Глебовной Борисенко».  

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Подписывайтесь на нас в Telegram, Яндекс.Новостях и VK
Позавчера, 11:00
НИУ ВШЭ

Северный Кавказ играл ключевую роль в древней колонизации Евразии и формировании ее культурного и генетического наследия, однако до сих пор не до конца изучена генетическая история носителей местных культур. Ученые впервые провели глубокое секвенирование древней ДНК представителей кобанской культуры, сформировавшейся в позднем бронзовом веке на Северном Кавказе, и сравнили ее с генетическими данными современных народов Кавказа. Результаты работы подтвердили роль носителей кобанской культуры как древнего генетического моста между бронзовым и железным веками на Северном Кавказе.

16 апреля
Ольга Иванова

Американские исследователи пришли к выводу: тихоходки способны повышать уровень продуктов генов репарации ДНК до такой степени, что это позволяет сделать их одними из самых распространенных в своем геноме. Среди прочего это помогает им выдерживать экстремальную радиацию.

Сегодня, 13:21
Полина Меньшова

Когда преподаватель проверяет работы студентов в том же порядке, в каком их фамилии располагаются по алфавиту, на оценку влияет положение в списке. Успеваемость тех, кто находится в начале, выше, чем тех, кто в конце. К таким выводам пришли ученые из США.

16 апреля
Ольга Иванова

Американские исследователи пришли к выводу: тихоходки способны повышать уровень продуктов генов репарации ДНК до такой степени, что это позволяет сделать их одними из самых распространенных в своем геноме. Среди прочего это помогает им выдерживать экстремальную радиацию.

Позавчера, 11:00
НИУ ВШЭ

Северный Кавказ играл ключевую роль в древней колонизации Евразии и формировании ее культурного и генетического наследия, однако до сих пор не до конца изучена генетическая история носителей местных культур. Ученые впервые провели глубокое секвенирование древней ДНК представителей кобанской культуры, сформировавшейся в позднем бронзовом веке на Северном Кавказе, и сравнили ее с генетическими данными современных народов Кавказа. Результаты работы подтвердили роль носителей кобанской культуры как древнего генетического моста между бронзовым и железным веками на Северном Кавказе.

Позавчера, 11:48
Игорь Байдов

Во время лабораторного эксперимента канадские биологи проявили неосторожность, благодаря чему узнали, что шмели куда менее уязвимы к экстремальным погодным условиям и более выносливы, чем считалось ранее.

8 апреля
Василий Парфенов

Режим работы, количество трудовых часов в неделю и экономическую стабильность профессии прочно ассоциируют с благополучием человека. Количественно и качественно определить эти взаимосвязи получается редко — нужны большие выборки респондентов и длительное время наблюдений. Автор новой научной работы использовал долговременное исследование более чем семи тысяч американцев, чтобы выявить основные эффекты паттернов трудовой деятельности на психическое и физическое здоровье работающих людей.

28 марта
Игорь Байдов

Американская компания JetZero, которая обещает произвести фурор в гражданской авиации, получила сертификат летной годности на испытания уменьшенной копии разрабатываемого ею сверхэффективного реактивного авиалайнера со «смешанным крылом». Предстоящая программа летных испытаний будет направлена на оценку летно-технических характеристик самолета, его устойчивости и управляемости.

21 марта
Дарья Г.

По спектральным данным от «Джеймса Уэбба» и результатам компьютерного моделирования атмосферы астрономы показали, что экзопланета LHS 1140 b — мир-океан. Причем по характеристикам это лучший на сегодня потенциально обитаемый мир, подходящий для пристального изучения.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Причина отклонения
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Жалоба отправлена

Мы обязательно проверим комментарий и
при необходимости примем меры.

Спасибо
Аккаунт заблокирован!

Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.

Понятно
Что-то пошло не так!

Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: