Какие профессии востребованы сегодня?
Подробнее
  • Добавить в закладки
  • Facebook
  • Twitter
  • Telegram
  • VK
  • Печать
  • Email
  • Скопировать ссылку
21 июня
ФизТех
1 074

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

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
Предстоящие мероприятия
Вчера, 14:41
Мария Азарова

Эсминец, «который сражался, словно линкор» и затонул во время боя между американцами и японцами осенью 1944 года, покоится на глубине 6895 метров в Тихом океане.

24 июня
Александр Березин

Новое видео из зоны боевых действий показывает работу систем HIMARS — колесных пусковых установок реактивной артиллерии американского производства. Впрочем, по ряду причин они не смогут оказать заметное влияние на боевые действия. Несмотря на это, их применение может привести к серьезной эскалации конфликта в ином плане.

Вчера, 20:46
Мария Азарова

Авторы нового исследования решили ретроспективно измерить неравенство в отношении здоровья, сравнив смертность политиков со смертностью населения, которое они представляют.

24 июня
Александр Березин

Новое видео из зоны боевых действий показывает работу систем HIMARS — колесных пусковых установок реактивной артиллерии американского производства. Впрочем, по ряду причин они не смогут оказать заметное влияние на боевые действия. Несмотря на это, их применение может привести к серьезной эскалации конфликта в ином плане.

Вчера, 14:41
Мария Азарова

Эсминец, «который сражался, словно линкор» и затонул во время боя между американцами и японцами осенью 1944 года, покоится на глубине 6895 метров в Тихом океане.

24 июня
Сергей Васильев

Пятно AR3038 — сегодня самое крупное на Солнце — за сутки выросло еще сильнее и стало в два с половиной раза больше Земли.

24 июня
Александр Березин

Новое видео из зоны боевых действий показывает работу систем HIMARS — колесных пусковых установок реактивной артиллерии американского производства. Впрочем, по ряду причин они не смогут оказать заметное влияние на боевые действия. Несмотря на это, их применение может привести к серьезной эскалации конфликта в ином плане.

2 июня
Алиса Гаджиева

Значительная часть научного сообщества отрицает само существование культуры Ацтатлан.

28 мая
Александр Березин

Флот продемонстрировал возможность наносить неперехватываемые ракетные удары на расстоянии, делающим его опасным для авианосных групп противника.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
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: