Neutron Source from (γ,n) Reactions at a Laser-Plasma Accelerator and Its Use for Electron Beam Characterization

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Development of compact laboratory-scale neutron sources is of importance both for fundamental physical research and practical applications (for example, neutron radiography and spectroscopy). One of the most promising approaches to the development of such a source is the implementation of laser-plasma accelerated electrons or ions, and the subsequent initiation of nuclear reactions (γ,n), (p,n) or (d,n) with the emission of neutrons. In the present work, a neutron source produced via photodisintegration reactions (γ,n) using an electron beam from a one TW laser-plasma accelerator has been created and characterized. Maximum observed neutron flux was ~105 neutrons/s · srad with a ~106 neutrons per J of laser radiation efficiency. With constant efficiency and 10 times increase in the laser pulse energy the neutron flux will be sufficient for certain applications. Numerical Monte-Carlo simulations of neutron generation by an electron beam with parameters corresponding to those measured experimentally were also carried out. It was demonstrated that the number of generated neutrons can be used to estimate the charge and average energy of accelerated electrons. The obtained values are in good agreement with the values measured by the standard beam diagnostic tools.

About the authors

D. A. Gorlova

Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University; Institute for Nuclear Research of Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: gorlova.da14@physics.msu.ru
Russia, 119991, Moscow; Russia, 117312, Moscow

A. Yu. Zavorotny

Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University; Institute for Nuclear Research of Russian Academy of Sciences

Email: gorlova.da14@physics.msu.ru
Russia, 119991, Moscow; Russia, 117312, Moscow

I. N. Tsymbalov

Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University; Institute for Nuclear Research of Russian Academy of Sciences

Email: gorlova.da14@physics.msu.ru
Russia, 119991, Moscow; Russia, 117312, Moscow

K. A. Ivanov

Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University; Lebedev Physical Institute of Russian Academy of Sciences

Email: gorlova.da14@physics.msu.ru
Russia, 119991, Moscow; Russia, 119991, Moscow

S. A. Shulyapov

Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University; N.N. Andreyev Acoustics Institute of Russian Academy of Sciences

Email: gorlova.da14@physics.msu.ru
Russia, 119991, Moscow; Russia, 117292, Moscow

R. V. Volkov

Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University

Email: gorlova.da14@physics.msu.ru
Russia, 119991, Moscow

A. B. Savel’ev

Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University; Lebedev Physical Institute of Russian Academy of Sciences

Email: gorlova.da14@physics.msu.ru
Russia, 119991, Moscow; Russia, 119991, Moscow

References

  1. Gales S., Tanaka K.A., Balabanski D.L., Negoita F., Stutman D., Tesileanu O., Ur C.A., Ursescu D., Andrei I., Ataman S. et al. // Reports Prog. Phys. 2018. V. 81. № 9. P. 094301. https://www.doi.org/10.1088/1361-6633/AACFE8
  2. Umstadter D. // J. Phys. D. Appl. Phys. 2003. V. 36. № 8. P. R151. https://www.doi.org/10.1088/0022-3727/36/8/202
  3. Alejo A., Ahmed H., Green A., Mirfayzi S.R., Borghesi M., Kar S. // Nuovo Cim. della Soc. Ital. di Fis. C. 2015. V. 38. № 6. P. 1. https://www.doi.org/10.1393/ncc/i2015-15188-8
  4. Nedorezov V.G., Rykovanov S.G., Savel’ev A.B. // Uspekhi Fiz. Nauk. 2021. T. 191. C. 1281. https://www.doi.org/10.3367/ufnr.2021.03.038960
  5. Filges D., Goldenbaum F. // Handbook of Spallation Research. Germany, Wiley, Weinheim, 2009.
  6. Altieri S., Protti N. // Ther. Radiol. Oncol. 2018. V. 2. P. 47. https://www.doi.org/10.21037/TRO.2018.10.08
  7. Ковальчук М.В., Воронин В.В., Гаврилов С.В., Гартвик А.В., Дьячков М.В., Ипатов Д.А., Матвеев В.А., Тарнавич В.В., Ульянов В.А. // Кристаллография. 2022. Т. 67. № 5. С. 785. https://www.doi.org/10.31857/S0023476122050095
  8. Anderson I.S., Andreani C., Carpenter J.M., Festa G., Gorini G., Loong C.K., Senesi R. // Phys. Rep. 2016. V. 654. P. 1. https://www.doi.org/10.1016/J.PHYSREP.2016.07.007
  9. Ikeda Y., Taketani A., Takamura M., Sunaga H., Kumagai M., Oba Y., Otake Y., Suzuki H. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2016. V. 833. P. 61. https://www.doi.org/10.1016/J.NIMA.2016.06.127
  10. Alvarez J., Fernández-Tobias J., Mima K., Nakai S., Kar S., Kato Y., Perlado J.M. // Phys. Procedia. C. 2014. V. 60. P. 29. https://www.doi.org/10.1016/j.phpro.2014.11.006
  11. Kleinschmidt A., Bagnoud V., Deppert O., Favalli A., Frydrych S., Hornung J., Jahn D., Schaumann G., Tebartz A., Wagner F. et al. // Phys. Plasmas. 2018. V. 25. № 5. P. 053101. https://www.doi.org/10.1063/1.5006613
  12. Ivanov K.A., Shulyapov S.A., Gorlova D.A., Mordvintsev I.M., Tsymbalov I.N., Savel’ev A.B. // Quantum Electron. 2021. V. 51. № 9. P. 768. https://www.doi.org/10.1070/QEL17604/XML
  13. Feng J., Fu C., Li Y., Zhang X., Wang J., Li D., Zhu C., Tan J., Mirzaie M., Zhang Z. et al. // High Energy Density Phys. 2020. V. 36. P. 100753. https://www.doi.org/10.1016/j.hedp.2020.100753
  14. Arikawa Y., Utsugi M., Alessio M., Nagai T., Abe Y., Kojima S., Sakata S., Inoue H., Fujioka S., Zhang Z. et al. // Plasma Fusion Res. 2015. V. 10. Iss. 1. P. 2404003. https://www.doi.org/10.1585/pfr.10.2404003
  15. Phillips T.W., Cable M.D., Cowan T.E., Hatchett S.P., Henry E.A., Key M.H., Perry M.D., Sangster T.C., Stoyer M.A. // Rev. Sci. Instrum. 1999. V. 70. № 1. P. 1213. https://www.doi.org/10.1063/1.1149337
  16. Mirfayzi S.R., Yogo A., Lan Z., Ishimoto T., Iwamoto A., Nagata M., Nakai M., Arikawa Y., Abe Y., Golovin D. et al. // Sci. Rep. 2020. V. 10. № 1. P. 20157. https://www.doi.org/10.1038/s41598-020-77086-y
  17. Mirfayzi S.R., Ahmed H., Doria D., Alejo A., Ansell S., Clarke R.J., Gonzalez-Izquierdo B., Hadjisolomou P., Heathcote R., Hodge T. et al. // Appl. Phys. Lett. 2020. V. 116. № 17. P. 174102. https://www.doi.org/10.1063/5.0003170
  18. Jung D., Falk K., Guler N., Deppert O., Devlin M., Favalli A., Fernandez J.C., Gautier D.C., Geissel M., Haight R. et al. // Phys. Plasmas. 2013. V. 20. № 5. P. 056706. https://www.doi.org/10.1063/1.4804640
  19. Higginson D.P., McNaney J.M., Swift D.C., Bartal T., Hey D.S., Kodama R., Le Pape S., MacKinnon A., Mariscal D., Nakamura H. et al. // Phys. Plasmas. 2010. V. 17. № 10. P. 100701. https://www.doi.org/10.1063/1.3484218
  20. Günther M.M., Rosmej O.N., Tavana P., Gyrdymov M., Skobliakov A., Kantsyrev A., Zähter S., Borisenko N.G., Pukhov A., Andreev N.E. // Nature Commun. 2022. V. 13. № 131. P. 1. https://www.doi.org/10.1038/s41467-021-27694-7
  21. Horn’y V., Chen S.N., Davoine X., et al. // High-flux neutron generation by laser-accelerated ions from single- and double-layer targets. Sci Rep 12, 19767 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-24155-z
  22. Magill J., Schwoerer H., Ewald F., Galy J., Schenkel R., Sauerbrey R.// Appl. Phys. B. 2003. V. 77. № 4. P. 387. https://www.doi.org/10.1007/S00340-003-1306-4
  23. Tsymbalov I.N., Volkov R.V., Eremin N.V., Ivanov K.A., Nedorezov V.G., Paskhalov A.A., Polonskij A.L., Savel’ev A.B., Sobolevskij N.M., Turinge A.A. et al. // Phys. At. Nucl. 2017. V. 80. № 3. P. 397. https://www.doi.org/10.1134/S1063778817030231
  24. Malka G., Aleonard M.M., Chemin J.F., Claverie G., Harston M.R., Scheurer J.N., Tikhonchuk V., Fritzler S., Malka V., Balcou P. et al. // Phys. Rev. E. 2002. V. 66. № 6. P. 066402. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevE.66.066402
  25. Ledingham K.W.D., Spencer I., McCanny T., Singhal R.P., Santala M.I.K., Clark E., Watts I., Beg F.N., Zepf M., Krushelnick K. et al. // Phys. Rev. Lett. 2000. V. 84. № 5. P. 899. https://www.doi.org/10.1103/PhysRevLett.84.899
  26. Tsymbalov I., Gorlova D., Ivanov K., Shulyapov S., Prokudin V., Zavorotny A., Volkov R., Bychenkov V., Nedorezov V., Savel’ev A. et al. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2021. V. 63. № 2. P. 022001. https://www.doi.org/10.1088/1361-6587/abcc3c
  27. Tsymbalov I., Gorlova D., Shulyapov S., Prokudin V., Zavorotny A., Ivanov K., Volkov R., Bychenkov V., Nedorezov V., Paskhalov A. et al. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2019. V. 61. № 7. P. 075016. https://www.doi.org/10.1088/1361-6587/ab1e1d
  28. Tsymbalov I.N., Volkov R.V., Eremin N.V., Ivanov K.A., Nedorezov V.G., Paskhalov A.A., Polonskij A.L., Savel’ev A.B., Sobolevskij N.M., Turinge A.A. et al. // Phys. At. Nucl. 2017. V. 80. № 3. P. 397. https://www.doi.org/10.1134/S1063778817030231
  29. Gorlova D., Tsymbalov I., Ivanov K., Zavorotnyi A., Nedorezov V., Savel’ev A. // Proc. SPIE 2021. V. 11779. https://doi.org/10.1117/12.2589123
  30. Agostinelli S., Allison J., Amako K., Apostolakis J., Araujo H., Arce P., Asai M., Axen D., Banerjee S., Barrand G. et al. // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 2003. V. 506. № 3. P. 250. https://doi.org/10.1016/S0168-9002(03)01368-8
  31. Chadwick M.B., Herman M., Obložinský P., Dunn M.E., Danon Y., Kahler A.C., Smith D.L., Pritychenko B., Arbanas G., Arcilla R. et al. // Nucl. Data Sheets. 2011. V. 112. № 12. P. 2887. https://www.doi.org/10.1016/J.NDS.2011.11.002
  32. Kutsenko B. New Geant4 photonuclear cross-section model. https://cds.cern.ch/record/2778865/.
  33. Otuka N., Dupont E., Semkova V., Pritychenko B., Blokhin A.I., Aikawa M., Babykina S., Bossant M., Chen G., Dunaeva S. et al. // Nucl. Data Sheets. 2014. V. 120. P. 272. https://www.doi.org/10.1016/J.NDS.2014.07.065
  34. Kawano T., Cho Y.S., Dimitriou P., Filipescu D., Iwamoto N., Plujko V., Tao X., Utsunomiya H., Varlamov V., Xu R. et al. // Nucl. Data Sheets. 2020. V. 163. P. 109. https://www.doi.org/10.1016/J.NDS.2019.12.002

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (76KB)
Indexing metadata
3.

Download (172KB)
Indexing metadata
4.

Download (251KB)
Indexing metadata
5.

Download (257KB)
Indexing metadata
6.

Download (117KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Д.А. Горлова, А.Ю. Заворотный, И.Н. Цымбалов, К.А. Иванов, С.А. Шуляпов, Р.В. Волков, А.Б. Савельев

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».