Neutron detection technology is a powerful method for characterizing fundamental and industrial materials, such as magnetic materials, nanomaterials, polymers, and biological substances. A compact pulsed neutron source is desired, as the traditional way of producing high-yield neutrons depends mainly on large-scale accelerators or fission reactors. Here, we propose a scheme to generate a high-yield pulsed neutron source by using a 100 fs relativistic laser pulse interacting with a micro-structure assisted pitcher–catcher target. Three-dimensional particle-in-cell and Monte Carlo hybrid simulations demonstrate that an energetic deuterium ion beam with a cutoff energy of 75 MeV and a 7.23 laser-to-deuterium energy conversion efficiency can be obtained with a laser pulse of intensity W cm−2, duration 330 fs, power 34 TW and energy 6.7 J. When they strike the following lithium fluoride converter of thickness 2 cm, a large number of neutrons are thus produced via a 7Li(d,n) nuclear reaction. The neutron yield is up to 109 and its pulse duration is as short as 20 ps. This scheme could be realized in laboratories with current hundreds-of-terawatt or multi-petawatt laser facilities.
中性子検出技術は、磁性材料、ナノ材料、ポリマー、生体物質などの基礎材料および工業材料を特徴付けるための強力な手法である。高収量中性子を生成する従来の方法は主に大規模加速器や核分裂炉に依存しているため、コンパクトなパルス中性子源が望まれている。本論文では、マイクロ構造を有するピッチャー・キャッチャー標的に相互作用する100フェムト秒の相対論的レーザーパルスを用いて、高収量パルス中性子源を生成するスキームを提案する。三次元粒子インセル法とモンテカルロ法のハイブリッドシミュレーションにより、強度 W cm⁻²、持続時間330フェムト秒、出力34テラワット、エネルギー6.7ジュールのレーザーパルスを用いることで、カットオフエネルギー75 MeVの高エネルギー重陽子ビームと、レーザーから重陽子への7.23のエネルギー変換効率が得られることを実証した。これらの重陽子が厚さ2 cmのフッ化リチウムコンバーターに衝突すると、⁷Li(d,n)核反応を介して多数の中性子が生成される。中性子収量は10⁹に達し、パルス持続時間は20ピコ秒と短い。本スキームは、現在の数百テラワット級または多ペタワット級のレーザー施設で実現可能である。