Órákon át működött a lézeres neutronkeltés az ELI ALPS lézeres kutatóközpontban

A szegedi ELI ALPS lézeres kutatóközpontban órákon át keltett neutronsugár 2023 júniusában orvosbiológiai alkalmazást is kiszolgált — közölte a Szegedi Tudományegyetem (SZTE) közkapcsolati igazgatósága.

A Scientific Reports című folyóiratban megjelenésre váró tanulmányban a szerzők az ELI ALPS SYLOS Experiment Alignment ultrarövid impulzusú lézerén 2022 nyarán végrehajtott kísérletsorozat eredményeit foglalták össze. A közlemény idézi Osvay Károlyt, aki elmondta, hogy 2022-ben megtalálták a technikáját annak, hogy másodpercenként egy-egy lézerimpulzust folyamatosan lőjenek egy maguk fejlesztette céltárgyrendszerre, és ebből impulzusonként 1200-1500 neutront tartalmazó nyalábot hozzanak létre. A 2023-ban befejezett új céltárgyrendszer-fejlesztés segítségével pedig idén júniusban napi 6-8 órán át tudtak másodpercenként tíz lézerimpulzussal lőni. Ezzel a neutronok lövésenkénti számát egy nagyságrenddel sikerült növelni, vagyis százszorosára emelkedett a nagy energiájú neutronok száma a nyalábban. Ez a neutronsugár már alkalmas volt arra is, hogy az ELI ALPS orvosbiológiai kutatócsoportja biológiai mintákon végezzen kísérletet vele.

Osvay kutatócsoportja a neutrongenerálási kísérletek során időben nagyon rövid, és nagy csúcsintenzitású impulzusokat fókuszál egy elsődleges céltárgyra. A lézer plazmát kelt a céltárgy felületén, e plazmából a lézerimpulzus elektromágneses tere kigyorsítja az elektronokat, amelyek osztott töltésmezőt hoznak létre, és maguk után gyorsítják a céltárgyból származó deutériumionokat. Ezek az egyszeres nehéz hidrogénionok belecsapódnak a másodlagos céltárgyba, amelyben deutérium atomokkal találkoznak, és közöttük magfúzió következik be, ennek során pedig úgynevezett gyors neutronok (2,5 MeV energiájú részecskék) lépnek ki.

„A legelső neutronkeltési kísérletet a livermore-i NIF-ben végezték, amely ma már fúziós lézerként üzemel. A mi 20 millijoule-nyi energiánkhoz képest százezerszer nagyobb, több kilojoule-os energiájú lézerimpulzusokat bocsátottak a céltárgyra az ionok gyorsításához. Emiatt a további kutatások is azt az utat követték, hogy nagy lézereket kell használni a neutronkeltéshez, mert azzal működik a dolog. Mi pedig gondoltunk egyet, és megnéztük, hogy egy másik paradigmával, +kis+ lézerekkel megy-e, és ha igen, mennyire. Az eredményünk azt igazolja, hogy energiában tízezerszer kisebb impulzusokkal is lehet neutronokat kelteni” – magyarázta Osvay.

A beszámoló szerint a neutronkeltési folyamat technikailag egyik legnagyobb kihívása a deutériumion gyorsításához használt elsődleges céltárgy fejlesztése volt. Ahol ugyanis az érkező lézerimpulzus plazmát keltett a céltárgynak használt 200 nanométer vastagságú fólián, ott az anyag kilyukadt, és mire a következő impulzus odaért, valahogyan fel kellett újítani. Céltárgyként tavaly egy programozható forgótárcsát használtak, amely az új lézerimpulzusra tovább léptette a fóliát. Ezzel sikerült proof of principle, vagyis alapelvi módon igazolni a kis energiájú lézerrel való folyamatos neutronkeltést. 2023 nyarán pedig egy 200 nanométer vastagságú folyadékhártyára másodpercenként 10 impulzust lőttek, és ezzel jelentősen megnövelték a neutronszámot.

A jelenleg végzett kísérletek közeli célként az orvosi, anyagtudományi és ipari alkalmazásokhoz szükséges másodpercenkénti 108-1010 számú neutron elérését tűzték ki. Osvay kutatócsoportja az év végén 1 kilohertzes ismétlési frekvenciájú (másodpercenként 1000 impulzus) lézeren fog kísérletet végezni az ELI ALPS-ban, amivel karnyújtásnyira kerülhet ahhoz, hogy alkalmazásokban lehessen használni a kis energiájú lézeren keltett neutronnyalábot.