Tesis Doctoral
Compact neutron sources for Nuclear Physics: from accelerator-based to laser-driven neutron beams
Autor/es | Millán Callado, María de los Ángeles |
Director | Fernández Martínez, Begoña
Guetrrero Sánchez, Carlos |
Departamento | Universidad de Sevilla. Departamento de Física Atómica, Molecular y Nuclear |
Fecha de publicación | 2023-12-14 |
Fecha de depósito | 2024-03-01 |
Resumen | Pulsed neutron beams are a valuable tool in nuclear physics with applications in a wide variety of fields, including fission and fusion, astrophysics, homeland security, medicine, cultural heritage, avionics, and other ... Pulsed neutron beams are a valuable tool in nuclear physics with applications in a wide variety of fields, including fission and fusion, astrophysics, homeland security, medicine, cultural heritage, avionics, and other industrial or research applications. Despite the potential use of neutron beams, the transfer of knowledge outside large research centers is limited by the huge size and complexity of conventional high-intensity neutron sources and the progressive shutdown of research reactors. Recently, the neutron beams user community is focusing its attention on developing small-scale and compact neutron sources as a complement to major facilities to fully exploit all the possibilities of these techniques. In this context, laser-driven ion sources are garnering the interest of the nuclear physics community due to the fast development of ultra-short (~fs) and ultra-high power (> 1019 W/cm2) lasers and their applications as compact particle accelerators. Laser-driven neutron sources (LDNS) are particularly attractive for nuclear physics applications based on the time-of-flight technique thanks to their short pulse length and high instantaneous flux. There are several recent works about neutron production by laser reaching fluxes per pulse competitive to those of conventional neutron sources, but there is a lack of studies in terms of their application to nuclear physics experiments. Laser-driven neutron applications will have to rely on detection systems that are commonly used in nuclear physics experiments with conventional neutron sources, and whose behavior needs first to be characterized in the environment resulting from the laser-plasma interaction and the particularities of a laser-driven source. In this context, there has been a lot of effort aimed at mitigating the impact of the harsh prompt radiation and the electromagnetic background in sensitive neutron diagnostics, mostly based on single-shot PW-class and TW-class lasers at high repetition rates. However, the typical current-mode operation of neutron detectors in LDNS experiments is not suitable to carry out neutron-induced nuclear reaction experiments, since those require the detection of single signals corresponding to the observables from the individual reactions and processes involved. In this thesis, a study on the feasibility of time-of-flight nuclear reaction measurements in the complex environment of an LDNS has been carried out at the DRACO laser facility of the Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) in Dresden, Germany, producing neutron shots at 0,02 Hz in a high-power system in stable conditions. In addition to conventional scintillators and bubble detectors operated in current/integrated mode, multi-shot neutron production made it possible to use a neutron and charged particle detector with low efficiency, i.e. diamond detector, to measure individual signals from fast neutron interactions. This itself is a milestone in the path towards nuclear physics time-of-flight experiments at LDNS and, to achieve it, a dedicated signal analysis routine had to be developed for the diamond detector. The characterization of the neutron source resulting from two different nuclear reactions, Cu(p,n) and LiF(p,n), by means of the individual signals and the time-of-flight technique, has been positively validated against Monte Carlo simulations, confirming the feasibility of measuring single fast neutron interactions at an LDNS. The results obtained at DRACO, the characteristics of the LDNS, and the performance of the detectors are compared and contextualized with the results obtained in the commissioning of a conventional accelerator-based compact neutron source: the HiSPANoS neutron source at Centro Nacional de Aceleradores (CNA) in Sevilla, Spain. In this facility, different fast neutron beams have been obtained by means of Be(d,n) and Li(d,n) reactions in thick targets, which provide white neutron beams up to 10 and 20 MeV respectively, as well as of D(d,n) reactions, covering an energy range between 2 and 6 MeV with quasi-monoenergetic neutron beams. The characterization was carried out with conventional fast organic scintillators and applying the time-of-flight technique again. Based on the results and the comparative analysis of both experiments, the neutron production per pulse at DRACO has been established to be superior. Also of high interest, the main drawbacks and issues faced at DRACO are identified, and possible solutions are proposed as a first step towards experiments on fast neutron-induced reactions at laser-driven neutron sources. Los haces de neutrones pulsados son una valiosa herramienta en física nuclear con aplicaciones en una gran variedad de campos de investigación: fisión y fusión nuclear, astrofísica, seguridad nacional, medicina, patrimonio ... Los haces de neutrones pulsados son una valiosa herramienta en física nuclear con aplicaciones en una gran variedad de campos de investigación: fisión y fusión nuclear, astrofísica, seguridad nacional, medicina, patrimonio cultural y arqueometría, industria aeroespacial y otras aplicaciones tanto en industria como en investigación. Sin embargo, y a pesar de la gran utilidad práctica que tienen estos haces, su uso se encuentra prácticamente restringido a los grandes centros de investigación. Esta limitación en la transferencia de conocimiento es debida en gran parte al enorme tamaño, la complejidad y los altos costes de construcción, mantenimiento y operación de las fuentes de alta intensidad de neutrones basadas en aceleradores y al cierre progresivo de los reactores de investigación. Actualmente, y ante esta situación, la comunidad de usuarios de haces de neutrones está centrando su atención en el desarrollo de fuentes de neutrones alternativas, compactas y de pequeño tamaño, que puedan servir como complemento a estas grandes instalaciones y permitan explotar plenamente todas las posibilidades que ofrecen los haces de neutrones. A la vez, en estas últimas décadas, ha habido un gran desarrollo en torno a los láseres de alta potencia (> 1019 W/cm2) y pulso ultracorto (~fs). Estos láseres, entre otras muchas aplicaciones, pueden ser utilizados como aceleradores de partículas compactos de muy alta intensidad que, a su vez, pueden utilizarse para producir neutrones de forma análoga a un acelerador convencional. Estas fuentes de neutrones láser (LDNS, del inglés, Laser-Driven Neutron Sources) resultan especialmente atractivas para aplicaciones de física nuclear basadas en la técnica de "tiempo de vuelo" ya que proporcionan pulsos ultracortos y un elevado flujo instantáneo. En la literatura científica puede encontrarse una gran variedad de trabajos recientes sobre la producción de neutrones por láser alcanzando flujos por pulso competitivos con los de las fuentes de neutrones convencionales. Sin embargo, hay una gran falta de estudios en cuanto a las aplicaciones de estos haces de neutrones y, en concreto, a su aplicación en experimentos de física nuclear. Las potencial explotación de estos haces de neutrones láser está asociada a la posibilidad de usar en ellos los sistemas de detección y análisis que se utilizan habitualmente en experimentos de física nuclear con fuentes de neutrones convencionales. Sin embargo, estos equipos no han sido diseñados para operar en el entorno hostil que genera la interacción láser-plasma que permite la producción de neutrones. Aunque desde la comunidad científica se han realizado muchos esfuerzos para mitigar el impacto de las duras condiciones de radiación instantánea y fondo electromagnético en los diagnósticos de neutrones más sensibles, hasta ahora estos trabajos se han realizado en láseres de alta potencia (PW) pero con muy baja repetición (unos pocos disparos al día), o a alta tasa de repetición, pero en láseres de menor potencia (TW). Además, en estos trabajos, los detectores de neutrones se operan en "modo corriente", procesando en conjunto y de forma integrada toda la información relevante en cada disparo del láser. Esta forma de operación no es adecuada para llevar a cabo experimentos de física nuclear, ya que éstos requieren de la detección de señales individuales que permitan aplicar la técnica de tiempo de vuelo y analizar por separado cada una de las reacciones y procesos implicados. En esta tesis se ha llevado a cabo un estudio sobre la viabilidad de realizar medidas de reacciones nucleares inducidas por neutrones mediante tiempo de vuelo en el complejo entorno de una LDNS en la instalación láser DRACO del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en Dresde, Alemania, produciendo disparos de neutrones a 0,02 Hz en un sistema de alta potencia (PW) y en condiciones estables. Además de centelleadores orgánicos convencionales y detectores de burbujas operados en modo corriente/integrado, esta producción multi-disparo ha permitido utilizar un detector de neutrones y partículas cargadas de baja eficiencia (un detector de diamante) para medir señales individuales correspondientes a la interacción de neutrones rápidos. Para ello ha sido necesario desarrollar una rutina de análisis de señales específica para el detector de diamante. La fuente de neutrones resultante a través de dos reacciones nucleares diferentes, Cu(p,n) y LiF(p,n), se ha caracterizado tal y como se realizaría en un experimento de física nuclear en un acelerador de partículas y producción de neutrones convencional. Los resultados obtenidos se han validado con simulaciones con códigos Montecarlo. Este resultado supone un importante avance para lograr llevar a cabo experimentos de física nuclear en una fuente de neutrones láser. Los resultados obtenidos en DRACO, las características de la LDNS y el rendimiento de los detectores se han comparado y contextualizado con los resultados obtenidos en la caracterización de una fuente de neutrones compacta basada en un acelerador convencional: la fuente de neutrones HiSPANoS del Centro Nacional de Aceleradores (CNA) en Sevilla, España. En esta instalación se han obtenido diferentes haces de neutrones rápidos mediante las reacciones Be(d,n) y Li(d,n) en blancos gruesos que proporcionan haces de neutrones blancos de hasta 10 y 20 MeV respectivamente, así como de las reacciones D(d,n), cubriendo un rango de energía entre 2 y 6 MeV con haces de neutrones cuasi-monoenergéticos. La caracterización se ha llevado a cabo mediante centelleadores orgánicos convencionales y aplicando, de nuevo, la técnica de tiempo de vuelo a señales individuales. Basándose en los resultados y en el análisis comparativo de ambos experimentos, se ha establecido que la producción de neutrones por pulso en DRACO es muy superior. También se han identificado los principales inconvenientes y problemas a los que nos hemos enfrentado en DRACO, y que pueden ser análogos en otras instalaciones similares, y se proponen posibles soluciones como primer paso para poder realizar experimentos de reacciones nucleares inducidas por neutrones rápidos en una fuente de neutrones láser. |
Cita | Millán Callado, M.d.l.Á. (2023). Compact neutron sources for Nuclear Physics: from accelerator-based to laser-driven neutron beams. (Tesis Doctoral Inédita). Universidad de Sevilla, Sevilla. |
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Millán Callado Mª. de los Ángeles ... | 8.581Mb | [PDF] | Este documento no está disponible a texto completo hasta el 2024-12-14 . Para más información póngase en contacto con idus@us.es. | |