DE102023126297A1 - Apparatus and method for generating neutrons - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zum Erzeugen von Neutronen (21) umfassend eine Laserquelle (12) zur Erzeugung eines Ultrakurzpulslaserstrahls (13), eine Kompressionseinrichtung (14) zur nichtlinearen Pulskompression des erzeugten Ultrakurzpulslaserstrahls (13), eine Strahlführungseinrichtung (16) zur Leitung, Formung und/oder Fokussierung des komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahls (15), eine Elektronenerzeugungseinrichtung (18) zur Erzeugung eines Elektronenstrahls (19) mittels Laser Wakefield Acceleration und ein Target (20) zur Emission von Neutronen (21). Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Erzeugen von Neutronen (21).The invention relates to a device (10) for generating neutrons (21), comprising a laser source (12) for generating an ultrashort pulse laser beam (13), a compression device (14) for nonlinearly compressing the generated ultrashort pulse laser beam (13), a beam guiding device (16) for directing, shaping, and/or focusing the compressed ultrashort pulse laser beam (15), an electron generating device (18) for generating an electron beam (19) by means of laser wakefield acceleration, and a target (20) for emitting neutrons (21). The invention also relates to a method for generating neutrons (21).
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen von Neutronen mit Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Erzeugen von Neutronen mit Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs.The invention relates to a device for generating neutrons having the features of claim 1 and to a method for generating neutrons having the features of the independent claim.
Neutronen können für Experimente in der Grundlagenforschung verwendet werden. In Großforschungseinrichtungen können Neutronenquellen mit Teilchenflüssen im Bereich von 109 bis 1013 Neutronen/s realisiert werden. Diese Neutronenquellen basieren insbesondere auf Teilchenbeschleunigern (Elektronen, Protonen, Deuteronen), deren schnelle Teilchen wiederum Kernprozesse in einem beschossenen Material auslösen, was letztendlich wiederum eine Emission von Neutronen zur Folge hat. Bei Elektronen kann dies z.B. über die Umwandlung mittels Bremsstrahlung in energiereiche Photonen und mit diesen wiederum über eine Kernreaktion in einem Target-Material mittels der Riesen-Dipol-Resonanz umgesetzt werden. Insbesondere die dabei verwendeten, auf Hochfrequenz-Technik basierenden Teilchenbeschleuniger erfordern große Aufbauten (~100m-Skala) mit entsprechend hohen Kosten und insbesondere stationärer, ortsgebundener Nutzung.Neutrons can be used for experiments in basic research. In large-scale research facilities, neutron sources with particle fluxes in the range of 10 9 to 10 13 neutrons/s can be realized. These neutron sources are based primarily on particle accelerators (electrons, protons, deuterons), whose fast particles in turn trigger nuclear processes in the bombarded material, which ultimately results in the emission of neutrons. In the case of electrons, this can be achieved, for example, via conversion by means of bremsstrahlung into high-energy photons, which in turn trigger a nuclear reaction in a target material using giant dipole resonance. The particle accelerators used in this field, which are based on radio-frequency technology, in particular, require large setups (~100m scale) with correspondingly high costs and, in particular, stationary, location-bound use.
In
Nachteilig dabei ist, dass hohe Anforderungen insbesondere an die Laserquelle gestellt werden.The disadvantage is that high demands are placed on the laser source in particular.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erzeugen von Neutronen bereitzustellen, wobei die Vorrichtung bzw. das Verfahren effizienter, robuster und kostengünstiger ist.It is therefore an object of the present invention to provide a device and a method for generating neutrons, wherein the device or method is more efficient, more robust and more cost-effective.
Die obige Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Erzeugen von Neutronen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Vorrichtung umfasst eine Laserquelle zur Erzeugung eines Ultrakurzpulslaserstrahls und eine Kompressionseinrichtung zur nichtlinearen Pulskompression des erzeugten Ultrakurzpulslaserstrahls. Die Vorrichtung umfasst weiter eine Strahlführungseinrichtung zur Leitung, Formung und/oder Fokussierung des komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahls. Die Vorrichtung umfasst zudem eine Elektronenerzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Elektronenstrahls mittels Laser Wakefield Acceleration (LWFA). Die Vorrichtung umfasst weiter ein Target zu Emission von Neutronen.The above object is achieved by a device for generating neutrons having the features of claim 1. The device comprises a laser source for generating an ultrashort pulse laser beam and a compression device for nonlinear pulse compression of the generated ultrashort pulse laser beam. The device further comprises a beam guiding device for directing, shaping, and/or focusing the compressed ultrashort pulse laser beam. The device also comprises an electron generating device for generating an electron beam by means of laser wakefield acceleration (LWFA). The device further comprises a target for emitting neutrons.
Hierdurch kann insbesondere die Ultrakurzpulslaserquelle kompakter und erheblich kostengünstiger gestaltet werden. Das gesamte Vorrichtung kann so erheblich effizienter, robuster und kostengünstiger realisiert werden. Es kann eine wirtschaftliche Nutzung, insbesondere die Industrialisierung, der Vorrichtung zum Erzeugen von Neutronen umgesetzt werden. Es kann ein quasi-monoenergetisches Elektronenspektrum erzeugt werden, was zu einer verbesserten Konversionseffizienz Elektronen zu Neutronen führt.This allows, in particular, the ultrashort pulse laser source to be designed more compactly and significantly more cost-effectively. The entire device can thus be realized in a significantly more efficient, robust, and cost-effective manner. This allows for commercial use, particularly industrialization, of the neutron generation device. A quasi-monoenergetic electron spectrum can be generated, leading to improved electron-to-neutron conversion efficiency.
Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung kann die Laserquelle einen Ytterbium(Yb)-dotierten Festkörperlaser umfassen.According to a further development of the device, the laser source may comprise an ytterbium (Yb)-doped solid-state laser.
Insbesondere aufgrund der Wellenlänge von größer 1 µm (Mikrometer) des Ytterbium-dotierten Festkörperlasers kann die Effizienz, insbesondere des LWFA-Prozesses, gesteigert werden. Zudem ist ein Ytterbium-dotierter Festkörperlaser kompakt und kostengünstig.In particular, the wavelength of the ytterbium-doped solid-state laser, which is greater than 1 µm (micrometer), can increase the efficiency, especially of the LWFA process. Furthermore, a ytterbium-doped solid-state laser is compact and cost-effective.
Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung kann die Laserquelle eingerichtet sein, um einen Ultrakurzpulslaserstrahl zu erzeugen, der eine Pulsdauer (bzw. Pulslänge) in einem Bereich von 250 bis 850 fs (Femtosekunden), eine Pulsenergie in einem Bereich von 50 bis 1000 mJ (Millijoule) und/oder eine Pulswiederholrate in einem Bereich von 1 bis 100 kHz (Kilohertz) aufweist.According to a further development of the device, the laser source can be configured to generate an ultrashort pulse laser beam having a pulse duration (or pulse length) in a range of 250 to 850 fs (femtoseconds), a pulse energy in a range of 50 to 1000 mJ (millijoules) and/or a pulse repetition rate in a range of 1 to 100 kHz (kilohertz).
Hierdurch kann der Ultrakurzpulslaserstrahl optimal eingestellt werden, sodass die Effizienz der Vorrichtung weiter gesteigert werden kann.This allows the ultrashort pulse laser beam to be optimally adjusted, so that the efficiency of the device can be further increased.
Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung kann die Kompressionseinrichtung mindestens eine Multipasszelle aufweisen. Die Multipasszelle kann als eine Herriott-Zelle ausgebildet sein. Die Multipasszelle kann gasgefüllt sein. Die Multipasszelle kann eingerichtet sein, um mittels Selbst-Phasen-Modulation den Ultrakurzpulslaserstrahl auf eine Pulsdauer in einem Bereich von 10 bis 50 fs zu komprimieren.According to a further development of the device, the compression device can have at least one multipass cell. The multipass cell can be designed as a Herriott cell. The multipass cell can be gas-filled. The multipass cell can be configured to compress the ultrashort pulse laser beam to a pulse duration in a range of 10 to 50 fs by means of self-phase modulation.
Hierdurch kann mit einfachen Mitteln die Pulsdauer des Ultrakurzpulslaserstrahls auf eine, insbesondere für den LWFA-Prozess, optimale Pulsdauer, insbesondere um einen Kompressionsfaktor in einem Bereich von 10 bis 30-fach, komprimiert werden.This allows the pulse duration of the ultrashort pulse laser beam to be compressed by simple means to an optimal pulse duration, particularly for the LWFA process, in particular by a compression factor in a range of 10 to 30 times.
Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung kann die Strahlführungseinrichtung mindestens ein reflektives, optisches Element aufweisen und eingerichtet sein, um einen Laserstrahldurchmesser (bzw. Rohstrahldurchmesser) in einem Bereich von 10 bis 200 mm (Millimeter) (1/e2) zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann die Strahlführungseinrichtung eingerichtet sein, um eine Fokussierung mit einer numerischen Apertur in einem Bereich von 0,02 bis 0,2 zu erzeugen. Der Wert der numerischen Apertur kann sich hierbei auf einen Wert im Vakuum beziehen, mit n=1, wobei n der Brechungsindex ist. According to a further development of the device, the beam guiding device can have at least one reflective optical element and be designed to produce a laser beam diameter (or raw beam diameter) in a range of 10 to 200 mm (millimeters) (1/e 2 ). Alternatively or additionally, the beam guiding device can be configured to produce focusing with a numerical aperture in a range of 0.02 to 0.2. The value of the numerical aperture can refer to a value in a vacuum, with n=1, where n is the refractive index.
Hierdurch kann mit einfachen Mitteln der komprimierte Ultrakurzpulslaserstrahl optimal geleitet bzw. fokussiert werden.This allows the compressed ultrashort pulse laser beam to be optimally guided or focused using simple means.
Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung kann Elektronenerzeugungseinrichtung eine Vakuum-Kammer umfassen. In der Vakuum-Kammer kann ein Gas zur Wechselwirkung mit dem komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahl bereitgestellt sein. Die Bereitstellung des Gases kann derart umgesetzt sein, dass am Ort der Wechselwirkung des komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahls mit dem Gas das Gas eine effektive Teilchendichte in einem Bereich von 1015 bis 1021 Teilchen/cm3 aufweist. Das Gas kann ionisiert (Plasma) sein. Das Gas kann als ein, insbesondere optisch dünnes, Plasma ausgebildet sein. Die Strahlführungseinrichtung kann eingerichtet sein, um den komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahl in die Vakuum-Kammer, insbesondere in das Gas, zu fokussieren. Der Ort der Wechselwirkung des Ultrakurzpulslaserstrahls mit dem Gas kann der Fokus des komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahls sein. Die Erzeugung von Elektronen kann mittels des komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahls, der eine (nicht-lineare) Plasmawelle in dem ionisierten Gas (Plasma) treibt, erzeugt werden.According to a further development of the device, the electron generation device can comprise a vacuum chamber. A gas for interaction with the compressed ultrashort pulse laser beam can be provided in the vacuum chamber. The provision of the gas can be implemented such that at the location of the interaction of the compressed ultrashort pulse laser beam with the gas, the gas has an effective particle density in a range of 10 15 to 10 21 particles/cm 3 . The gas can be ionized (plasma). The gas can be formed as a plasma, in particular an optically thin plasma. The beam guiding device can be configured to focus the compressed ultrashort pulse laser beam into the vacuum chamber, in particular into the gas. The location of the interaction of the ultrashort pulse laser beam with the gas can be the focus of the compressed ultrashort pulse laser beam. The generation of electrons can be achieved by means of the compressed ultrashort pulse laser beam, which drives a (non-linear) plasma wave in the ionized gas (plasma).
Hierdurch kann mit einfachen Mitteln der LWFA-Prozess weiter optimiert werden.This allows the LWFA process to be further optimized using simple means.
Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung kann das Gas aus reinem Gas oder aus einem Gasgemisch ausgebildet sein. Bei dem reinen Gas kann es sich um Wasserstoff, Stickstoff, Argon oder Helium handeln. Bei dem Gasgemisch kann es sich um ein Gasgemisch aus verschiedenen Gasen, wie bspw. Helium und Stickstoff, handeln.According to a further development of the device, the gas can be formed from pure gas or a gas mixture. The pure gas can be hydrogen, nitrogen, argon, or helium. The gas mixture can be a gas mixture of different gases, such as helium and nitrogen.
Hierdurch kann mit einfachen Mitteln ein Gas bzw. ein Plasma bereitgestellt und der LWFA-Prozess weiter optimiert werden.This allows a gas or plasma to be provided using simple means and the LWFA process to be further optimized.
Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung kann die Elektronenerzeugungseinrichtung derart eingerichtet sein, dass das (ionisierte) Gas mittels einer Gas-Zelle oder mittels einer Gas-Düse (Gasflamme) bereitgestellt wird.According to a further development of the device, the electron generating device can be configured such that the (ionized) gas is provided by means of a gas cell or by means of a gas nozzle (gas flame).
Hierdurch kann mit einfachen Mitteln das Gas bzw. Plasma zur Wechselwirkung mit dem komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahl bereitgestellt werden.This allows the gas or plasma to be prepared for interaction with the compressed ultrashort pulse laser beam using simple means.
Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung kann die Elektronenerzeugungseinrichtung derart eingerichtet sein, dass der erzeugte Elektronenstrahl im main peak (Hauptanteil des emittierten Elektronenstrahls) Elektronenenergien in einem Bereich von 35 bis 300 MeV (Megaelektronenvolt), eine spektrale Halbwertsbreite von kleiner als 30 % des main peaks und/oder eine elektrische Ladung in einem Bereich von 25 bis 1000 pC (Pikocoulomb) pro Puls aufweist.According to a further development of the device, the electron generating device can be configured such that the generated electron beam in the main peak (main portion of the emitted electron beam) has electron energies in a range of 35 to 300 MeV (megaelectronvolts), a spectral half-width of less than 30% of the main peak and/or an electrical charge in a range of 25 to 1000 pC (picocoulombs) per pulse.
Hierdurch kann der Elektronenstrahl optimal eingestellt werden, sodass die Effizienz der Vorrichtung weiter erhöht werden kann.This allows the electron beam to be optimally adjusted, so that the efficiency of the device can be further increased.
Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung kann das Target als eine Kugel, eine Halb-Kugel oder ein Würfel ausgebildet sein. Das Target kann ortsfest angeordnet bzw. positioniert sein. Das Target kann eine Dicke in einem Bereich von 0,5 bis 10 cm (Zentimeter) aufweisen. Das Target kann eine Öffnung aufweisen, in die der Elektronenstrahl fokussiert werden kann. Die Elektronen des Elektronenstrahls können direkt oder indirekt mit dem Target bzw. dessen Atomen wechselwirken, sodass das Target Neutronen emittiert.According to a further development of the device, the target can be configured as a sphere, a hemisphere, or a cube. The target can be arranged or positioned in a fixed location. The target can have a thickness in a range of 0.5 to 10 cm (centimeters). The target can have an opening into which the electron beam can be focused. The electrons of the electron beam can interact directly or indirectly with the target or its atoms, causing the target to emit neutrons.
Hierdurch kann die Neutronenausbeute erhöht werden, sodass die Effizienz der Vorrichtung weiter gesteigert werden kann.This can increase the neutron yield, so that the efficiency of the device can be further improved.
Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung kann das Target aus (hochreinem) Wolfram, Blei, Tantal, Kupfer und/oder Uran ausgebildet sein. Das Target kann eine Beschichtung aufweisen. Die Beschichtung kann aus Berylliumdeuterid (BeD2) ausgebildet sein. Die Beschichtung kann eine Dicke in einem Bereich von 1 bis 10 cm aufweisen.According to a further development of the device, the target can be made of (high-purity) tungsten, lead, tantalum, copper, and/or uranium. The target can have a coating. The coating can be made of beryllium deuteride (BeD 2 ). The coating can have a thickness in a range of 1 to 10 cm.
Hierdurch kann die Konversionseffizienz und damit die Neutronenausbeute weiter erhöht werden, sodass die Effizienz der Vorrichtung weiter gesteigert werden kann. Zudem kann das Handling des Targets verbessert werden.This allows the conversion efficiency and thus the neutron yield to be further increased, thus further enhancing the efficiency of the device. Target handling can also be improved.
Die obige Aufgabe wird weiter durch ein Verfahren zum Erzeugen von Neutronen mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- Erzeugen eines Ultrakurzpulslaserstrahls.
- Generating an ultrashort pulse laser beam.
Erzeugen eines komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahls durch Komprimieren des Ultrakurzpulslaserstrahls mittels nichtlinearen Pulskompression.Generating a compressed ultrashort pulse laser beam by compressing the ultrashort pulse laser beam using nonlinear pulse compression.
Formen, Leiten und/oder Fokussieren des komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahls.Shaping, directing and/or focusing the compressed ultrashort pulse laser beam.
Erzeugen eines Elektronenstrahls mittels Laser Wakefield Acceleration (LWFA).Generating an electron beam using laser wakefield acceleration (LWFA).
Leiten des erzeugten Elektronenstrahls auf ein Target, um Neutronen zu erzeugen.Directing the generated electron beam onto a target to produce neutrons.
Hierdurch kann ein effizientes, robustes und kostengünstiges Verfahren zum Erzeugen von Neutronen realisiert werden. Es kann eine wirtschaftliche Nutzung, insbesondere die Industrialisierung, des Verfahrens zum Erzeugen von Neutronen umgesetzt werden. Es kann ein quasi-monoenergetisches Elektronenspektrum erzeugt werden, was zu einer verbesserten Konversionseffizienz der Elektronen zu Neutronen führt.This allows for the realization of an efficient, robust, and cost-effective process for generating neutrons. This process can be commercially exploited, particularly for industrialization. A quasi-monoenergetic electron spectrum can be generated, leading to improved electron-to-neutron conversion efficiency.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann bei dem Schritt
- Erzeugen eines Ultrakurzpulslaserstrahls,
- ein Ultrakurzpulslaserstrahl erzeugt werden, der eine Pulsdauer in einem Bereich von 250 bis 850 fs, eine Pulsenergie in einem Bereich von 50 bis 1000 mJ und/oder eine Pulswiederholrate in einem Bereich von 1 bis 100 kHz aufweist.
- Generating an ultrashort pulse laser beam,
- an ultrashort pulse laser beam can be generated which has a pulse duration in a range of 250 to 850 fs, a pulse energy in a range of 50 to 1000 mJ and/or a pulse repetition rate in a range of 1 to 100 kHz.
Hierdurch kann der Ultrakurzpulslaserstrahl optimal eingestellt werden, sodass die Effizienz des Verfahrens weiter gesteigert werden kann.This allows the ultrashort pulse laser beam to be optimally adjusted, so that the efficiency of the process can be further increased.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann bei dem Schritt Erzeugen eines komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahls,
der Ultrakurzpulslaserstrahl mittels Selbst-Phasen-Modulation auf eine Pulsdauer in einem Bereich von 10 bis 50 fs komprimiert werden.According to a further development of the method, in the step of generating a compressed ultrashort pulse laser beam,
The ultrashort pulse laser beam can be compressed to a pulse duration in a range of 10 to 50 fs using self-phase modulation.
Hierdurch kann mit einfachen Mitteln die Pulsdauer des Ultrakurzpulslaserstrahls auf eine optimale Pulsdauer, insbesondere um einen Kompressionsfaktor in einem Bereich von 10 bis 30-fach, komprimiert werden.This allows the pulse duration of the ultrashort pulse laser beam to be compressed to an optimal pulse duration, in particular by a compression factor in a range of 10 to 30 times, using simple means.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann bei dem SchrittAccording to a further development of the method, in the step
Formen des komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahls,
- der Strahldurchmesser des komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahls auf einen Strahldurchmesser in einem
Bereich von 10 bis 200 mm (1/e2) geformt werden. - Alternativ oder zusätzlich kann bei dem Schritt
- Leiten des komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahls,
- der komprimierte Ultrakurzpulslaserstrahl mit dem Strahldurchmesser in
einem Bereich von 10 bis 200 mm (1/e2) geleitet werden.
- the beam diameter of the compressed ultrashort pulse laser beam can be shaped to a beam diameter in a range of 10 to 200 mm (1/e 2 ).
- Alternatively or additionally, the step
- Guiding the compressed ultrashort pulse laser beam,
- the compressed ultrashort pulse laser beam with the beam diameter in a range of 10 to 200 mm (1/e 2 ).
Alternativ oder zusätzlich kann bei dem Schritt
Fokussieren des komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahls,
die Fokussierung mit einer numerischen Apertur in einem
Bereich von 0,02 bis 0,2 durchgeführt werden. Der Wert der numerischen Apertur kann sich hierbei auf einen Wert im Vakuum beziehen, mit n=1, wobei n der Brechungsindex ist.Alternatively or additionally, the step
Focusing the compressed ultrashort pulse laser beam,
focusing with a numerical aperture in a
Range from 0.02 to 0.2. The numerical aperture value can be referred to a value in vacuum, with n=1, where n is the refractive index.
Hierdurch kann mit einfachen Mitteln der Ultrakurzpulslaserstrahl optimal geleitet bzw. fokussiert werden.This allows the ultrashort pulse laser beam to be optimally guided or focused using simple means.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann bei dem SchrittAccording to a further development of the method, in the step
Erzeugen eines Elektronenstrahls,
der komprimierte Ultrakurzpulslaserstrahl mit einem Gas mit einer effektiven Teilchendichte in einem Bereich von 1015 bis 1021 Teilchen/cm3 wechselwirken. Dabei kann es sich um ein ionisiertes Gas (Plasma) handeln.Generating an electron beam,
The compressed ultrashort pulse laser beam interacts with a gas with an effective particle density in the range of 10 15 to 10 21 particles/cm 3 . This can be an ionized gas (plasma).
Hierdurch kann mit einfachen Mitteln der LWFA-Prozess weiter optimiert werden.This allows the LWFA process to be further optimized using simple means.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann bei dem SchrittAccording to a further development of the method, in the step
Erzeugen eines Elektronenstrahls,
ein Elektronenstrahl erzeugt werden, der im main peak Elektronenenergien in einem Bereich von 35 bis 300 MeV, eine spektrale Halbwertsbreite von kleiner als 30% des main peaks und/oder eine elektrische Ladung in einem Bereich von 25 bis 1000 pC pro Puls aufweist.Generating an electron beam,
an electron beam is generated which has electron energies in the main peak in a range of 35 to 300 MeV, a spectral half-width of less than 30% of the main peak and/or an electrical charge in a range of 25 to 1000 pC per pulse.
Hierdurch kann der Elektronenstrahl optimal eingestellt werden, sodass die Effizienz der Vorrichtung weiter gesteigert werden kann.This allows the electron beam to be optimally adjusted, so that the efficiency of the device can be further increased.
Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens kann zur Durchführung des Verfahrens eine Vorrichtung gemäß obiger Ausführungen verwendet werden.According to a further development of the method, a device according to the above statements can be used to carry out the method.
Hinsichtlich der damit erzielbaren Vorteile wird auf die diesbezüglichen Ausführungen zur Vorrichtung verwiesen. Zur weiteren Ausgestaltung des Verfahrens können die im Zusammenhang mit der Vorrichtung beschriebenen und/oder die nachfolgend noch erläuterten Maßnahmen dienen.With regard to the advantages that can be achieved, reference is made to the relevant explanations of the device. The measures described in connection with the device and/or those explained below can serve to further refine the method.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem Wortlaut der Ansprüche sowie aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Es zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung der Vorrichtung.
-
1 a schematic representation of the device.
Die Vorrichtung zum Erzeugen von Neutronen 21 trägt in
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Laserquelle 12 zur Erzeugung eines Ultrakurzpulslaserstrahls 13. Die Laserquelle 12 kann einen Ytterbium-dotierten Festkörperlaser umfassen oder als ein Ytterbium-dotierter Festkörperlaser ausgebildet sein. Die Laserquelle 12 kann eingerichtet sein, um einen Ultrakurzpulslaserstrahl 13 zu erzeugen, der eine Pulsdauer in einem Bereich von 250 bis 850 fs, eine Pulsenergie in einem Bereich von 50 bis 1000 mJ und/oder eine Pulswiederholrate in einem Bereich von 1 bis 100 kHz aufweist.The
Die Vorrichtung 10 umfasst zudem eine Kompressionseinrichtung 14 zur nichtlinearen Pulskompression des erzeugten Ultrakurzpulslaserstrahls 13. Die Kompressionseinrichtung 14 kann mindestens eine, insbesondere gasgefüllte, Multipasszelle aufweisen. Die Multipasszelle kann eingerichtet sein, um mittels Selbst-Phasen-Modulation den erzeugten Ultrakurzpulslaserstrahl 13 auf eine Pulsdauer in einem Bereich von 10 bis 50 fs zu komprimieren.The
Die Vorrichtung 10 umfasst zudem eine Strahlführungseinrichtung 16 zur Leitung, Formung und/oder Fokussierung des komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahls 15. Die Strahlführungseinrichtung 16 kann mindestens ein reflektives optisches Element aufweisen. Die Strahlführungseinrichtung 16 kann eingerichtet sein, um einen Laserstrahldurchmesser in einem Bereich von 10 bis 200 mm (1/e2) zu erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann die Strahlführungseinrichtung 16 eingerichtet sein, um eine Fokussierung mit einer numerischen Apertur in einem Bereich von 0,02 bis 0,2 (im Vakuum) zu erzeugen.The
Die Vorrichtung 10 umfasst zudem eine Elektronenerzeugungseinrichtung 18 zur Erzeugung eines Elektronenstrahls 19 mittels Laser Wakefield Acceleration. Die Elektronenerzeugungseinrichtung 18 kann eine Vakuum-Kammer umfassen. In der Vakuum-Kammer kann ein Gas zur Wechselwirkung mit dem komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahl 15 derart bereitgestellt sein, dass am Ort der Wechselwirkung das Gas eine effektive Teilchendichte in einem Bereich von 1015 bis 1021 Teilchen/cm3 aufweist. Die Strahlführungseinrichtung 16 kann eingerichtet sein, um den komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahl 15 in das (ionisierte) Gas der Elektronenerzeugungseinrichtung 18, an den Ort der Wechselwirkung, zu fokussieren. Das Gas kann aus reinem Gas (bspw. Helium, Stickstoff, Argon oder Wasserstoff) oder aus einem Gasgemisch (bspw. Helium und Stickstoff) ausgebildet sein. Das Gas kann mittels einer Gas-Zelle oder mittels einer Gas-Düse bereitgestellt werden. Die Elektronenerzeugungseinrichtung 18 kann derart eingerichtet sein, dass der erzeugte Elektronenstrahl 19 im main peak Elektronenenergien in einem Bereich von 35 bis 300 MeV, eine spektrale Halbwertsbreite von kleiner als 30% des main peaks und/oder eine elektrische Ladung in einem Bereich von 25 bis 1000 pC pro Puls aufweist.The
Die Vorrichtung 10 umfasst ein Target 20 zur Emission von Neutronen 21. Das Target 20 kann als eine Kugel, eine Halb-Kugel oder ein Würfel ausgebildet sein. Das Target 20 kann eine Dicke in einem Bereich von 0,5 bis 10 cm aufweisen. Das Target 20 kann eine Öffnung aufweisen, in die der Elektronenstrahl 19 fokussiert werden kann. Das Target 20 kann aus Wolfram, Blei, Tantal, Kupfer und/oder Uran ausgebildet sein. Das Target 20 kann eine Beschichtung aufweisen. Die Beschichtung kann aus Berylliumdeuterid ausgebildet sein. Die Beschichtung kann eine Dicke in einem Bereich von 1 bis 10 cm aufweisen.The
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Erzeugen von Neutronen 21 anhand der in
Das Verfahren umfasst den Schritt:
Erzeugen eines Ultrakurzpulslaserstrahls 13. Dabeikann ein Ultrakurzpulslaserstrahl 13 erzeugt werden, der eine Pulsdauer in einem Bereich von 250 bis 850 fs, eine Pulsenergie in einem Bereich von 50 bis 1000 mJ und/oder eine Pulswiederholrate in einem Bereich von 1 bis 100 kHz aufweist.
- Generating an ultrashort
pulse laser beam 13. An ultrashortpulse laser beam 13 can be generated which has a pulse duration in a range of 250 to 850 fs, a pulse energy in a range of 50 to 1000 mJ and/or a pulse repetition rate in a range of 1 to 100 kHz.
Das Verfahren umfasst zudem den Schritt:
- Erzeugen eines komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahls 15 durch Komprimieren des Ultrakurzpulslaserstrahls 13 mittels nicht-linearen Pulskompression. Dabei kann der Ultrakurzpulslaserstrahl 13 mittels Selbst-Phasen-Modulation auf eine Pulsdauer in einem
Bereich von 10 bis 50 fs komprimiert werden.
- Generating a compressed ultrashort
pulse laser beam 15 by compressing the ultrashortpulse laser beam 13 using nonlinear pulse compression. The ultrashortpulse laser beam 13 can be compressed to a pulse duration in a range of 10 to 50 fs using self-phase modulation.
Das Verfahren umfasst weiter den Schritt:
- Formen, Leiten und/oder Fokussieren des komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahls 15. Dabei kann der Strahldurchmesser des komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahls 15 auf einen Strahldurchmesser in einem
Bereich von 10 bis 200 mm (1/e2) geformt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der komprimierte Ultrakurzpulslaserstrahl 15 mit dem Strahldurchmesser ineinem Bereich von 10 bis 200 mm (1/e2) geleitet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Fokussierung des komprimierten Ultrakurzpulslaserstrahls 15 mit einer numerischen Apertur in einem Bereich von 0,02 bis 0,2 durchgeführt werden.
- Shaping, guiding and/or focusing the compressed ultrashort
pulse laser beam 15. The beam diameter of the compressed ultrashortpulse laser beam 15 can be reduced to a beam diameter in a range of 10 to 200 mm (1/e 2 ). Alternatively or additionally, the compressed ultrashortpulse laser beam 15 can be directed with a beam diameter in a range of 10 to 200 mm (1/e 2 ). Alternatively or additionally, the focusing of the compressed ultrashortpulse laser beam 15 can be carried out with a numerical aperture in a range of 0.02 to 0.2.
Das Verfahren umfasst zudem den Schritt:
Erzeugen eines Elektronenstrahls 19 mittels Laser Wakefield Acceleration. Dabei kann der komprimierte Ultrakurzpulslaserstrahl 15 mit einem (ionisierten) Gas mit einer effektiven Teilchendichte in einemBereich von 1015bis 1021 Teilchen/cm3 wechselwirken. Dabeikann ein Elektronenstrahl 19 erzeugt werden, der im main peak Elektronenenergien in einem Bereich von 35 bis 300 MeV, eine spektrale Halbwertsbreite von kleiner als 30% des main peaks und/oder eine elektrische Ladung in einem Bereich von 25 bis 1000 pC pro Puls aufweist.
- Generating an
electron beam 19 by means of laser wakefield acceleration. The compressed ultrashortpulse laser beam 15 can interact with an (ionized) gas having an effective particle density in a range of 10 15 to 10 21 particles/cm 3 . Anelectron beam 19 can be generated which has electron energies in the main peak in a range of 35 to 300 MeV, a spectral half-width of less than 30% of the main peak, and/or an electrical charge in a range of 25 to 1000 pC per pulse.
Das Verfahren umfasst zudem den Schritt:
- Leiten des erzeugten Elektronenstrahls 19
auf ein Target 20, um Neutronen 21 zu erzeugen. Dabei kann der Elektronenstrahl 19 durch eine Öffnung amTarget 20 in das Innere desTargets 20 geleitet und/oder fokussiert werden. Aufgrund der direkten oder indirekten Wechselwirkung des Elektronenstrahls 19 (bzw. dessen Elektronen) mit dem Target 20 (bzw. dessen Atomen) werden ausdem Target 20Neutronen 21 emittiert.
- Directing the generated
electron beam 19 onto atarget 20 to generateneutrons 21. Theelectron beam 19 can be directed and/or focused through an opening on thetarget 20 into the interior of thetarget 20. Due to the direct or indirect interaction of the electron beam 19 (or its electrons) with the target 20 (or its atoms),neutrons 21 are emitted from thetarget 20.
Zur Durchführung des Verfahrens kann eine Vorrichtung 10 gemäß obiger Ausführungen verwendet werden.To carry out the method, a
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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|---|---|
| WO2025068156A1 (en) | 2025-04-03 |
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