TU Darmstadt / ULB / TUprints

Investigation of a laser-driven neutron source with respect to different fields of application

Kleinschmidt, Annika :
Investigation of a laser-driven neutron source with respect to different fields of application.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2017)

[img]
Preview
Text
Dissertation_Kleinschmidt.pdf
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons Attribution Non-commercial No-derivatives 4.0.

Download (61MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Investigation of a laser-driven neutron source with respect to different fields of application
Language: English
Abstract:

Due to their unique interaction with matter, neutrons are an interesting research and diagnostic instrument for various applications. To be able to utilize neutrons for the different applications, they have to be generated by nuclear reactions. This can for instance be done in accelerator-based spallation sources or fission reactors, which provide the possibility of generating high-flux neutron beams. However, they could be complemented by a novel and compact neutron source which is based on the conversion of laser-accelerated ions into neutrons inside a converter material, a so-called catcher. The angular distribution of the emitted neutrons is a superposition of an isotropic emission from generated compound nuclei in the catcher material and a forward directed neutron beam originating from special reactions such as pre-equilibrium emission and deuteron break-up.

Neutrons from a laser-driven neutron source show an exponentially decaying energy spectrum with cut-off energies in the range of a few 10 MeV up to over 100 MeV. Nevertheless, for applications such as neutron resonance spectroscopy (NRS), neutrons in the epithermal energy range (0.1 eV - 100 keV) are preferable because many nuclei have distinct resonances in this regime. To maximize the neutron yield at epithermal energies, a moderating material is used to slow down the high-energy component of the neutron spectrum.

The presented scientific thesis will focus on the applicability of a laser-based neutron source regarding established neutron applications in the high- and low-energy regime. In a first step, the for applications indispensable reproducability of such a source will be investigated. For that purpose, the neutron yield in the direction of the incoming ion's flight path (henceforth called "forward direction") will be increased and the total neutron yield will be measured for several shots. In a second step, the applicability of a laser-driven neutron source for neutron resonance spectroscopy on a static sample will be studied. As many elements have resonances in the epithermal region, the emitted neutron spectrum has to be moderated to increase the neutron flux in the desired energy range. Therefore, the study includes the analysis of the moderated neutron spectrum itself and its alteration after the NRS sample.

The verification of reproducable neutron numbers and a detailed measurement of the angular distribution were conducted at the PHELIX laser (Petawatt High-Energy Laser for Heavy Ion EXperiments) at GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt, Germany. The 200 J and 500 fs short-pulse laser beam was focused onto thin deuterated polymer foils with thicknesses between 400 and 1200 nm. During the experiment, intensities of the order of 10^20 W/cm^2 on target were achieved. The accelerated ions impinged a beryllium catcher yielding mean maximum neutron numbers of (5.25±0.77)·10^10 per shot. For a detailed measurement of the angular distribution, up to 30 bubble neutron dosimeters were used simultaneously. The result shows a forward pointing neutron beam with an opening angle of (100±2)° at full width half maximum. The highest measured neutron yield in the forward direction was (1.42±0.25)·10^10 neutrons per steradian which is an increase of 40% compared to the highest reported neutron numbers so far.

The second key aspect of this thesis is the moderation of laser-driven neutrons and their subsequent application for a neutron resonance spectroscopy measurement on a static sample. This experiment was conducted at the Trident laser facility at Los Alamos National Laboratory (LANL), USA. The short-pulse configuration provides a maximum laser energy of 80 J on target within a pulse length of 500 fs, yielding maximum intensities above 10^20 W/cm^2. Ions were accelerated from thin polymer foils with thicknesses in the range of a few 100 nm. The catcher was surrounded by a block of high density polyethylene to slow down high-energy neutrons and thus maximize the epithermal yield. This could successfully be achieved by an increase of a factor 3 more neutrons in the energy range of the indium resonance compared to shots without a moderator.

For the NRS measurement, a 5 mm indium sample was placed directly in front of the boron-doped microchannel plate (MCP) detector, which was used to measure the time of flight (ToF) transmission spectrum of the sample. The result of a single shot measurement shows a distinct resonance with a central energy of (1.61±0.19) eV and a width of (0.25±0.16) eV. These values are in good agreement with those of the indium resonance at 1.46 eV. During this experiment, we could sucessfully demonstrate a single shot neutron resonance spectroscopy measurement on a static sample.

In summary, in the framework of the presented thesis it will be demonstrated, that a laser-driven neutron source satisfies the requirement of constantly high neutron fluxes, which is very important for significant and reliable measurements during applications. In addition, the effective moderation and the feasibility of laser-driven neutrons for neutron resonance spectroscopy on a static sample will be confirmed for the first time.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Wechselwirkung von Neutronen mit Materie weicht sehr stark von der geladener Teilchen ab, was sie für viele Einsatzgebiete im Bereich der Forschung und Industrie interessant macht. Um Neutronen für die unterschiedlichsten Anwendungen zur Verfügung zu stellen, müssen sie durch Kernreaktionen erzeugt werden. Dies kann zum Beispiel in beschleunigerbasierten Spallationsquellen oder in Kernreaktoren geschehen, wo sehr hohe Neutronenflüsse erreicht werden können. Herkömmliche Neutronenquellen könnten in Zukunft durch eine neue Art der Neutronenerzeugung ergänzt werden. Diese beruht auf dem Prinzip der nuklearen Wechselwirkung laserbeschleunigter Ionen mit einem Konvertermaterial, einem sogenannten Catcher. Je nach Art der Wechselwirkung werden die Neutronen isotrop, oder mit einer Tendenz in die Propagationsrichtung der einfallenden Ionen (im Folgenden "Vorwärtsrichtung" genannt) abgestrahlt. Die Winkelverteilung der emittierten Neutronen ist demnach eine Überlagerung der isotropen Verteilung mit einem vorwärts gerichteten Neutronenstrahl. Das Energiespektrum einer lasergetriebenen Neutronenquelle zeigt ein exponentiell abfallendes Verhalten mit Maximalenergien im Bereich von einigen 10 MeV bis hin zu über 100 MeV. Jedoch ist für einige Anwendungen ein erhöhter Neutronenfluss im epithermischen Energiebereich von etwa 0.1 eV bis 100 keV wünschenswert. Dazu gehört beispielsweise die Neutronenresonanzspektroskopie, da viele Elemente ausgeprägte Resonanzen bei diesen Energien aufweisen. Um das Energiespektrum einer laserbasierten Neutronenquelle für diese Anwendungen anzupassen, wird ein Zusatzmaterial eingesetzt, welches den hochenergetischen Teil des Spektrums moderieren und so den Neutronenfluss im epithermischen Bereich erhöhen soll. Die vorgelegte wissenschaftliche Arbeit beschäftigt sich mit der Einsetzbarkeit einer lasergetriebenen Neutronenquelle bezüglich gebräuchlicher Anwendungen für Neutronen im hoch- und niederenergetischen Bereich. Zunächst wird die für Anwendungen unabdingbare Erzeugung konstant hoher Neutronenflüsse mit dieser Quelle untersucht. Dafür wird der Neutronenfluss in die Vorwärtsrichtung erhöht und die Gesamtzahl der Neutronen für mehrere Laserschüsse gemessen. Auf dieser Basis wird anschließend anhand einer statischen Indiumprobe die Anwendbarkeit der Neutronenquelle für Neutronenresonanzspektroskopie überprüft. Wie auch viele andere Elemente, besitzt Indium Resonanzen im epithermischen Energiebereich. Aus diesem Grund schließt die Studie, neben der eigentlichen Auswertung des Neutronenspektrums nach Durchlaufen der Indiumprobe, zunächst eine Moderierung des Neutronenspektrums und dessen Analyse mit ein. Der Nachweis der Schuss-zu-Schuss Reproduzierbarkeit einer laserbasierten Neutronenquelle wurde am PHELIX Laser (engl. Petawatt High-Energy Laser for Heavy Ion EXperiments) am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in Darmstadt durchgeführt. Der Laser wies eine Energie von 200 J, eine Pulslänge von 500 fs und eine Intensität im Bereich von 10^20 W/cm^2 auf. Er wurde auf dünne Polymerfolien mit Dicken zwischen 400 und 1200 nm fokussiert. Zur Neutronenerzeugung wurde ein Berylliumkonverter verwendet. Mit dieser Konfiguration konnte eine mittlere Gesamtneutronenzahl von (5.25±0.77)·10^10 Neutronen pro Laserschuss erzielt werden. Die räumliche Verteilung der Neutronen wurde mit bis zu 30 speziellen Neutronendosimetern (sogenannten Bubbledetektoren) gleichzeitig vermessen, um eine hohe Auflösung zu erreichen. Das Ergebnis dieser Messungen zeigt einen gerichteten Neutronenstrahl in die Vorwärtsrichtung, der einen Öffnungswinkel von (100±2)° aufweist. Die höchste gemessene Neutronenzahl in Vorwärtsrichtung beträgt (1.42±0.25)·10^10 Neutronen pro Steradiant, was einen Anstieg von 40% gegenüber dem höchsten bisher publizierten Wert darstellt. Der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Moderierung des Energiespektrums einer lasergetriebenen Neutronenquelle und dessen anschließender Anwendung für Neutronen-resonanzspektroskopie an einer Indiumprobe. Das zugehörige Experiment wurde an der Trident laser facility am Los Alamos National Laboratory (LANL) in den USA durchgeführt. Die Kurzpulskonfiguration dieses Systems bietet eine maximale Laserenergie von 80 J auf dem Target und eine Pulslänge von 500 fs mit einer Intensität von 10^20 W/cm^2. Für die Beschleunigung der Ionen wurden dünne Polymerfolien verwendet, deren Dicken im Bereich von einigen 100 nm lagen. Der Konverter war in einen Block aus hochdichtem Polyethylen eingelassen, der als Moderator eingesetzt wurde. Zur Detektion des Neutronenspektrums wurde eine mit Bor dotierte Mikrokanalplatte (engl. microchannel plate, MCP) eingesetzt. Nach erfolgreicher Moderierung der Neutronen, die im Bereich der Indiumresonanz einen Faktor 3 höhere Neutronenzahlen ergab, wurde eine Indiumprobe direkt vor der MCP platziert. Das Ergebnis der Vermessung des Transmissionsspektrums bei einem einzelnen Laserschuss zeigt eine Resonanz mit einer Energie von (1.61±0.19) eV und einer Breite von (0.25±0.16) eV. Diese Werte stimmen sehr gut mit denen der Indiumresonanz bei 1.46 eV überein. Im Rahmen der vorgelegten Arbeit wird gezeigt, dass eine laserbasierte Neutronenquelle dem Anspruch konstant hoher Neutronenflüsse genügt, was maßgeblich für aussagekräftige und verlässliche Messungen in verschiedenen Anwendungen ist. Außerdem kann erstmalig die erfolgreiche Moderierung des Energiespektrums und die Einsetzbarkeit einer lasergetriebenen Neutronenquelle für Resonanzspektroskopiemessungen an statischen Objekten verifiziert werden.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics
05 Department of Physics > Institute of Nuclear Physics > Experimentelle Kernphysik > Laser- und Plasmaphysik
Date Deposited: 04 Oct 2017 05:18
Last Modified: 04 Oct 2017 05:18
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-67534
Referees: Roth, Prof. Dr. Markus and Boine-Frankenheim, Prof. Dr. Oliver
Refereed: 10 July 2017
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/6753
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year