Comprehensive characterization of laser-driven neutron sources and a pathway towards miniaturization

Over the past decade, laser-driven neutron sources (LDNS) have garnered much interest as a compact, cost-efficient alternative to established neutron sources. During this time, the field of laser-driven neutron sources has progressed from early investigations focusing on the characteristics of the generated neutron field to the first proof-of-principle demonstration of applications. This work presents a comprehensive characterization of a LDNS intended to be used as a blueprint for future experiments and the eventual design of a laser-based neutron facility. The characterization is based on in-depth Monte Carlo simulations that are compared and validated by experimental measurements. The Monte Carlo simulations allow for investigation into the constituents that make up the neutron fluence at the position of the detectors. Furthermore, the contribution of neutron scattering and the neutron resolution function for the detectors used during the experimental campaign are determined. In this way, it could be demonstrated that up to 25 % of the neutrons at the detector position originate outside the catcher and that up to 90 % of the neutrons are affected by scattering.

This thesis also demonstrated the viability of thermal neutron resonance imaging at LDNS in a proof-of-principle experiment. During the experiment, the energy-dependent attenuation of a Cd sample was measured, allowing for the determination of its position in the neutron image.

A concept for driving highly efficient LDNS based on laser-accelerated electron beams is also presented. These sources hold much promise as compact, laboratory-scale LDNS. It could be demonstrated that electronbased sources should perform much better than ion-based sources for low laser pulse energies.

Finally, a new method for analyzing and calculating neutron fluences from bubble detector measurements was developed. The method was used to analyze the data recorded during the characterization campaign, and the results from the Monte Carlo simulations showed good agreement. Compared to previously used methods, the neutron fluences calculated by the new method are up to 55 % lower than those calculated from previously used methods.

In den letzten zehn Jahren haben lasergetriebene Neutronenquellen (LDNS) als kompakte, kostengünstige Alternative zu etablierten Neutronenquellen großes Interesse geweckt. In dieser Zeit hat sich das Gebiet der laserbasierten Neutronenquellen von frühen Untersuchungen, die sich auf die Eigenschaften des erzeugten Neutronenfeldes konzentrierten, bis hin zu ersten Demonstrationen von Anwendungen weiterentwickelt. In dieser Arbeit wird eine umfassende Charakterisierung einer LDNS vorgestellt, die als Grundlage für künftige Experimente und den möglichen Bau einer laserbasierten Neutronenanlage dienen soll. Die Charakterisierung basiert auf eingehenden Monte-Carlo-Simulationen, die mit experimentellen Messungen verglichen und validiert werden. Die Monte-Carlo-Simulationen ermöglichen die Untersuchung der einzelnen Bestandteile der vermessenen Neutronenspektren an der Position der Detektoren. Außerdem werden der Beitrag der Neutronenstreuung und die Neutronenauflösungsfunktion für die verwendeten Detektoren bestimmt. Auf diese Weise konnte gezeigt werden, dass bis zu 25 % der Neutronen an der Detektorposition von außerhalb des Konverters stammen und dass bis zu 90 % der Neutronen durch Streuung beeinflusst werden.

In dieser Arbeit wurde auch die Machbarkeit der thermischen Neutronenresonanzabbildung an LDNS in einem Demonstrations-Experiment nachgewiesen. Während des Experiments wurde die energieabhängige Abschwächung einer Cadmium Probe gemessen, was die Bestimmung ihrer Position im Neutronenbild ermöglichte.

Es wird auch ein Konzept für den Betrieb hocheffizienter LDNS auf der Grundlage von laserbeschleunigten Elektronenstrahlen vorgestellt. Diese Quellen sind als kompakte LDNS im Labormaßstab sehr vielversprechend. Es konnte gezeigt werden, dass elektronenbasierte Quellen bei niedrigen Laserpulsenergien höhere Konversionseffizienzen bieten sollten als ionenbasierte Quellen.

Schließlich wurde eine neue Methode zur Analyse und Berechnung von Neutronenfluenzen auf Basis von Bubble Detektor Messungen entwickelt. Die Methode wurde zur Analyse der Messergebnisse der Characterisierungskampagne verwendet. Monte-Carlo-Simulation experimenteller Messungen weisen eine gute Übereinstimmung mit den aus Bubble Detektor Messung errechneten Neuronenfluenzen auf. Die mit der neuen Methode berechneten Neutronenfluenzen sind bis zu 55 % niedriger als Fluenzen die mit bisher etablierten Methode berechnet wurde.