高平均通量激光驱动中子源的突破性进展

《Nature Communications》：High average-flux laser-driven neutron source

本研究针对传统中子源存在设施庞大、成本高昂及重复频率低等问题，开发了一种基于激光尾波场加速（LWFA）的高重复频率中子源。通过将电子加速至百MeV能级并轰击钨转换器，利用轫致辐射光核反应产生中子，实现了7.8×107 n/sr/s的平均通量记录，较传统靶面法向鞘层加速（TNSA）方案提升3个数量级。该紧凑型源为时间分辨中子成像、放射性同位素生产等应用提供了新范式。

　　

在材料科学、医学成像和核安全等领域，高穿透性的快中子如同洞察物质内部的“超级透视眼”。传统中子源主要依赖核反应堆裂变或粒子加速器散裂反应，虽能产生10¹⁴-10¹⁷ n/cm2/s的高通量，但犹如需要专属供电的钢铁巨兽，基础设施庞大且运维成本惊人。紧凑型中子发生器虽改善了便携性，其中子产额和脉冲特性仍难以满足时间分辨应用需求。激光驱动中子源（LDNS）应运而生，它通过高能激光与物质相互作用产生中子，具有源尺寸小、脉冲短、峰值亮度高等独特优势。然而，现有LDNS方案如靶面法向鞘层加速（TNSA）驱动的“投手-捕手”方案，虽能产生较高单发中子产额，但受限于固体靶刷新速率，重复频率通常低于0.01 Hz，严重制约了其平均通量和实际应用潜力。

在此背景下，加拿大先进激光光源（ALLS）的Simon Vallieres等团队在《Nature Communications》发表研究，开创性地利用激光尾波场加速（LWFA）电子驱动光核反应，成功研制出平均通量达7.8×10⁷ n/sr/s的高稳定性中子源，较同类激光源提升超一个数量级。该源单发中子产额达3.9×10⁸，并在2.5 Hz重复频率下稳定运行，首次在同等激光参数下实现了对TNSA方案730倍的性能超越。

研究团队依托ALLS的150 TW钛宝石激光系统（3.2 J，22 fs，2.5 Hz），采用经过波前校正的f/15离轴抛物镜聚焦至氦氮混合气室，通过LWFA产生百MeV电子束。电子能谱由双磁铁谱仪标定，中子测量结合了气泡探测器（BD）、Victoreen 190N剂量计和中子飞行时间（nToF）探测器，并采用Geant4蒙特卡洛模拟验证实验结果。关键创新在于用气体靶替代固体靶，攻克了高重复频率运行的技术瓶颈。

电子能谱特征

实验测得电子能谱呈指数衰减分布，平均能量100 MeV，最高达400 MeV。总电荷量811±240 pC，对应（5.1±1.5）×10⁹个电子/发，激光-电子能量转换效率达2.6%。低能电子群的存在虽提示注入过程未达最优，但其对中子产生的贡献不可忽视。

中子角分布与能谱

Geant4模拟显示中子角分布与实验测量高度吻合，在0.2-15 MeV能区内单发产额3.1×10⁷ n/sr。钨靶厚度（3.5 cm）导致显著的后向中子发射（180°方向），这是由靶内（n,xn）散射所致。nToF测量揭示中子能谱峰值位于450 keV，平均能量1.0 MeV，且100次连续发射的涨落仅33%，证明了源的优异稳定性。

LWFA与TNSA方案对比

在相同激光参数下，LWFA方案中子产额较TNSA方案高730倍，归一化至初级粒子数后更高达4300倍。理论分析表明，该优势主要源于光子核反应截面（¹⁸⁴W(γ,xn)峰值510 mb）的宽谱特性及光子在高Z材料中的穿透深度（Δz_γ≈0.87 cm）远高于质子（Δz_p≈8 μm）。LWFA源的中子平均通量（3.0×10⁷ n/cm2/s）较TNSA（3.0×10⁴ n/cm2/s）提升三个数量级，其平均 brilliance（2.4×10⁶ n/cm2/s/sr）也更适用于成像等应用。

与现有LDNS性能对标

如表II所示，本研究在低于1 kJ激光能量的LDNS中创下平均通量最高记录（7.8×10⁷ n/sr/s）。虽单发产额（10⁸量级）低于部分千焦级激光装置（如Yogo等达10¹⁰ n/sr），但通过2.5 Hz高重复频率实现了通量指标的跨越。研究还揭示了中子产额与电子能量的线性缩放关系（N_n∝ε_e），预示未来采用400 TW、10 Hz激光系统可将通量进一步提升260倍。

本研究通过实验与模拟的有机结合，证实了LWFA驱动中子源在高平均通量、高稳定性方面的独特优势。其3×10⁷ n/cm2/s的等效热中子通量已可支持分钟量级快中子成像，而ns级脉冲宽度更适用于泵浦-探测等时间分辨研究。未来，通过优化电子注入（提升C_e至30%）、采用100 Hz激光系统，中子通量有望突破10¹³ n/s，使LDNS跻身加速器源高端阵营。这项工作不仅为核安全检测、放射性药物（如⁹⁹Mo）生产提供了新路径，更推动了激光技术向工业化应用的跨越。