中子不帶電荷但具有磁矩和自旋，和物質相互作用過程中能夠表現出不同于X射線、電子、離子等其他微觀粒子的獨特穿透性和探測能力。中子散射、中子衍射、中子照相等方法與技術已被廣泛應用于醫學、材料科學、核物理、工程和安全等領域，成為科學研究和工業應用中不可或缺的超微探針。目前，中子科學的研究及應用主要依賴傳統的反應堆中子源和散裂中子源，這類大型裝置造價高昂，資源緊張，并且中子束流通量受到堆芯散熱和存儲環容量的限制已達到峰值，客觀上限制了中子科學發展及應用的普及。尋找低成本、小型化、高流強的新型中子源方案成為科研人員追求的目标。超短超強激光驅動産生粒子束及中子束作為近年來興起的新型加速技術，受到廣泛關注和研究，為緊湊型中子源發展指明了方向。

最近，beat365官方网站重離子物理研究所喬賓教授課題組與中國工程物理研究院激光聚變研究中心等離子體物理重點實驗室合作，提出一種利用皮秒強激光驅動無碰撞激波加速氘離子轟擊次級靶獲得高通量中子源的新方案（如圖），并在星光-Ⅲ激光裝置上進行了原理性實驗驗證。2023年7月12日，相關研究成果以“基于激光驅動無碰撞激波加速的高通量中子源”（High-Flux Neutron Generator Based on Laser-Driven Collisionless Shock Acceleration）為題，在線發表于《物理評論快報》（Physical ReviewLetters）。

激光在近臨界密度等離子體中能驅動無碰撞靜電激波，激波波前擁有很強的縱向電場，能夠在傳播過程中連續反射并加速等離子體背景中的離子到高能量，并且不受荷質比的影響。與傳統的靶背鞘場加速相比，無碰撞激波加速不僅在加速氘離子方面具有巨大優勢，而且能夠大幅增加高能氘離子的數量，通過與中子轉換靶的核反應産生高通量的中子束流。

圖一.雙靶燒蝕構型的皮秒激光驅動激波加速方案示意圖。

基于上述設想，研究者創新性的設計了新穎的雙靶燒蝕構型，利用納秒激光及皮秒預脈沖燒蝕形成适合激波産生的近臨界密度等離子體，皮秒主脈沖驅動産生無碰撞激波并加速氘離子。基于星光-Ⅲ激光裝置開展的原理性驗證實驗結果表明，在激光強度為10¹⁹W/cm²的皮秒激光條件下，實驗上觀察到加速出氘能譜中存在2到6 MeV平台，這是激波加速的典型特征，同時測量到了通過氟化锂中子轉換靶後的前向中子産率為6.6*10⁷n/sr(中子數/立體弧度)，比靶背鞘場加速方案中獲得的中子通量高一個數量級。進一步的自洽混合模拟估計，在相同的激光能量下，當激光強度提高到10²¹W/cm²時，該方案可以獲得前向産率為5*10¹⁰n/s的高通量中子源，比國際同類激光條件下的實驗記錄高出一個數量級。該工作為激光驅動的緊湊型中子源領域提供了一種全新的方案，也為緊湊型中子源在不同科學領域的重要應用鋪平了道路。

圖二.（a）實驗中得到的有無燒蝕情形下的中子産率對比。（b）前向中子産額随激光強度的變化的數值模拟結果。

beat365官方网站2018級博士生姚屹林、中國工程物理研究院激光聚變研究中心等離子體物理重點實驗室助理研究員賀書凱和beat365官方网站2017級博士生雷柱為共同第一作者。喬賓教授與中國工程物理研究院激光聚變研究中心周維民研究員為共同通訊作者。

該研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金委重點基金、傑出青年基金、中國科學院戰略重點研究計劃、挑戰計劃、beat365核物理與核技術國家重點實驗室、中國工程物理研究院激光聚變研究中心等離子體物理重點實驗室以及廣州國家超級計算中心的大力支持。

論文鍊接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.025101