آیا لیزرها می توانند عناصر سنگین تولید شده در ادغام ستاره های نوترونی را سنتز کنند؟ - دنیای فیزیک

آیا لیزرها می توانند عناصر سنگین تولید شده در ادغام ستاره های نوترونی را سنتز کنند؟ - دنیای فیزیک

تمبر زمان: 19 مارس 2024، 5:30 صبح


عکسی از داخل اتاقک هدف در آپولون که سهمی خارج از محور و برخی از تشخیص ها را نشان می دهد.
کارزار آزمایشی بر روی تولید نوترون در آپولون: داخل محفظه هدف که سهمی خارج از محور و برخی تشخیص‌ها را نشان می‌دهد. (با احترام: جولین فوکس)

یک فرآیند اخترفیزیکی که عناصر سنگین‌تر از آهن را ایجاد می‌کند، ممکن است حتی از آنچه قبلاً تصور می‌شد، برای بازتولید در آزمایشگاه چالش‌برانگیزتر باشد - اما غیرممکن نیست. این نتیجه‌گیری محققان آزمایشگاه استفاده از شدت لیزر (LULI) در فرانسه است که گزارش می‌دهند شرایط بازتولید که معمولاً در طول ادغام ستاره‌های نوترونی مشاهده می‌شود، نیازمند بهبودهای عمده در منابع پروتون و نوترون است. آنها می گویند که این بینش بسیار مهم است، زیرا چارچوب واقعی تری را برای تلاش های آینده برای تکرار فرآیندهای ستاره ای فراهم می کند.

بسیاری از عناصر سنگین تر از آهن از طریق به اصطلاح تشکیل می شوند r-فرآیند، جایی که r به جذب سریع نوترون اشاره دارد. این فرآیند زمانی اتفاق می افتد که دو ستاره نوترونی با هم ادغام می شوند و تعداد زیادی نوترون آزاد ایجاد می کنند. در این محیط‌های غنی از نوترون، هسته‌های اتمی نوترون‌ها را خیلی سریع‌تر از آن‌چه می‌توانند از طریق واپاشی بتا از دست بدهند، می‌گیرند (این اتفاق زمانی رخ می‌دهد که هسته یک الکترون یا پوزیترون پرانرژی ساطع می‌کند و در نتیجه یکی از نوترون‌هایش را به پروتون تبدیل می‌کند).

دانشمندان بر این باورند که r-فرآیند منشأ تقریباً نیمی از تمام عناصر سنگین موجود در جهان امروزی است. با این حال، شرایط دقیق مورد نیاز برای تسهیل جذب سریع نوترون به طور کامل شناخته نشده است. این به این دلیل است که تولید شارهای نوترونی با چگالی بسیار بالا که برای ایجاد ایزوتوپ های غنی از نوترون در آزمایشگاه مورد نیاز است بسیار دشوار است.

یک سیستم لیزری چند پتاوات نسل بعدی

خبر خوب این است که منابع نوترونی لیزری (پالسی) می توانند انواع پرتوهای نوترونی مورد نیاز را تولید کنند. در رویکرد توسعه یافته توسط ویتچ هورنی و همکاران در لولیچنین لیزری ابتدا پالس های نور فوق شدید را به سمت یک هدف جامد هدایت می کند. هورنی توضیح می‌دهد که این امر باعث می‌شود یون‌های هیدروژن از یک لایه آلاینده روی سطح هدف به کسر قابل توجهی از سرعت نور شتاب دهند. سپس این یون های هیدروژن به سمت هدف ثانویه ساخته شده از طلا هدایت می شوند که هم به عنوان مبدل نوترون و هم به عنوان هدف جذب نوترون عمل می کند.

برخلاف روش سنتی که دوترون‌ها [یون‌های هیدروژن سنگین] را برای واکنش‌های همجوشی در یک مبدل با عدد اتمی کم (به عنوان مثال، مبدل ساخته شده از بریلیم) برای آزاد کردن نوترون‌ها تسریع می‌کند، رویکرد ما از یک سیستم لیزری چند پتاواتی نسل جدید استفاده می‌کند. هورنی می گوید که فرآیند پوسته ریزی کارآمدتری را در مواد با عدد اتمی بالا آغاز می کند دنیای فیزیک. در اینجا، پروتون‌هایی که در محدوده صدها مگاالکترون ولت (MeV) به سمت انرژی شتاب می‌گیرند، به هسته‌ای سنگین برخورد کرده و تعداد بیشتری نوترون آزاد می‌کنند.»

راه های افزایش تولید نوترون

Horný می گوید که هدف از این روش، که در شرح داده شده است بررسی فیزیکی ج، افزایش قابل توجهی تولید نوترون است. او و همکارانش با استفاده از شبیه‌سازی‌های عددی محاسبه کردند که لیزرهای موجود در حال حاضر تعداد ناچیزی ایزوتوپ‌های غنی از نوترون را تولید می‌کنند (که حداقل دو نوترون بیشتر از هسته اولیه هسته دارند).

با این حال، اگر نوترون‌ها تا انرژی‌های بسیار کم (20 میلی‌الکترون ولت، مربوط به دمای هیدروژن جامد) آهسته شوند، تعداد ایزوتوپ‌های خوب ممکن است. چنین سرعت های آهسته ای احتمال دستگیر شدن نوترون ها را افزایش می دهد. لیزر همچنین باید برای چندین ساعت در فرکانس 100 هرتز پالس شود.

اینها همه سفارشات بلند هستند، اما هورنی تسلیم نمی شود. علیرغم این که منابع پروتون و نوترون کنونی مانع از مشاهده کوتاه مدت rاو می‌گوید: فرآیند از طریق منابع نوترونی مبتنی بر لیزر، کار ما زمینه‌های مهمی را ایجاد کرده است. همچنین دلایلی برای امیدوار بودن در مورد پیشرفت تکنولوژی وجود دارد. به عنوان مثال، Horný به یک جریان در حال انجام اشاره می کند پروژه در دانشگاه ایالتی کلرادو در ایالات متحده، جایی که محققان در حال ساخت دو لیزر 200 ژول، 100 فمتوثانیه، 100 هرتز هستند. او می گوید که این پروژه "نماینده یک گام مهم به جلو است".

هورنی اضافه می‌کند که شار شدید نوترون‌ها که تیم توضیح داد می‌تواند کاربردهای دیگری نیز داشته باشد. اینها شامل بازسازی ترکیب عنصری ماده با استفاده از رادیوگرافی تشدید نوترونی سریع است. فعال سازی سریع نوترون؛ و نوترون درمانی سریع در پزشکی.

تیم LULI اکنون در حال آماده سازی برای ساخت منبع لیزری پیشنهادی خود با امید به دستیابی به پارامترهای نوترونی رکوردشکنی با استفاده از سیستم لیزر آپولون. هورنی به نوبه خود به این منطقه نقل مکان کرده است زیرساخت نور شدید-فیزیک هسته ای (ELI-NP) در رومانی، جایی که کار او به عنوان یک دانشمند پژوهشی بر پیشبرد شتاب الکترون و یون و همچنین تولید تشعشعات پرانرژی از برهمکنش های لیزر-پلاسما متمرکز خواهد بود. او می گوید که نقش جدید شامل کاوش منابع مختلف ذرات ثانویه از جمله نوترون ها است.

تمبر زمان:

بیشتر از دنیای فیزیک