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High Repetition-Rate Laser-Driven Particle Generation – Towards High Flux Fast Neutron Sources

Treffert, Franziska (2024)
High Repetition-Rate Laser-Driven Particle Generation – Towards High Flux Fast Neutron Sources.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023183
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

High-flux, high repetition-rate pulsed neutron sources are of interest for probing studies such as neutron-induced damage processes in materials employed and considered for shielding purposes in fusion reactors. Simulating the effect an intense neutron flux has on such materials will ultimately guide designs for future fusion reactors. Laser-driven neutron sources employing petawatt laser systems show great potential to fulfill the need for such a neutron source. One of the most common approaches for neutron generation utilizing lasers as drivers is the pitcher–catcher geometry in which a directional ion beam is generated from a pitcher target and impinges on a catcher target producing neutrons through nuclear reactions within the catcher material. Despite the fact that neutron generation using such setups have only recently gained attention, it has so far shown the highest neutron yields using short-pulse lasers. To date, experiments predominantly studied neutron generation on a single shot basis, especially since the development of a high repetition-rate laser-driven neutron source faces a variety of challenges.

In this thesis, the individual components of a successful high repetition-rate laser-driven neutron source were investigated and developed. The focus of this work was especially the development of a stable target system compatible with high repetition-rate laser operations, the development of a design for the catcher target, allowing for optimization of ion beam-catcher overlap, and an efficient ion and neutron beam detection platform.

For this work, a robust version of the SLAC-developed converging liquid microjet target delivery systems was designed and fielded. This system was successfully implemented at two different laser facilities, surviving more than 1000 shots on target with no apparent damage to the nozzle or degradation of the liquid target. The liquid microjet system was implemented to study high repetition-rate deuteron acceleration from heavy water microjet targets at the ALEPH laser facility reaching average fluxes of 1×10^12 deuterons/sr/min at a repetition rate of 0.5 Hz. Stable deuteron acceleration over 60 shots was observed at varying laser energies on target, suggesting a more favorable scaling of the ion beam cut-off energy than currently established in the literature.

A flexible, repetition-rate compatible neutron generation platform was designed around a stackable catcher target, which can be adjusted based on laser parameters and experimental conditions. This specific design aims at enhancing the generation of high-flux, directional neutron beams. A flexible detector setup simultaneously monitors the ion and neutron beam emission characteristics to study their individual shot-to-shot parameter changes and the correlations between them. Employing cryogenic or ambient-temperature liquid jet targets as a pitcher enables high-repetition-rate operation.

This novel platform was successfully tested using cryogenic liquid deuterium jet targets at the Texas Petawatt laser facility demonstrating efficient generation of forward directed neutron beams with fluxes reaching 7.2×10^9 neutrons/sr within a narrow divergence angle of ±20◦. As such, this work lays the foundation for future high-repetition-rate experiments towards pulsed, high-flux, fast neutron sources for radiation-induced effect studies relevant for fusion science and applications that require neutron beams with short pulse duration for the probing of fast evolving processes complementary to X-rays.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2024
Autor(en): Treffert, Franziska
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: High Repetition-Rate Laser-Driven Particle Generation – Towards High Flux Fast Neutron Sources
Sprache: Englisch
Referenten: Roth, Prof. Dr. Markus ; Glenzer, Prof. Dr. Siegfried
Publikationsjahr: 25 Januar 2024
Ort: Darmstadt
Kollation: xvii, 148 Seiten
Datum der mündlichen Prüfung: 25 Januar 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00023183
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23183
Kurzbeschreibung (Abstract):

High-flux, high repetition-rate pulsed neutron sources are of interest for probing studies such as neutron-induced damage processes in materials employed and considered for shielding purposes in fusion reactors. Simulating the effect an intense neutron flux has on such materials will ultimately guide designs for future fusion reactors. Laser-driven neutron sources employing petawatt laser systems show great potential to fulfill the need for such a neutron source. One of the most common approaches for neutron generation utilizing lasers as drivers is the pitcher–catcher geometry in which a directional ion beam is generated from a pitcher target and impinges on a catcher target producing neutrons through nuclear reactions within the catcher material. Despite the fact that neutron generation using such setups have only recently gained attention, it has so far shown the highest neutron yields using short-pulse lasers. To date, experiments predominantly studied neutron generation on a single shot basis, especially since the development of a high repetition-rate laser-driven neutron source faces a variety of challenges.

In this thesis, the individual components of a successful high repetition-rate laser-driven neutron source were investigated and developed. The focus of this work was especially the development of a stable target system compatible with high repetition-rate laser operations, the development of a design for the catcher target, allowing for optimization of ion beam-catcher overlap, and an efficient ion and neutron beam detection platform.

For this work, a robust version of the SLAC-developed converging liquid microjet target delivery systems was designed and fielded. This system was successfully implemented at two different laser facilities, surviving more than 1000 shots on target with no apparent damage to the nozzle or degradation of the liquid target. The liquid microjet system was implemented to study high repetition-rate deuteron acceleration from heavy water microjet targets at the ALEPH laser facility reaching average fluxes of 1×10^12 deuterons/sr/min at a repetition rate of 0.5 Hz. Stable deuteron acceleration over 60 shots was observed at varying laser energies on target, suggesting a more favorable scaling of the ion beam cut-off energy than currently established in the literature.

A flexible, repetition-rate compatible neutron generation platform was designed around a stackable catcher target, which can be adjusted based on laser parameters and experimental conditions. This specific design aims at enhancing the generation of high-flux, directional neutron beams. A flexible detector setup simultaneously monitors the ion and neutron beam emission characteristics to study their individual shot-to-shot parameter changes and the correlations between them. Employing cryogenic or ambient-temperature liquid jet targets as a pitcher enables high-repetition-rate operation.

This novel platform was successfully tested using cryogenic liquid deuterium jet targets at the Texas Petawatt laser facility demonstrating efficient generation of forward directed neutron beams with fluxes reaching 7.2×10^9 neutrons/sr within a narrow divergence angle of ±20◦. As such, this work lays the foundation for future high-repetition-rate experiments towards pulsed, high-flux, fast neutron sources for radiation-induced effect studies relevant for fusion science and applications that require neutron beams with short pulse duration for the probing of fast evolving processes complementary to X-rays.

Alternatives oder übersetztes Abstract:
Alternatives AbstractSprache

Neutronenquellen mit hohen Fluss- und Repetitionsraten sind interessant für Anwendungen im Bereich der Materialwissenschaften, speziell Fusionsforschung, um den Effekt von hohen Neutronenflüssen in fusionsrelevanten Materialien zu simulieren. Petawatt-Lasergetriebene Neutronstrahlen haben die nötigen Eigenschaften und das Potential solche Studien zu ermöglichen. Die sogenannten "Pitcher-Catcher"-Konfiguration erzeugt gerichtete Ionenstrahlen mit Hilfe des Pitcher-Targets, die dann Neutronen durch nukleare Reaktion im Catcher-Targetmaterial produzieren. Obwohl die Neutronenproduktion in dieser speziellen Konfiguration erst seit kurzem genauer untersucht wird, erreicht sie bis heute die höchste gemessenen Neutronenausbeute mit Kurzpulslasern. Studien dazu sind hauptsächlich auf Einzelschussbasis durchgeführt worden und folglich sind mehrere Hürden auf dem Weg zu einer Laserneutronenquelle mit hoher Repetitionsrate zu überkommen.

Thema dieser Arbeit ist die Entwicklung der einzelnen Komponenten einer funktionstüchtigen Laserneutronenquelle mit hoher Repetitionsrate, mit Fokus auf der Entwicklung eines stabilen, kompatiblen Targetsystems, eines Catcher-Targets, welches die Optimierung der Neutronenproduktion erlaubt, und einer effizienten Detektorplatform für Ionen und Neutronen.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein robustes Targetsystem, basierend auf einem SLAC-entwickelten System, für konvergierende, flüssige Jets entwickelt. Dieses System wurde erfolgreich in zwei unterschiedlichen Hochleistungslasereinrichtungen getestet, ohne Anzeichen von Schäden am Targetsystem oder Degradierung der Qualität des Targets. Das Jet-Targetsystem wurde am ALEPH Laser zur Beschleunigung von Deuteronen aus schwerem Wasser mit einer Repetitionsrate von 0.5 Hz und einer mittleren Flussdichte von 1×10^12 Deuterons/sr/min verwendet. Gemessenen Spektren erreichten vergleichbare Enegien und Flüssen über 60 konsekutive Schüsse für drei unterschiedliche Laserenergien. Eine Skalierungsmessung mit den durchschnittlichen Deuteronenspektren für die unterschiedlichen Laserenergien zeigt eine abweichende, möglicherweise günstigere Skalierung der maximalen Deuteronenenergie als bereits etablierte Skalierungen.

Ein anpassbarer Catcher für Neutronengeneration ist der zentrale Baustein einer flexiblen Neutronengenerationsplatform für hohe Repetitionsraten. Das Catcherdesign kann basierend auf Lasereigenschaften und experimentspezifische Konstellationen angepasst und geändert werden und ist optimiert für die Generation von gerichteten Neutronenstrahlen mit hohen Flussraten. Der flexible Detektorenaufbau vereinfacht die gleichzeitige, durchgängige Messung von Ionen- und Neutronenstrahlen und die Identifizierung von Korrelationen zwischen Ionen- und Neutronenstrahlemissionscharakteristiken. Hohe Repetitionsraten werden durch die Verwendung von kryogenen und flüssigen Jettargets als Pitcher-Target ermöglicht.

Die entwickelte Neutronenproduktionsplatform wurde erfoglreich mit kryogenen Deuteriumjetargets am Texas Petawatt Lasersystem getestet. Effiziente Neutronenproduktion mit einer gerichteten Komponente und maximalem Fluss von 7.2×10^9 Neutronen/sr und niedrigem Öffnungswinkel von ±20◦ wurden gemessen. Damit legt diese Arbeit den Grundstein für Experimente mit hohen Repetitionsraten auf dem Weg zur Realisierung einer gepulsten schnellen Neutronenquelle mit hoher Flussdichte und kurzer Pulsdauer. Diese Quelle wird Studien im Bereich der Fusionsforschung ermöglichen und zusätzlich als Diagnostik komplementär zu Röntgenstrahlen einsetzbar sein um kurzlebige Prozesse zu messen.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-231830
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Experimentelle Kernphysik
05 Fachbereich Physik > Institut für Kernphysik > Experimentelle Kernphysik > Laser- und Plasmaphysik
Hinterlegungsdatum: 25 Jan 2024 08:08
Letzte Änderung: 01 Mär 2024 13:36
PPN:
Referenten: Roth, Prof. Dr. Markus ; Glenzer, Prof. Dr. Siegfried
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 25 Januar 2023
Export:
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