Laser-driven neutron sources : a fIrst numerical investigation

Neutron beams serve an important role in many research fields, including nuclear energy, material science and medical applications. Nowadays, the neutron fluxes are mainly provided by research reactors or by conventional accelerators. These latter accelerate light ions against proper converters, in order to exploit nuclear reactions of the types (p,n), (p,p’,n) and (d,n). The neutron fluxes made avail- able from these conventional sources are exploited in order to perform techniques like the crystal lattice analysis, the “neutron activation analysis”, the neutron radiography or the “boron neutron capture therapy” (an innovative medical ap- plication of the neutron beam). Until recently, the experimental access to a high neutron flux was exclusive to reactor and accelerator-based facilities. In the past few years, the availability of tabletop particle sources based on high intensity lasers has enabled the realization of an alternative high flux neutron genera- tors. Laser-driven ion acceleration relies on ultra-intense (I > 10 18 Wcm −2 ), ultra-short (∼10 fs - ps) laser pulses interacting with solid targets. Employing a compact table-top laser (∼ tens of TW of power), it is possible to generate pro- ton bunches characterized by an exponential energy spectrum with maximum energy of some MeV. These energies are suitable for inducing proton-neutron reactions in appropriate targets. Beryllium or lithium are the two main con- verters suggested by the literature, because of the high values of the (p,n) cross section in this range of energy. If compared with the conventional neutron sources, laser-driven sources should offer many advantages: the compactness, which leads to more maneuverability and the possibility to develop a portable sources; the simplification of the ex- perimental set-up; the reduction of radioprtection issues; the reduction of the costs (in particular if compared with the construction and the operation of a nuclear reactor). The purpose of this thesis work is a numerical investigation, performed with the Monte-Carlo code Geant4, on how the variations of the physical parameters of a laser-driven system could affect the generation of neutrons. In particular, in the simulations implemented, low energy proton beams ( ∼ MeV) impinge on beryllium or lithium converters. Since the numerical tool is essential to the development of the work, a detailed investigations of its behaviour and a benchmark between its outputs and the experimental or theoretical data from literature is carried out. After ensuring about the reliability of the code, comparisons between monoen- ergetic and laser-driven proton beam impinging on the converters are carried out. As a parameter of comparison, the mean energy of the exponential energy spectrum of the laser-driven proton beam is setted equal to the energy of the monoenergetic beam. Considering the same number of protons impinging on the iconverters, a comparison between the neutron yields, energy spectra and angu- lar distributions arising from the two cases is performed. Moreover, a study of how the converter thickness influences the neutron production is accomplished, with the aim of searching for the optimum solution. Finally, considering the obtained neutron fluxes, a list of possible applications that it could be realistic to realize with laser-driven sources are presented, also in sight of the future improvement of the technique

Le sorgenti di neutroni ricoprono un ruolo sempre più importante nella ricerca, in quanto vengono impiegate in applicazioni che spaziano dalla produzione di en- ergia (reattori a fissioni), all’analisi dei materiali e alle applicazioni medicali. Al giorno d’oggi i flussi neutronici vengono prodotti tramite l’utilizzo di reattori di ricerca, o sfruttando reazioni nucleari del tipo (p,n) (d,n) (p,p’n) indotte da ioni leggeri carichi accelerati contro opportuni convertitori. I flussi neutronici resi disponibili da queste sorgenti sono comunemente utilizzati per l’esecuzione di tecniche come l’analisi dei reticoli cristallini, la “neutron activation analysis”, le radiografie neutroniche o la “boron neutron capture therapy” (un’ applicazione medicale basata sull’uso dei neutroni per trattare particolari tumori non trat- tabili con le tecniche convenzionali). Negli ultimi anni è stato dimostrato come le sorgenti basate su laser ad alta intensità possano essere sfruttate per la produzione di elevati flussi neutron- ici. L’accelerazione di ioni tramite laser si basa su impulsi ultra-intensi (I > 10 18 Wcm −2 ), ultra-corti (∼10 fs - ps) focalizzati su target solidi. Sfruttando laser compatti “table-top” di potenze dell’ordine di decine di TW, è possibile accelerare ioni, in particolare protoni, caratterizzati da uno spettro di energia esponenziale, che si estende a energie dell’ordine di qualche MeV. Queste energie sono l’ideale per indurre reazioni nucleari di tipo (p,n) in opportuni convertitori e, considerando i loro alti valori delle sezioni d’urto (p,n), i principali materiali suggeriti dalla letteratura sono il berillio e il litio. Se paragonati alle convenzionali sorgenti neutroniche, le sorgenti basate sui laser potrebbero offrire molti vantaggi. Primo su tutti la compattezza, che offre una maggiore maneggevolezza permettendo di pensare a una portabilità della sorgente, risolvendo cosı̀ il problema di dover effettuare misure e appli- cazioni in-situ. Un altro vantaggio è la semplificazione del set-up sperimentale e la riduzione dei problemi legati alla radioprotezione. Infine tramite un sis- tema laser-driven è possibile un abbattimento dei costi (a differenza dei costi di costruzione e gestione di un reattore nucleare, che sarebbero molto più alti). L’obiettivo del lavoro di tesi è uno studio numerico, effettuato tramite il codice Monte-Carlo Geant4, su come la variazione di diversi parametri fisici di un sis- tema laser-driven possa influenzare la resa, lo spettro di energie e le distribuzioni angolari dei neutroni emessi. Nelle simulazioni implementate, fasci di protoni a bassa energia (∼ MeV) urtano su dei convertitori di berillio o di litio. Dal mo- mento che lo strumento numerico è di fondamentale importanza nello sviluppo del lavoro, è stato effettuato uno studio dettagliato del suo comportamento e una validazione dei suoi output con risultati sperimentali o teorici presi dalla letteratura. Dimostrata affidabilità del codice, è stato effettuato un paragone tra fasci di pro- iiitoni monenergetici e accelerati da laser. Come parametro di paragone, l’energia media dello spettro esponenziale da laser è stata posta uguale all’energia del fascio monoenergetico. Inoltre è stato effettuato uno studio su come lo spessore del convertitore possa influenzare la produzione di neutroni, con lo scopo di ricercare la soluzioni ottimale in termini di resa. Infine, considerando i flussi neutronici ottenuti da queste simulazioni, nell’ultima parte della tesi viene presentata una lista di possibili applicazioni potenzial- mente eseguibili con sorgenti di neutroni da laser, tenendo conto anche dei futuri sviluppi della tecnica.