Laser-driven proton-Boron nuclear fusion with nanostructured targets

The study of the nuclear fusion reaction between Hydrogen and Boron has recently undergone a growing revival of interest, mostly due to the observation of high fusion yields in laser-driven experiments, in particular in the direct irradiation, or in-target configuration. The majority of this experiments are however conducted using simple solid density Boron Nitrate targets, in which the hydrogen is present only as contaminant. It appears that there is a significant margin for the optimization and improvement of the target material, both in term of increasing its hydrogen content, and of optimizing the laser absorption efficiency. Accordingly, in this work, a set of advanced double layer targets (namely Boron foam on Polypropylene, Boron and Polyethilene foam on Polypropylene and Polyethilene foam on Boron Nitrate) for laser-driven proton Boron fusion were produced using the Pulsed Laser Deposition technique at Politecnico di Milano, and subsequently tested under irradiation using the TARANIS laser system at Queen’s university Belfast. In this experimental campaign, these novel targets have shown normalized fusion yields that are beyond the current state-of-the art level. In particular, the highest alpha particles yield obtained is of 3.3 · 10^8 α/sr/J, almost an order of magnitude larger than the highest yield in literature up to now, of 5 · 10^7 α/sr/J. A second experimental proton Boron fusion campaign was subsequently carried out exploiting the PERLA B table-top laser system hosted at the Hilase centre, Prague, and was aimed to compare the yields under very different irradiation condition (peak intensity, pulse energy and duration), reported normalized yields of 5 · 10^5 α/sr/J and confirmed the possibility of developing a compact multi-MeV alpha particle source with a rate of production of almost 10^7α/s.

Lo studio della reazione di fusione nucleare tra i nuclei di Idrogeno e Boro ha recentemente subito una crescente ripresa dell’interesse a riguardo, principalmente a causa dell’osservazione di alte rese di fusione in esperimenti indotti da Laser, in particolare nella configurazione di irraggiamento diretto, o in-target. La maggior parte di questi esperimenti tuttavia è condotta utilizzando semplici bersagli solidi di Nitruro di Boro, in cui l’Idrogeno è presente solo come contaminante. Appare quindi evidente che si abbia ancora un significativo margine di miglioramento del materiale del target, sia in termini di incremento del contenuto di idrogeno, sia di ottimizzazione dell’efficienza di assorbimento del laser. In questo lavoro, un set di target innovativi a doppio strato (nanofoam di Boro su substrato di polipropilene, nanofoam di Boro e polietilene su substrato di polipropilene, e nanofoam di polietilene su substrato di Nitruro di Boro) per esperimenti di fusione protone-Boro indotta da laser è stato prodotto utilizzando la tecnica della Pulsed Laser Deposition presso il Politecnico di Milano, e successivamente testati sotto irradiazione con il laser TARANIS presso la Queen’s University di Belfast. In questa campagna sperimentale, questi nuovi bersagli hanno mostrato rese di fusione normalizzata che sono oltre i livelli dello stato dell’arte attuale. In particolare, la resa di particelle alfa più alta ottenuta è di 3.3·10^8 α/sr/J, quasi un ordine di grandezza più grande del valore più alto ottenuto fino ad ora in letteratura, di 5 · 10^7 α/sr/J. Una seconda campagna sperimentale è stata successivamente svolta utilizzando il sistema laser compatto PERLA B presso il centro di ricerca Hilase di Praga, mirata a confrontare le rese sotto condizioni di irraggiamento molto diverse (in termini di intensità di picco, energia e durata dell’impulso), e ha riportato rese normalizzate di 5 · 105 α/sr/J e confermato la possibilità di sviluppare una sorgente ultra-compatta di particelle alfa a diversi MeV, con un tasso di produzione di quasi 10^7 α/s.