由大阪大学激光科学研究所的余语觉文教授和量子科学技术研究开发机构的早川岳人高级研究员、日本原子能研究开发机构的小泉光生经理、福井工业大学工学部的西村博明教授等人组成的研究团队研究发现，使用激光产生中子时的激光聚光强度和产生的中子数量之间，存在中子数与激光聚光强度的四次方成正比而急速增加的规律。根据上述规律，可确定10的11次方的中子可以由一次激光激励产生。使用中子共振吸收进行非破坏性测量，可以测得元素的种类和数量。由于可实现瞬间照射，因此检查对象范围或可扩大至动态的物质和产品等。预计此项成果将有助于实现在无需加速器和放射性同位素的研究室中进行中子照射试验。该成果已在美国物理学会发行的“Physical Review X”上于1月31日公开。
图1.实验方法概念图。在1.8米处，使用探测器测量激光产生的中子。根据其间设置的样品的元素种类，发生中子吸收。可根据其吸收（谷）的能量来鉴定种类，可根据吸收谷的深度来评估数量。（供图：大阪大学激光科学研究所余语觉文教学）
中子是构成原子核的不带电荷的粒子，与具有电荷的质子等相比，更容易与射入的物质直接反应。中子由中子源生成并射出，可利用穿透测量和各元素反应不同的性质，用于元素分析等用途。虽然核反应堆、加速器、放射性同位素等均可作为中子源，但规模较大，且放射性同位素存在成本昂贵、且难以控制等问题。
其中，有一种生成中子的方法，是通过将高强度的激光聚光至物质上来加速质子，并照射到特定的物质上，通过核反应生成。该方法与传统方法相比，能够在小规模条件下实现，因此有望得到实用化。已知，可通过提高激光的聚光强度生成更高温的等离子体，并增加中子的数量。另一方面，尽管已经有了在各种附加条件下的研究成果，但如何确定激光聚光强度以及产生的中子数量尚未明确。
研究团队在此次研究中，详细调查了迄今为止的研究成果中涉及的各种条件，并使用大阪大学激光科学研究所的大功率激光“LFEX”，对各种条件再次进行了实验。
研究团队发现了尽管实验条件差异极小，但生成的中子数量却能相差一个数量级的条件。对该条件改变各种参数进行实验后发现了“激光聚光强度四次方定律”的存在——产生的中子数与聚光强度的四次方成正比，并成功建立了解释此种现象的理论模型。
此外，根据该定律，团队使用高亮度中子脉冲（10的11次方中子），结合飞行时间测量法，利用中子共振吸收，实际进行了物质的非破坏性分析实验。具体来说就是，利用激光中子源的特点，构建了在1.8米距离处的检测器测量激光生成中子的实验系统。将薄板状的铟、钽、银进行重叠并使用中子穿透，以此测量能量。而在传统的中子源中，这条分析线需要数十米。
结果表明，能够捕捉到可表示与3种金属分别对应的能量的中子吸收峰值。相邻金属的峰值数量eV的差可分离，且激光中子源可识别未知材料的元素及测量其数量。
到目前为止，例如使用加速器时，需要用约20米的射线进行1次测量需要4～5小时，但激光中子源不仅可以大幅缩小尺寸，还可以在100纳秒内完成1次测量。因此，即便在动态装置等中也可以扩大测定对象范围，且可通过检测原子核振动来测定其瞬间温度。由于中子不具有电荷，因此对运行中的设备等的影响很小，也有望用于产品开发。
余语教授表示：“现在使用的激光一天只能振荡数次，我们正致力于将激光振荡的结构改为半导体和透明陶瓷，以构建大幅提高频率的实验系统。今年之内将进行第一次激光振荡，预计于2～3年内完成小型装置的开发。若成功实现，研究室以及目前未拥有核反应堆的发展中国家也有望引进该装置。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
杂志：Physical Review X
论文：Laser-driven Neutron Generation Realizing Single-Shot Resonance Spectroscopy
URL：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.011011#fulltext
