A Szegedi Tudományegyetemen működő Nemzeti Lézeres Transzmutációs Laboratórium kutatócsoportja Dr. Osvay Károly vezetésével nemzetközileg egyedülálló módon igazolta, hogy kis energiájú lézerimpulzusokkal is lehet neutronsugárzást előállítani. A Nature Portfolio által kiadott Scientific Reportsban megjelenésre váró tanulmányban a szerzők az ELI ALPS SYLOS Experiment Alignment ultrarövid impulzusú lézerén 2022 nyarán végrehajtott kísérletsorozat eredményeit foglalták össze. Dr. Osvay Károly elmondta, hogy tavaly megtalálták a technikáját annak, hogy másodpercenként 1-1 lézerimpulzust folyamatosan lőjenek egy maguk fejlesztette céltárgyrendszerre, és ebből impulzusonként 1200-1500 neutront tartalmazó nyalábot hozzanak létre. Az idén befejezett új céltárgyrendszer-fejlesztés segítségével pedig júniusban napi 6-8 órán át tudtak másodpercenként 10 lézerimpulzussal lőni. Ezzel a neutronok lövésenkénti számát egy nagyságrenddel sikerült növelni, vagyis összességében százszorosára emelkedett a nagy energiájú neutronok száma a nyalábban. Ez a neutronsugár már alkalmas volt arra is, hogy az ELI ALPS orvosbiológiai kutatócsoportja biológiai mintákon végezzen kísérletet vele.

Neutronok kevesebb energiából

Dr. Osvay Károly kutatócsoportja a neutrongenerálási kísérletek során időben nagyon rövid és nagy csúcsintenzitású impulzusokat fókuszál egy elsődleges céltárgyra. A lézer plazmát kelt a céltárgy felületén, e plazmából a lézerimpulzus elektromágneses tere kigyorsítja az elektronokat, amelyek osztott töltésmezőt hoznak létre, és maguk után gyorsítják a céltárgyból származó deutériumionokat. Ezek az egyszeres nehéz hidrogénionok belecsapódnak a másodlagos céltárgyba, amelyben deutérium atomokkal találkoznak, és közöttük magfúzió következik be, ennek során pedig úgynevezett gyors neutronok (2,5MeV energiájú részecskék) lépnek ki.

Dr. Osvay Károly Fotó: Kovács-Jerney Ádám

A Scientific Reportsban megjelenésre váró eredmény proof of principle, vagyis alapelvi bizonyítása annak, hogy kisebb energiájú impulzusokkal is elérhető folytonos neutronnyaláb. A 20 mJ energiájú impulzust biztosító ELI ALPS-lézeren végzett kísérlet azért jelent áttörést, mert az eddigi kutatási paradigmában a kutatók a lehető nagyobb energiájú lézerek alkalmazásával törekedtek a neutronok előállítására.

– A legelső neutronkeltési kísérletet a livermore-i NIF-ben végezték, amely ma már fúziós lézerként üzemel. A mi 20 millijoule-nyi energiánkhoz képest százezerszer nagyobb, több kilojoule-os energiájú lézerimpulzusokat bocsátottak a céltárgyra az ionok gyorsításához. Emiatt a további kutatások is azt az utat követték, hogy nagy lézereket kell használni a neutronkeltéshez, mert azzal működik a dolog. Mi pedig gondoltunk egyet, és megnéztük, hogy egy másik paradigmával, „kis” lézerekkel megy-e, és ha igen, mennyire. Az eredményünk azt igazolja, hogy energiában tízezerszer kisebb impulzusokkal is lehet neutronokat kelteni – emelte ki Dr. Osvay Károly.

Milyen a jó céltárgy?

A neutronkeltési folyamat technikailag egyik legnagyobb kihívása a deutériumion gyorsításához használt elsődleges céltárgy fejlesztése volt. Ahol ugyanis az érkező lézerimpulzus plazmát keltett a céltárgynak használt 200 nanométer vastagságú fólián, ott az anyag kilyukadt, és mire a következő impulzus odaért, valahogyan fel kellett újítani.

Dr. Osvay Károly Fotó: Kovács-Jerney Ádám

– Ezt úgy mondjuk, hogy nagy ismétlési frekvenciájú céltárgyat kellett fejleszteni – folytatta Dr. Osvay Károly. – A megoldás az lett, hogy egy 25 centiméter átmérőjű tárcsán 200 nanométeres fóliával fedtünk be egy lyukrendszert, a kereket pedig forgatásra programoztuk be. Az a trükkje, hogy a forgó keréken a lyukaknak mindig pontosan a lézer fókuszába kell esniük, tíz mikrométeren belül. Ezért minden ötödik lyuknál megmértük a fólia helyzetét, majd minden ötödik lyuk után extrapoláltuk, és az egészet beprogramoztuk egy eltolórendszerbe. Míg a kerék forgott, a program utána számolt, hová kell tolni a következő lyuknál a fóliát, hogy meglegyen a 10 mikronos pontosság. Szép és érdekes kísérlet volt, ezzel 2022 nyarán sikerült 1 Hz ismétlési frekvenciával napi 1500-at lőnünk.

A megoldással a kutatócsoport lövésenként 1200-1500 kilépő neutront ért el, ami elegendő volt arra, hogy a jelenség proof of principle igazolására szolgáljon. A leleményes kerék azonban a másodpercenkénti egy impulzusnál nem bírt nagyobb ismétlési frekvenciát követni, ezért Dr. Osvay Károly és munkatársai a 2023-as kísérlethez az SZTE TeWaTi-laborjában új elsődleges céltárgyat fejlesztettek.

Neutronkeltési kísérlet 2023 júniusában az ELI ALPS lézeres kutatóközpontban

- Három hete ért véget a kísérleti kampány az ELI ALPS SYLOS Alignment lézerén, amely 10 Hz-es frekvenciával (másodpercenként 10 lövéssel) működik. Tavalyhoz képest nagyot ugrottunk előre: az új kísérleti elrendezésben már folyadéksugarak által előállított céltárgyra lőttünk. Otthon is ki lehet próbálni két slaggal: ha két folyadéksugár egy bizonyos szögben egymásra esik, akkor a hidrodinamika miatt a két sugár keresztirányban egy vékonyabb hártyát alakít ki. Mi 11 mikron átmérőjű vékony folyadéksugarakat lövünk össze; ezekből egy milliméter hosszúságú és körülbelül 0,3 milliméter szélességű, lándzsa alakú kis folyadékhártya alakul ki, ami a legvékonyabb helyen mindössze 200 nanométernyi. Ráadásul ezt vákuumban kell előállítani. A vákuumban pedig a folyadékgőz parciális nyomása gyakorlatilag nulla, vagyis nagyon-nagyon gyorsan párolog a folyadék, és ezért, ha nem teszünk megfelelő mérnöki, elrendezési óvintézkedéseket, akkor egy-két másodperc alatt befagy a sugár. Amint egy kicsit félremegy, elkezd spriccelni, és nem pont abba a fél milliméter átmérőjű kis lyukba talál be a folyadék, az egész dolog befagy, újra ki kell nyitni a vákuumkamrát, és csak úgy tudjuk megint elindítani a vízsugarat, ha ismét kiszivattyúztuk a levegőt. A maximális idő 6-7 óra volt, amit a jet befagyása nélkül sikerült elérnünk. 80 percenként azonban meg kellett szakítani a kísérletet, hogy a vákuumkamrában hidegcsapdaként szolgáló másfél literes folyékonynitrogén-tartályt feltöltsük, emiatt a hasznos idő csak 4,4 óra lett, de egy ipari alkalmazás esetén ez technikai részlet, amit másképp kell megoldani – mondta Dr. Osvay Károly.

Radiobiológiai kísérletet szolgált a kísérleti neutronforrás

A kutatóknak arra is fel kellett készülniük, hogy a folyadéksugarat elérő lézerimpulzus még a plazmaképződés előtt szó szerint meglöki egy kicsit a 200 nanométeres hártyát. A szegedi fizikus így beszélt erről:

- Kimértük, hogy az impulzusok milyen ismétlési frekvenciája okoz valamilyen rezonanciás lengedezést a hártyán. Azt találtuk, hogy 33 Hz, vagyis másodpercenként 33 impulzus körül tapasztalható rezonancia, tehát a 10 Hz zavartalan volt, és az év végi 1000 Hz is jó lesz; de persze 33 Hz-en nem fogunk lőni, mert ott lengedezik a folyadék. 10 mikronon belül kell tartani a pozíciót, a folyadékcseppek lengedezése pedig 15-20 mikrométer volt. A szempontunkból ez azt jelentené, hogy néha túl nagy, néha pedig túl kicsi lenne az érkező impulzus intenzitása.

A 10 Hz-es gyakoriságú lézerimpulzusokkal a tavalyi 1500-hoz képest idén nyáron egy nap alatt mintegy 200.000 lövés ért célba. Mivel a lézerimpulzusonkénti neutronszámot is sikerült a tavalyi 1000-1500-zal szemben 15-20 ezer neutronra emelni, így összességében az egy nap alatt előállított neutron dózist ezerszeresére növelték. A Nemzeti Lézeres Transzmutációs Laboratórium kutatócsoportja így nemcsak azt bizonyította be, hogy lehetséges kis energiájú lézerrel neutront kelteni, hanem azt is, hogy a keletkező neutronsugárzás tartósan 4-5 órán keresztül üzemeltethető.

Dr. Osvay Károly reméli, hogy a következő szakaszban az elért neutronhozamot újra jelentősen, százszorosára fogják növelni, mivel az év végére tervezett kísérletükben az ELI SYLOS 2 lézerét használják majd, amely 10 Hz helyett 1kHz-es ismétlési gyorsaságot tud biztosítani. Ez azt jelenti, hogy az eljárás teljesítménye a jelenlegi néhány 10 mGy-nyi neutrondózisról több gray-nyi dózisra növekszik majd. Ez olyan érték, amely komoly ipari és orvosi alkalmazásokat tesz lehetővé. Az ELI ALPS-ban már a kísérleti neutronforrásra is radiobiológiai kísérlet épült, amelynek kiértékelése jelenleg is zajlik (erről rövidesen hírt adunk).

Ezzel az ELI ALPS lézeres kutatóközpont történetében először zajlott több órán át tartó, kontrollszobából irányított „zárt” kísérlet. A sugárvédelmi szakemberek számítása szerint ilyen hosszú ideig és ilyen nagy neutronszám mellett, a kutatóknak ki kellett menniük a laborból; külön szobában elhelyezett számítógépeken és diagnosztikai eszközökön vezérelték a kísérletet.

Másodpercenként 10¹⁰ számú neutronnal indulhat az alkalmazás

A Nemzeti Lézeres Transzmutációs Laboratórium távlati célja, hogy lézeres alapon csökkentse az erőművekből kikerülő, kiégett nukleáris fűtőelemek radioaktív sugárzását. Ennek első lépése, hogy biztonságos neutronforrás előállítására fejlesszen lézeres technológiáját. A transzmutáció a kémiában egyik elemnek a másikba átalakulását jelenti; ilyen értelemben a lézerrel keltett neutronokon alapuló technológia a hosszú sugárzási idejű izotópok arányának csökkentésére lehet hasznos. A besugárzott neutronok hatására ugyanis a kiégett urán fűtőelemekben található, akár több százezer évig sugárzó aktinida izotópok olyan elemekre bomlanak szét, amelyeknek sugárzási időtartama néhány száz évre csökken.

Dr. Osvay Károly kérdésünkre megerősítette, hogy a kiégett reaktorelemek közvetlen besugárzása a nukleáris ipar szempontjából nem lenne gazdaságos. Az SZTE kutatója úgy gondolja, a lézeres neutronforrás egy úgynevezett szubkritikus reaktorban biztosítja majd a működést. A hagyományos reaktorhoz képest ez jóval biztonságosabb technológiát jelent, mivel stabil külső neutronforrás nélkül a szubkritikus reaktor soha nem indul el, és azonnal leáll, ha nem érkeznek neutronok. Dr. Osvay Károly szerint a stabil és biztonságos külső neutronforrás hiánya az egyik oka, hogy nem készült még ilyen termelő reaktor. Az ipari neutronforrások ugyanis jelenleg vagy maguk a nukleáris reaktorok, vagy pedig ciklotronokat és lineáris gyorsítókat használnak neutronkeltésre, ezek pedig technológiájukból fakadóan időről időre leállnak rövidebb-hosszabb ideig.

Dr. Osvay Károly szerint a Nemzeti Lézeres Transzmutációs Laboratóriumban fejleszteni kezdett lézeres neutronkeltési technológia közelebbi célja, hogy másodpercenként 10⁸ – 10¹⁰ számú neutront érjen el orvosi, anyagtudományi és autóipari alkalmazásokhoz. Ez pedig gyakorlatilag már karnyújtásnyira van, ráadásul olyan technológiával, amely önmagában nem radioaktív.

A Szegedi Tudományegyetemen működő kutatócsoport tagjai: Buzás Előd, Dr. Füle Miklós, Gaál Péter, Gilinger Tibor, Karnok Máté, Dr. Kovács Attila Pál, Dr. Mohácsi Árpád, Nagy Bence, Ter-Avetysian Sargis, Varmazyar Parvin.

Dr. Osvay Károly szerint a sikeres kísérleti eredmény nem jöhetett volna létre az ELI ALPS munkatársai és menedzsmentje segítő közreműködése nélkül, külön kiemelve a SYLOS lézeres csoportot, a vákuumtechnikai csoportot, a tudományos mérnöki csoportot, a sugárvédelmi csoportot, az IT-t, valamint Dr. Börzsönyi Ádám lézeres osztályvezetőt, Dr. Varjú Katalin tudományos igazgatót és Dr. Szabó Gábor ügyvezetőt.

Névjegy

Dr. Osvay Károly 1990-ben szerzett fizikus diplomát az SZTE jogelődje, a József Attila Tudományegyetem fizikus szakán. Lézerfizikai kutatási eredményeiért 1995-ben megkapta a fizikai tudományok kandidátusa MTA fokozatot. 2011-ben habilitált a Szegedi Tudományegyetemen (SZTE). Az első magyarországi terawatt teljesítményű lézerlaboratórium (SZTE TeWaTi) alapítója (1998) és vezetője. Összesen 8 évet töltött vezető nemzetközi kutatóintézetekben (RAL UK; Lundi Egyetem, Svédország; MBI, Berlin). 2008-11-ig az ELI Preparatory Phase tudományos projektmenedzsere, 2011-től az ELI ALPS tudományos munkacsoport vezetője, 2013-19 között kutatási technológiai igazgatója. Fő kutatási területe az ultrarövid lézerimpulzusok előállítása, azok alkalmazása, lézer-anyag kölcsönhatás, nemlineáris optika, lézeres részecskegyorsítás.

Panek Sándor

A borítóképen: Dr. Osvay Károly (SZTE), a Nemzeti Lézeres Transzmutációs Laboratórium vezetője. Kovács-Jerney Ádám