Кластер представляет собой совокупность атомов или молекул, объединенных силами Ван-дер-Ваальса, занимающий промежуточное состояние между отдельными атомами и твердым телом, характеризующийся твердотельной плотностью вещества в кластере, концентрацией кластеров в среде до 10¹⁴ см^-3, средним размером отдельного кластера 1-100нм.

При взаимодействии фемтосекундного лазерного импульса с кластером, атомы последнего ионизируются за счет надбарьерной ионизации, неупругих электрон-ионных столкновений, термоэмиссии, механизма «поджига». Образуется плазма твердотельной плотности. Вследствие вылета определенной части электронов за пределы кластера внутри образуется нескомпенсированный положительный заряд ионов. Кластер начинает расширяться. Плотность электронов в кластерной плазме падает. При достижении значения трех критических плотностей возникает резонанс частот лазерного поля и поверхностных пламенных колебаний, выражающийся в резком нагреве электронной подсистемы за счет процессов обратного тормозного излучения. Происходит обдирание ионов до высоких зарядовых состояний. Таким образом, возникает значительный нескомпенсированный положительный ионный заряд, что приводит к так называемому кулоновскому взрыву кластера. В результате резонансного нагрева и кулоновского взрыва образуются горячие электроны с энергией несколько кэВ и многозарядные ионы с энергией порядка МэВ.

Появление ионов с энергией нескольких МэВ можно использовать для инициирования ядерных реакций. Рассмотрим динамику ионов после кулоновского взрыва кластера. Пусть в объеме было N кластеров состоящих из n атомов. Тогда, качественно, при взрыве образуется nN ионов, летящих по всем направлениям. Неизбежны процессы столкновения ионов друг с другом. В случае использования кластеров, содержащих дейтерий, возможно протекание ядерной реакции:

При этом энергия образующегося нейтрона принимает характерное значение 2.45 МэВ. В таком случае можно использовать кластерную среду как источник нейтронов.

 

 

 

Нейтроны синтеза регулярно образуются в лазерно-индуцируемой плазме в крупномасштабных лазерных установках, обычно в экспериментах по инерционному удержанию плазмы. Выход нейтронов в таких экспериментах может быть довольно значительным - вплоть до 5*10⁹. Такое значение было получено в экспериментах при использовании лазера Nova с энергией 30кДж. Однако такие эксперименты ограничены использемыми лазерными установками, которых насчитывается всего в мире с десяток. Аналогичный выход (10⁸) показал эксперимент с использованием японского лазера Gekko XII с энергией 7кДж. В среднем типичный выход нейтронов в установках такого рода менее 10⁵ нейтронов на Дж энергии падающего излучения.

Недавно пикосекундные лазеры петаваттного класса (10¹⁵Вт) продемонстрировали возможность формирования высокого количества нейтронов при фокусировке излучения до сверхвысоких интенсивностей (более 10²⁰Вт/см²). Хотя большинство таких нейтронов формироется за счет фотоядерных процессов и обнаруживает широкий энергетический спектр, порядка 6*10⁴ термоядерных нейтронов было зафиксировано при облучении твердотельной дейтерированной пластиковой мишени 500Дж 5пс-импульсом.

В дополнение к результатам, полученным при использовании мощных лазеров, стоит упомянуть о получении небольшого выхода нейтронов (порядка 140 нейтронов за выстрел) при облучении дейтерированного пластика 100фс-импульсом с энергией 200мДж, сфокусированного до интенсивностей 10¹⁸Вт/см².

В 1999г был проведен эксперимент по генерации нейтронов при взаимодействии фемтосекундного лазерного излучения с кластерами дейтерия. Появление нейтронов детектировалось по появлению в спектре характерной линии 2.45МэВ. Спектр измерялся методами TOF-спектроскопии. Эффективность генерации нейтронов в проведенном эксперименте составила 10⁵ нейтронов на Дж падающей энергии. Что сравнимо с эффективностью процессов генерации в крупномасштабных лазерных системах управляемого лазерного синтеза. Таким образом можно рассматривать кластерные среды как перспективный компактный источник нейтронов.