The advent of multi-PW laser facilities world-wide opens new opportunities for nuclear physics. With this perspective, we developed a neutron counter taking into account the specifics of a high-intensity laser environment. Using GEANT4 simulations and prototype testings, we report on the design of a modular neutron counter based on boron-10 enriched scintillators and a high-density polyethylene moderator. This detector has been calibrated using a plutonium–beryllium neutron source and commissioned during an actual neutron-producing laser experiment at the LULI2000 facility (France). An overall efficiency of 4.37(59)% has been demonstrated during calibration with a recovery time of a few hundred microseconds after laser–plasma interaction.
REFERENCES
1.
M.
Roth
, D.
Jung
, K.
Falk
, N.
Guler
, O.
Deppert
, M.
Devlin
, A.
Favalli
, J.
Fernandez
, D.
Gautier
, M.
Geissel
, R.
Haight
, C. E.
Hamilton
, B. M.
Hegelich
, R. P.
Johnson
, F.
Merrill
, G.
Schaumann
, K.
Schoenberg
, M.
Schollmeier
, T.
Shimada
, T.
Taddeucci
, J. L.
Tybo
, F.
Wagner
, S. A.
Wender
, C. H.
Wilde
, and G. A.
Wurden
, “Bright laser-driven neutron source based on the relativistic transparency of solids
,” Phys. Rev. Lett.
110
, 044802
(2013
).2.
I.
Pomerantz
, E.
McCary
, A. R.
Meadows
, A.
Arefiev
, A. C.
Bernstein
, C.
Chester
, J.
Cortez
, M. E.
Donovan
, G.
Dyer
, E. W.
Gaul
, D.
Hamilton
, D.
Kuk
, A. C.
Lestrade
, C.
Wang
, T.
Ditmire
, and B. M.
Hegelich
, “Ultrashort pulsed neutron source
,” Phys. Rev. Lett.
113
, 184801
(2014
).3.
D. P.
Higginson
, L.
Vassura
, M. M.
Gugiu
, P.
Antici
, M.
Borghesi
, S.
Brauckmann
, C.
Diouf
, A.
Green
, L.
Palumbo
, H.
Petrascu
, S.
Sofia
, M.
Stardubtsev
, O.
Willi
, S.
Kar
, F.
Negoita
, and J.
Fuchs
, “Temporal narrowing of neutrons produced by high-intensity short-pulse lasers
,” Phys. Rev. Lett.
115
, 054802
(2015
).4.
D. N.
Papadopoulos
, J. P.
Zou
, C.
Le Blanc
, L.
Ranc
, F.
Druon
, L.
Martin
, A.
Fréneaux
, A.
Beluze
, N.
Lebas
, M.
Chabanis
, C.
Bonnin
, J. B.
Accary
, B. L.
Garrec
, F.
Mathieu
, and P.
Audebert
, “First commissioning results of the Apollon laser on the 1 PW beam line
,” in 2019 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO)
(IEEE
, 2019
), Vol. 1–2.5.
S.
Weber
, S.
Bechet
, S.
Borneis
, L.
Brabec
, M.
Bučka
, E.
Chacon-Golcher
, M.
Ciappina
, M.
DeMarco
, A.
Fajstavr
, K.
Falk
, E.-R.
Garcia
, J.
Grosz
, Y.-J.
Gu
, J.-C.
Hernandez
, M.
Holec
, P.
Janečka
, M.
Jantač
, M.
Jirka
, H.
Kadlecova
, D.
Khikhlukha
, O.
Klimo
, G.
Korn
, D.
Kramer
, D.
Kumar
, T.
Lastovička
, P.
Lutoslawski
, L.
Morejon
, V.
Olšovcová
, M.
Rajdl
, O.
Renner
, B.
Rus
, S.
Singh
, M.
Šmid
, M.
Sokol
, R.
Versaci
, R.
Vrána
, M.
Vranic
, J.
Vyskočil
, A.
Wolf
, and Q.
Yu
, “P3: An installation for high-energy density plasma physics and ultra-high intensity laser–matter interaction at ELI-beamlines
,” Matter Radiat. Extremes
2
, 149
(2017
).6.
S.
Gales
, D. L.
Balabanski
, F.
Negoita
, O.
Tesileanu
, C. A.
Ur
, D.
Ursescu
, and N. V.
Zamfir
, “New frontiers in nuclear physics with high-power lasers and brilliant monochromatic gamma beams
,” Phys. Scr.
91
, 093004
(2016
).7.
S.
Gales
, K. A.
Tanaka
, D. L.
Balabanski
, F.
Negoita
, D.
Stutman
, O.
Tesileanu
, C. A.
Ur
, D.
Ursescu
, I.
Andrei
, S.
Ataman
, M. O.
Cernaianu
, L.
D’Alessi
, I.
Dancus
, B.
Diaconescu
, N.
Djourelov
, D.
Filipescu
, P.
Ghenuche
, D. G.
Ghita
, C.
Matei
, K.
Seto
, M.
Zeng
, and N. V.
Zamfir
, “The extreme light infrastructure–nuclear physics (ELI-NP) facility: New horizons in physics with 10 PW ultra-intense lasers and 20 MeV brilliant gamma beams
,” Rep. Prog. Phys.
81
, 094301
(2018
).8.
K. A.
Tanaka
, K. M.
Spohr
, D. L.
Balabanski
, S.
Balascuta
, L.
Capponi
, M. O.
Cernaianu
, M.
Cuciuc
, A.
Cucoanes
, I.
Dancus
, A.
Dhal
, B.
Diaconescu
, D.
Doria
, P.
Ghenuche
, D. G.
Ghita
, S.
Kisyov
, V.
Nastasa
, J. F.
Ong
, F.
Rotaru
, D.
Sangwan
, P.-A.
Söderström
, D.
Stutman
, G.
Suliman
, O.
Tesileanu
, L.
Tudor
, N.
Tsoneva
, C. A.
Ur
, D.
Ursescu
, and N. V.
Zamfir
, “Current status and highlights of the ELI-NP research program
,” Matter Radiat. Extremes
5
, 024402
(2020
).9.
S. N.
Chen
, F.
Negoita
, K.
Spohr
, E.
d’Humières
, I.
Pomerantz
, and J.
Fuchs
, “Extreme brightness laser-based neutron pulses as a pathway for investigating nucleosynthesis in the laboratory
,” Matter Radiat. Extremes
4
, 054402
(2019
).10.
S. R.
Mirfayzi
, A.
Alejo
, H.
Ahmed
, D.
Raspino
, S.
Ansell
, L. A.
Wilson
, C.
Armstrong
, N. M. H.
Butler
, R. J.
Clarke
, A.
Higginson
, J.
Kelleher
, C. D.
Murphy
, M.
Notley
, D. R.
Rusby
, E.
Schooneveld
, M.
Borghesi
, P.
McKenna
, N. J.
Rhodes
, D.
Neely
, C. M.
Brenner
, and S.
Kar
, “Experimental demonstration of a compact epithermal neutron source based on a high power laser
,” Appl. Phys. Lett.
111
, 044101
(2017
).11.
Y.
Arikawa
, M.
Utsugi
, M.
Alessio
, T.
Nagai
, Y.
Abe
, S.
Kojima
, S.
Sakata
, H.
Inoue
, S.
Fujioka
, Z.
Zhang
, H.
Chen
, J.
Park
, J.
Williams
, T.
Morita
, Y.
Sakawa
, Y.
Nakata
, J.
Kawanaka
, T.
Jitsuno
, N.
Sarukura
, N.
Miyanaga
, M.
Nakai
, H.
Shiraga
, H.
Nishimura
, and H.
Azechi
, “High-intensity neutron generation via laser-driven photonuclear reaction
,” Plasma Fusion Res.
10
, 2404003
(2015
).12.
E.
Guo
, J.
Chen
, J.
Xiong
, Z.
He
, C.
Wang
, H.
An
, X.
Huang
, W.
Wang
, and J.
Dong
, “A neutron-diagnostic method using a BF3 detector array for ultrashort-pulse-laser neutron sources in strong gamma-ray environments
,” J. Instrum.
14
, P10016
(2019
).13.
M.
Tarisien
, J. L.
Henares
, C.
Baccou
, T.
Bonnet
, F.
Boulay
, F.
Gobet
, M.
Gugiu
, F.
Hannachi
, S.
Kisyov
, C.
Manailescu
, V.
Meot
, F.
Negoita
, X.
Raymond
, G.
Revet
, L.
Tudor
, and M.
Versteegen
, “Scintillators in high-power laser-driven experiments
,” IEEE Trans. Nucl. Sci.
65
, 2216
(2018
).14.
G.
Gabella
, B. L.
Goldblum
, T. A.
Laplace
, J. J.
Manfredi
, J.
Gordon
, Z. W.
Sweger
, and E.
Bourret
, “Neutron response of the EJ-254 boron-loaded plastic scintillator
,” IEEE Trans. Nucl. Sci.
68
, 46
–53
(2021
).15.
Y. K.
Sun
, H.
Zhang
, X. K.
Zhao
, M.
Shao
, Z. B.
Tang
, and C.
Li
, “Identifying thermal neutrons, fast neutrons, and gamma rays by using a scintillator-based time-of-flight method
,” Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
940
, 129
–134
(2019
).16.
S.
Agostinelli
, J.
Allison
, K.
Amako
, J.
Apostolakis
, H.
Araujo
, P.
Arce
, M.
Asai
, D.
Axen
, S.
Banerjee
, G.
Barrand
, F.
Behner
, L.
Bellagamba
, J.
Boudreau
, L.
Broglia
, A.
Brunengo
, H.
Burkhardt
, S.
Chauvie
, J.
Chuma
, R.
Chytracek
, G.
Cooperman
, G.
Cosmo
, P.
Degtyarenko
, A.
Dell’Acqua
, G.
Depaola
, D.
Dietrich
, R.
Enami
, A.
Feliciello
, C.
Ferguson
, H.
Fesefeldt
, G.
Folger
, F.
Foppiano
, A.
Forti
, S.
Garelli
, S.
Giani
, R.
Giannitrapani
, D.
Gibin
, J. J.
Gómez Cadenas
, I.
González
, G.
Gracia Abril
, G.
Greeniaus
, W.
Greiner
, V.
Grichine
, A.
Grossheim
, S.
Guatelli
, P.
Gumplinger
, R.
Hamatsu
, K.
Hashimoto
, H.
Hasui
, A.
Heikkinen
, A.
Howard
, V.
Ivanchenko
, A.
Johnson
, F. W.
Jones
, J.
Kallenbach
, N.
Kanaya
, M.
Kawabata
, Y.
Kawabata
, M.
Kawaguti
, S.
Kelner
, P.
Kent
, A.
Kimura
, T.
Kodama
, R.
Kokoulin
, M.
Kossov
, H.
Kurashige
, E.
Lamanna
, T.
Lampén
, V.
Lara
, V.
Lefebure
, F.
Lei
, M.
Liendl
, W.
Lockman
, F.
Longo
, S.
Magni
, M.
Maire
, E.
Medernach
, K.
Minamimoto
, P.
Mora de Freitas
, Y.
Morita
, K.
Murakami
, M.
Nagamatu
, R.
Nartallo
, P.
Nieminen
, T.
Nishimura
, K.
Ohtsubo
, M.
Okamura
, S.
O’Neale
, Y.
Oohata
, K.
Paech
, J.
Perl
, A.
Pfeiffer
, M. G.
Pia
, F.
Ranjard
, A.
Rybin
, S.
Sadilov
, E.
di Salvo
, G.
Santin
, T.
Sasaki
, N.
Savvas
, Y.
Sawada
, S.
Scherer
, S.
Sei
, V.
Sirotenko
, D.
Smith
, N.
Starkov
, H.
Stoecker
, J.
Sulkimo
, M.
Takahata
, S.
Tanaka
, E.
Tcherniaev
, E.
Safai Tehrani
, M.
Tropeano
, P.
Truscott
, H.
Uno
, L.
Urban
, P.
Urban
, M.
Verderi
, A.
Walkden
, W.
Wander
, H.
Weber
, J. P.
Wellisch
, T.
Wenaus
, D. C.
Williams
, D.
Wright
, T.
Yamada
, H.
Yoshida
, and D.
Zschiesche
, “Geant4—A simulation toolkit
,” Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
506
, 250
(2003
).17.
L. N.
Dinh
, J.
Sze
, M. A.
Schildbach
, S. C.
Chinn
, R. S.
Maxwell
, P.
Raboin
, and W.
McLean
II, “Vacuum outgassing of high density polyethylene
,” J. Vac. Sci. Technol. A
27
, 376
(2009
).18.
A.
Tarifeño-Saldivia
, J. L.
Tain
, C.
Domingo-Pardo
, F.
Calviño
, G.
Cortés
, V. H.
Phong
, A.
Riego
, J.
Agramunt
, A.
Algora
, N.
Brewer
, R.
Caballero-Folch
, P. J.
Coleman-Smith
, T.
Davinson
, I.
Dillmann
, A.
Estradé
, C. J.
Griffin
, R.
Grzywacz
, L. J.
Harkness-Brennan
, G. G.
Kiss
, M.
Kogimtzis
, M.
Labiche
, I. H.
Lazarus
, G.
Lorusso
, K.
Matsui
, K.
Miernik
, F.
Montes
, A. I.
Morales
, S.
Nishimura
, R. D.
Page
, Z. S.
Podolyák
, V. F. E.
Pucknell
, B. C.
Rasco
, P.
Regan
, B.
Rubio
, K. P.
Rykaczewski
, Y.
Saito
, H.
Sakurai
, J.
Simpson
, E.
Sokol
, R.
Surman
, A.
Svirkhin
, S. L.
Thomas
, A.
Tolosa
, and P.
Woods
, “Conceptual design of a hybrid neutron-gamma detector for study of β-delayed neutrons at the RIB facility of RIKEN
,” J. Instrum.
12
, P04006
(2017
).19.
J. L.
Tain
, J.
Agramunt
, D. S.
Ahn
, A.
Algora
, J. M.
Allmond
, H.
Baba
, S.
Bae
, N. T.
Brewer
, R.
Caballero Folch
, F.
Calvino
, P. J.
Coleman-Smith
, G.
Cortes
, T.
Davinson
, I.
Dillmann
, C.
Domingo-Pardo
, A.
Estrade
, N.
Fukuda
, S.
Go
, C.
Griffin
, R.
Grzywacz
, J.
Ha
, O.
Hall
, L.
Harkness-Brennan
, T.
Isobe
, D.
Kahl
, M.
Karny
, G. G.
Kiss
, M.
Kogimtzis
, A.
Korgul
, S.
Kubono
, M.
Labiche
, I.
Lazarus
, J.
Lee
, J.
Liu
, G.
Lorusso
, K.
Matsui
, K.
Miernik
, F.
Montes
, B.
Moon
, A. I.
Morales
, N.
Nepal
, S.
Nishimura
, R. D.
Page
, Z.
Podolyak
, V. F. E.
Pucknell
, B. C.
Rasco
, P. H.
Regan
, A.
Riego
, B.
Rubio
, K. P.
Rykaczewski
, Y.
Saito
, H.
Sakurai
, Y.
Shimizu
, J.
Simpson
, P. A.
Söderström
, D. W.
Stracener
, T.
Sumikama
, R.
Surman
, H.
Suzuki
, M.
Takechi
, H.
Takeda
, A.
Tarifeno-Saldivia
, S. L.
Thomas
, A.
Tolosa-Delgado
, V. H.
Phong
, and P.
Woods
, “The BRIKEN project: Extensive measurements of β-delayed neutron emitters for the astrophysical r process
,” Acta Phys. Pol., B
49
, 417
(2018
).20.
A.
Tolosa-Delgado
, J.
Agramunt
, J. L.
Tain
, A.
Algora
, C.
Domingo-Pardo
, A. I.
Morales
, B.
Rubio
, A.
Tarifeño-Saldivia
, F.
Calviño
, G.
Cortes
, N. T.
Brewer
, B. C.
Rasco
, K. P.
Rykaczewski
, D. W.
Stracener
, J. M.
Allmond
, R.
Grzywacz
, R.
Yokoyama
, M.
Singh
, T.
King
, M.
Madurga
, S.
Nishimura
, V. H.
Phong
, S.
Go
, J.
Liu
, K.
Matsui
, H.
Sakurai
, G. G.
Kiss
, T.
Isobe
, H.
Baba
, S.
Kubono
, N.
Fukuda
, D. S.
Ahn
, Y.
Shimizu
, T.
Sumikama
, H.
Suzuki
, H.
Takeda
, P. A.
Söderström
, M.
Takechi
, C. G.
Bruno
, T.
Davinson
, C. J.
Griffin
, O.
Hall
, D.
Kahl
, P. J.
Woods
, P. J.
Coleman-Smith
, M.
Labiche
, I.
Lazarus
, P.
Morrall
, V. F. E.
Pucknell
, J.
Simpson
, S. L.
Thomas
, M.
Prydderch
, L. J.
Harkness-Brennan
, R. D.
Page
, I.
Dillmann
, R.
Caballero-Folch
, Y.
Saito
, A.
Estrade
, N.
Nepal
, F.
Montes
, G.
Lorusso
, J.
Liang
, S.
Bae
, J.
Ha
, and B.
Moon
, “Commissioning of the BRIKEN detector for the measurement of very exotic β-delayed neutron emitters
,” Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
925
, 133
(2019
).21.
H.
Daido
, M.
Nishiuchi
, and A. S.
Pirozhkov
, “Review of laser-driven ion sources and their applications
,” Rep. Prog. Phys.
75
, 056401
(2012
).22.
A.
Macchi
, M.
Borghesi
, and M.
Passoni
, “Ion acceleration by superintense laser-plasma interaction
,” Rev. Mod. Phys.
85
, 751
–793
(2013
).23.
C.
Spitaleri
, C. A.
Bertulani
, L.
Fortunato
, and A.
Vitturi
, “The electron screening puzzle and nuclear clustering
,” Phys. Lett. B
755
, 275
–278
(2016
).24.
F.
Negoita
, M.
Roth
, P. G.
Thirolf
, S.
Tudisco
, F.
Hannachi
, S.
Moustaizis
, I.
Pomerantz
, P.
McKenna
, J.
Fuchs
, K.
Sphor
, G.
Acbas
, A.
Anzalone
, P.
Audebert
, S.
Balascuta
, F.
Cappuzzello
, M. O.
Cernaianu
, S.
Chen
, I.
Dancus
, R.
Freeman
, H.
Geissel
, P.
Genuche
, L.
Gizzi
, F.
Gobet
, G.
Gosselin
, M.
Gugiu
, D.
Higginson
, E.
D'humières
, C.
Ivan
, D.
Jaroszynski
, S.
Kar
, L.
Lamia
, V.
Leca
, L.
Neagu
, G.
Lanzalone
, V.
Méot
, S. R.
Mirfayzi
, I. O.
Mitu
, P.
Morel
, C.
Murphy
, C.
Petcu
, H.
Petrascu
, C.
Petrone
, P.
Raczka
, M.
Risca
, F.
Rotaru
, J. J.
Santos
, D.
Schumacher
, D.
Stutman
, M.
Tarisien
, M.
Tataru
, B.
Tatulea
, I. C. E.
Turcu
, M.
Versteegen
, D.
Ursescu
, S.
Gales
, and N. V.
Zamfir
, “Laser driven nuclear physics at ELI–NP
,” Rom. Rep. Phys.
68
, S37
(2016
); available at https://www.scopus.com/record/display.uri?eid=2-s2.0-84985943971&origin=inward&txGid=2a9768074438b52920fa6def20761984#funding-details.25.
A. J.
Koning
, S.
Hilaire
, and M. C.
Duijvestijn
, “TALYS-1.0
,” in Proceedings of the International Conference on Nuclear Data for Science and Technology
, edited by O.
Bersillon
, F.
Gunsing
, E.
Bauge
, R.
Jacqmin
, and S.
Leray
(EDP Sciences
, 2008
), Vol. 211, p. 058
.26.
A. J.
Koning
and D.
Rochman
, “Modern nuclear data evaluation with the TALYS code system
,” Nucl. Data Sheets
113
, 2841
(2012
).27.
P.-A.
Söderström
, C.
Matei
, L.
Capponi
, E.
Açıksöz
, D. L.
Balabanski
, and I.-O.
Mitu
, “Characterization of a plutonium–beryllium neutron source
,” Appl. Radiat. Isot.
167
, 109441
(2021
).28.
L.
Swiderski
, M.
Moszyński
, W.
Czarnacki
, J.
Iwanowska
, A.
Syntfeld-Każuch
, T.
Szczęśniak
, G.
Pausch
, C.
Plettner
, and K.
Roemer
, “Measurement of Compton edge position in low-Z scintillators
,” Radiat. Meas.
45
, 605
(2010
).29.
J. L.
Dubois
, F.
Lubrano-Lavaderci
, D.
Raffestin
, J.
Ribolzi
, J.
Gazave
, A.
Compant La Fontaine
, E.
d’Humières
, S.
Hulin
, P.
Nicolaï
, A.
Poyé
, and V. T.
Tikhonchuk
, “Target charging in short-pulse-laser–plasma experiments
,” Phys. Rev. E
89
, 013102
(2014
).30.
B.
Martinez
, E.
d’Humières
, and L.
Gremillet
, “Synchrotron radiation from ultrahigh-intensity laser-plasma interactions and competition with bremsstrahlung in thin foil targets
,” Phys. Rev. Res.
2
, 043341
(2020
).31.
M.
Janecek
, “Reflectivity spectra for commonly used reflectors
,” IEEE Trans. Nucl. Sci.
59
, 490
–497
(2012
).32.
P. R.
Bolton
, M.
Borghesi
, C.
Brenner
, D. C.
Carroll
, C.
De Martinis
, F.
Fiorini
, A.
Flacco
, V.
Floquet
, J.
Fuchs
, P.
Gallegos
, D.
Giove
, J. S.
Green
, S.
Green
, B.
Jones
, D.
Kirby
, P.
McKenna
, D.
Neely
, F.
Nuesslin
, R.
Prasad
, S.
Reinhardt
, M.
Roth
, U.
Schramm
, G. G.
Scott
, S.
Ter-Avetisyan
, M.
Tolley
, G.
Turchetti
, and J. J.
Wilkens
, “Instrumentation for diagnostics and control of laser-accelerated proton (ion) beams
,” Phys. Med.
30
, 255
–270
(2014
).33.
S. R.
Mirfayzi
, S.
Kar
, H.
Ahmed
, A. G.
Krygier
, A.
Green
, A.
Alejo
, R.
Clarke
, R. R.
Freeman
, J.
Fuchs
, D.
Jung
, A.
Kleinschmidt
, J. T.
Morrison
, Z.
Najmudin
, H.
Nakamura
, P.
Norreys
, M.
Oliver
, M.
Roth
, L.
Vassura
, M.
Zepf
, and M.
Borghesi
, “Calibration of time of flight detectors using laser-driven neutron source
,” Rev. Sci. Instrum.
86
, 073308
(2015
).34.
M.
Cerchez
, R.
Prasad
, B.
Aurand
, A. L.
Giesecke
, S.
Spickermann
, S.
Brauckmann
, E.
Aktan
, M.
Swantusch
, M.
Toncian
, T.
Toncian
, and O.
Willi
, “ARCTURUS laser: a versatile high-contrast, high-power multi-beam laser system
,” High Power Laser Sci. Eng.
7
, e37
(2019
).© 2021 Author(s). Published under an exclusive license by AIP Publishing.
2021
Author(s)
You do not currently have access to this content.
