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精确测量中子核数据,促基础研究和核技术发展 | CPC封面文章解读

发布时间: 2021/06/04
作者介绍
      唐靖宇, 中国科学院高能物理研究所研究员,中国科学院大学岗位教授,CSNS束流扩展应用负责人,Back-n白光中子源合作组负责人。


导读 
      唐靖宇代表Back-n白光中子源合作组解读了2021年CPC第六期的封面文章。该文章综合介绍了自CSNS Back-n于2018年建成以来,在近3年的时间内所开展的核数据测量实验。部分实验结果发表以后,在国际上引起了同行的高度重视。

中子和中子科学
 
      1932年英国物理学家James Chadwick发现中子以来,利用人工中子源开展核物理研究和应用研究便蓬勃发展起来。在当今的核科学和核技术研究和应用中,如基于中子诱发的链式核反应的核电站和其他核动力设施,中子科学是其主要的基础科学之一。
James Chadwick,1891.10~1974.7,图片源自网络
 
      更基础的科学研究如核物理、核天体物理和粒子物理也有部分研究方向与中子紧密相关,比如核天体物理要研究宇宙中元素的形成问题就离不开中子诱发的核反应。另外,利用低能量的中子作为探针是物质的微观结构和动力学性质研究的一个非常重要的手段。
 
中子诱发的链式核反应,图片源自网络

      中子核数据(包括核反应截面和核参数)是中子科学及其应用的基础,也是与中子相关的基础科学所关注的。尽管经过几十年的共同努力,国际上已建立了相对较为完备的中子数据库,得到国际原子能委员会承认的有5个数据库,其中包括中国的CENDL数据库。但是,随着基础研究和应用的需要,对中子核数据的要求也在不断增加,包括更多的核素种类、更高的精度、更宽的能区范围和更多的反应类型。
 
宇宙中重元素的形成核反应,图片源自网络
 
 
中子源和实验装置
 
      开展中子科学研究离不开高性能的中子源,早期的中子源主要基于天然放射源和小型加速器中子源,主要提供强度较弱的单能快中子(MeV量级);基于研究型反应堆的中子源则可以提供高注量率的热中子(几十meV);1960年代以来,世界上多个国家建立了基于强流中能电子直线加速器的宽能量范围、连续能谱的白光中子源,并利用其脉冲特性采用飞行时间测量方法确定中子能量;1980年代以来,美国LANL实验室和欧洲CERN先后建成了基于高功率质子加速器的白光中子源,其提供的中子束流能谱覆盖范围更宽、强度更高。 我国于2018年建成的中国散裂中子源(CSNS)上的反角白光中子实验装置,属于最后一类。
 
中国散裂中子源(CSNS)
     
      此外,先进的探测器和谱仪系统、样品制备技术以及实验方法也是开展高水平的核数据测量研究所不可或缺的。

CSNS反角白光中子源
 
      中国散裂中子源(CSNS)是国家大型科学实验装置,于2018年建成。CSNS的反角白光中子实验装置(或反角白光中子源,简称Back-n)是一台高性能白光中子源,其综合性能处于国际同类装置的前列,尤其是其距中子产生靶等距离的中子流强是国际上最高的,覆盖能区范围和中子飞行时间测量的分辨率也具有很强的竞争力。
 
      Back-n在基础核数据测量、核物理、粒子物理、中子辐射效应、中子探测技术、中子成像和元素成分分析等领域都有非常重要的应用。将为我国的新一代核能技术发展、核天体物理和基础核物理研究、核医学和国防科技发展等提供优秀的实验平台。


初期实验及亮点成果
 
      论文介绍了Back-n自建成以来的3年时间内所开展的中子核反应截面测量实验,涉及的反应类型包括中子俘获反应、裂变反应、全截面、轻带电粒子出射反应、在束伽马谱学和非弹散射反应等,涉及的核素种类超过40个。目前,Back-n配备了5台共用的核数据测量谱仪或探测器,用户也可以自备实验探测器系统。
6Li(n, t)4He反应截面测量的角度积分结果
 
      尽管大部分核数据测量结果仍处在数据处理和分析阶段,部分已发表的实验结果已引起了国际同行的高度关注,尤其是几个标准核反应截面的测量,包括 6Li(n, t)、10B(n, a)、1H(n, el) 等轻核反应在宽能区的反应截面和角分布测量以及238U/235U裂变反应相对截面测量,在2020年10月国际原子能委员会下属的标准截面委员会会议上被认为是近几年国际上标准截面测量的主要进展。该委员会推荐总共8个核素的特定能区反应截面为国际标准截面,作为其他截面测量或探测器研发的参考。
中子诱发的238U/235U裂变反应相对截面测量结果
 
       Back-n上标准截面的测量有助于提高标准截面的自身精度、扩大应用能区范围和提供更多的重要实验信息如角分布。