中子和中子科學
1932年英國物理學家JamesChadwick發現中子以來,利用人工中子源開展核物理研究和應用研究便蓬勃發展起來。在當今的核科學和核技術研究和應用中,如基于中子誘發的鏈式核反應的核電站和其他核動力設施,中子科學是其主要的基礎科學之一。
JamesChadwick,1891.10~1974.7
更基礎的科學研究如核物理、核天體物理和粒子物理也有部分研究方向與中子緊密相關,比如核天體物理要研究宇宙中元素的形成問題就離不開中子誘發的核反應。另外,利用低能量的中子作為探針是物質的微觀結構和動力學性質研究的一個非常重要的手段。
中子誘發的鏈式核反應
中子核數據(包括核反應截面和核參數)是中子科學及其應用的基礎,也是與中子相關的基礎科學所關注的。盡管經過幾十年的共同努力,國際上已建立了相對較為完備的中子數據庫,得到國際原子能委員會承認的有5個數據庫,其中包括中國的CENDL數據庫。但是,隨著基礎研究和應用的需要,對中子核數據的要求也在不斷增加,包括更多的核素種類、更高的精度、更寬的能區范圍和更多的反應類型。
宇宙中重元素的形成核反應
中子源和實驗裝置
開展中子科學研究離不開高性能的中子源,早期的中子源主要基于天然放射源和小型加速器中子源,主要提供強度較弱的單能快中子(MeV量級);基于研究型反應堆的中子源則可以提供高注量率的熱中子(幾十meV);1960年代以來,世界上多個國家建立了基于強流中能電子直線加速器的寬能量范圍、連續能譜的白光中子源,并利用其脈沖特性采用飛行時間測量方法確定中子能量;1980年代以來,美國LANL實驗室和歐洲CERN先后建成了基于高功率質子加速器的白光中子源,其提供的中子束流能譜覆蓋范圍更寬、強度更高。
中國散裂中子源(CSNS)
我國于2018年建成的中國散裂中子源(CSNS)上的反角白光中子實驗裝置,屬于最后一類。
此外,先進的探測器和譜儀系統、樣品制備技術以及實驗方法也是開展高水平的核數據測量研究所不可或缺的。
CSNS反角白光中子源
中國散裂中子源(CSNS)是國家大型科學實驗裝置,于2018年建成。CSNS的反角白光中子實驗裝置(或反角白光中子源,簡稱Back-n)是一臺高性能白光中子源,其綜合性能處于國際同類裝置的前列,尤其是其距中子產生靶等距離的中子流強是國際上最高的,覆蓋能區范圍和中子飛行時間測量的分辨率也具有很強的競爭力。
Back-n在基礎核數據測量、核物理、粒子物理、中子輻射效應、中子探測技術、中子成像和元素成分分析等領域都有非常重要的應用。將為我國的新一代核能技術發展、核天體物理和基礎核物理研究、核醫學和國防科技發展等提供優秀的實驗平臺。
初期實驗及亮點成果
論文介紹了Back-n自建成以來的3年時間內所開展的中子核反應截面測量實驗,涉及的反應類型包括中子俘獲反應、裂變反應、全截面、輕帶電粒子出射反應、在束伽馬譜學和非彈散射反應等,涉及的核素種類超過40個。目前,Back-n配備了5臺共用的核數據測量譜儀或探測器,用戶也可以自備實驗探測器系統。
6Li(n,t)4He 反應截面測量的角度積分結果
盡管大部分核數據測量結果仍處在數據處理和分析階段,部分已發表的實驗結果已引起了國際同行的高度關注,尤其是幾個標準核反應截面的測量,包括6Li(n,t)、10B(n,a)、1H(n,el)等輕核反應在寬能區的反應截面和角分布測量以及238U/235U裂變反應相對截面測量,在2020年10月國際原子能委員會下屬的標準截面委員會會議上被認為是近幾年國際上標準截面測量的主要進展。該委員會推薦總共8個核素的特定能區反應截面為國際標準截面,作為其他截面測量或探測器研發的參考。
中子誘發的238U/235U裂變反應相對截面測量結果
Back-n上標準截面的測量有助于提高標準截面的自身精度、擴大應用能區范圍和提供更多的重要實驗信息如角分布。