光中子反應截面是核物理、核天體物理及核技術(shù)應用中的關(guān)鍵參數(shù)。自上世紀60年代以來,美國勞倫斯利弗莫爾國家實驗室(Livermore)和法國薩克萊核研究中心(Saclay)使用正電子飛行湮滅伽馬源所測數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)性差異,雖經(jīng)多次實驗評估,仍未完全解決,急需重新測量和評價。上海激光電子伽馬源(SLEGS)是上海光源二期建設的國際首條基于激光康普頓斜入射(Laser Compton Slant-Scattering, LCSS)模式的22MeV以下能區(qū)伽馬射線束流線,通過改變激光與上海光源(SSRF)儲存環(huán)電子束的相互作用角度,可實現(xiàn)0.66 MeV至21.7 MeV能量連續(xù)可調(diào)的準單能伽馬射線。SLEGS于2023年開放運行,具備5-15%的能量分辨率與105-107光子/s的高通量特性,為光核反應研究提供了國際領先的實驗平臺(圖1)。激光伽馬專業(yè)組在首次實驗中系統(tǒng)測量了197Au和159Tb的(γ,1n)光中子反應截面,對SLEGS特色的光中子截面測量方法學做了檢驗,為將來光核數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性差異解決提供了研究基礎與實驗條件。?

圖1.?SLEGS線站布局示意圖
該研究成果以“The day-one experiment at SLEGS: systematic measurement of the (γ,1n)?cross sections on?197Au?and?159Tb?and?159Tb?for resolving existing data discrepancies”為題,發(fā)表在《Science Bulletin》 2025年第70卷上。團隊利用SLEGS產(chǎn)生的準單能伽馬束流,結(jié)合自主研發(fā)的平坦效率中子探測器陣列(FED探測器,采用26根3He正比計數(shù)管嵌入聚乙烯慢化體,中子探測效率高達~40%,系統(tǒng)誤差控制在3.02%以內(nèi),保障了數(shù)據(jù)的高精度與可靠性)對197Au和159Tb光中子截面進行了系統(tǒng)測量。實驗通過直接解卷積法(Direct Unfolding)重建入射伽馬能譜,結(jié)合環(huán)比技術(shù)(Ring-Ratio)推算中子平均能量與探測器效率,最終通過奧斯陸(Oslo)方法獲得單能截面數(shù)據(jù)。結(jié)果表明SLEGS數(shù)據(jù)與日本NewSUBARU裝置的激光康普頓散射伽馬源測量結(jié)果數(shù)據(jù)符合一致,以及優(yōu)于Livermore和Saclay正電子飛行湮滅伽馬源的數(shù)據(jù)(圖2),實驗驗證了SLEGS裝置和測量方法的可靠性,也為未來系統(tǒng)解決其余核素的數(shù)據(jù)差異奠定了基礎。

圖2.?SLEGS和Livermore、Saclay測量的197Au(γ,1n)196Au,159Tb(γ,1n)158截面對比
該研究由中國科學院上海高等研究院、中國科學院上海應用物理研究所、中國科學院大學、復旦大學現(xiàn)代物理研究所等單位合作完成。論文第一作者為郝子銳博士,通訊作者為范功濤研究員、王宏偉研究員和馬余剛院士。研究獲得國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、核數(shù)據(jù)重點實驗室開放基金支持。
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