Efficient production of Th via neutron capture in VUV-transparent crystals
本文提出并评估了一种利用掺杂 Ra 的极紫外（VUV）透明晶体（CaF、SrF 和 LiF）进行中子俘获的方法，旨在高效制备具有极高信噪比的高活性 Th 源，为克服当前核钟研究中的供应限制提供了一条极具前景的途径。
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我们所衡量的时刻，是现代技术的脉搏。从汽车中的 GPS 到全球金融网络的同步，我们的世界依赖于以惊人精度跳动的时钟。几十年来，最精确的计时器一直是原子钟，它们通过计数原子的振动来计时。但科学家们长期以来一直怀疑，下一波精度的飞跃不在于原子，而是在原子核更深处。在一种被称为钍-229（thorium-229）的特定原子的原子核内，存在着一个独特的低能态，可以作为核钟的基础。这种设备将比目前的原子钟稳定得多，能够免疫许多导致当今仪器产生微小误差的环境干扰。然而，制造这种时钟一直被一个简单而令人沮丧的问题所阻碍：没有足够且合适的钍元素可供使用。所需的材料稀缺、难以生产，且通常与其他放射性元素混合在一起，导致难以研究。
一支研究团队现在提出了一种解决这种短缺的新方法，将稀缺问题转化为生产线。他们建议不是试图从现有的库存中提取稀有的钍，而是通过在晶体内部从头开始创造它。他们的方法包括将另一种更常见的放射性元素——镭（radium），放入一种透明晶体（如氟化钙）中。然后，他们用大量的中子轰击这种晶体。在这种强烈的环境下，镭原子捕获中子并发生转化，最终衰变为构建时钟所需的钍原子。研究人员利用强大的计算机模拟来精确绘制这一过程将如何运作，并通过测试三种不同类型的晶体，以观察哪种晶体能产生最佳结果。
模拟显示，这种方法非常高效。在他们模拟的环境下（模拟高通量核反应堆的环境），该过程可以在一秒钟内产生大量的目标钍原子。具体而言，计算机模型预测，在仅一秒钟的辐照后，单个晶体即可产生大约一万亿个基态钍原子以及大量的特殊激发态异构体。这种异构体是核钟的关键，它持续的时间足以被测量，但在自然界中却很难找到。研究表明，这种方法产生这些原子的速率足以使大规模实验成为可能，从而绕过了目前有限的供应需求。
然而，创造出这些原子仅仅是成功了一半；科学家还必须能够观测到它们。晶体并非空无一物；它充满了发射光和粒子的放射性衰变产物，这会产生一个可能掩盖钍异构体微弱信号的嘈杂背景。研究人员仔细计算了这种噪声，即切伦科夫辐射（Cherenkov radiation），这种现象发生在带电粒子在晶体中的运动速度超过光在该材料中的传播速度时。他们发现，虽然这种背景噪声真实存在且程度显著，但并不会淹没信号。通过选择合适的观测时机——具体来说，是在中子轰击停止几千秒后进行观测——研究人员确定，�气异构体的信号在噪声中清晰可见。在他们的模拟中，信号的清晰度极高，研究人员能够以十万分之一的置信水平辨别出目标原子。
研究还观察了这些新原子在晶体内部的分布情况。当中子从一侧撞击晶体时，它们并不能均匀地渗透到底部；它们在穿透过程中会被吸收。模拟显示，新生成的钍原子浓度在中子进入的表面附近最高，并随着深度增加而下降。这一发现为未来的实验提供了实际指导：为了获得最佳结果，科学家应使用不太厚的晶体，并将测量光从中子撞击的同一侧照射。这能确保他们观测到的正是产生最多原子的区域。
在测试的三种晶体中，氟化钙和氟化锶脱颖而出，成为最有前景的候选材料，它们产生的目标原子比氟化锂略多。研究人员得出结论，这种中子捕获法为生产核钟所需材料提供了一条可行且可扩展的路径。它提供了一种在同一个固体晶体内同时生成时钟运行所需的基态钍和用于测试的激发态异构体的方法。通过将稀缺问题转化为制造解决方案，这项工作消除了开发下一代计时技术的一个主要障碍，使核钟的梦想离现实更近了一步。
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