Double-differential neutron-induced cross sections on Fe-nat at GANIL-NFS
本文报告了 2023 年在 GANIL 的 NFS 设施上进行的实验活动的初步结果，在该实验中，利用 Medley 设置测量了天然铁在高达 44 MeV 的中子辐照下发射出的轻电荷粒子的双微分截面。
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在核反应堆坚硬的钢制骨架内部，一场无声但持久的战斗正在进行。当高速中子撞击金属时，它们并不仅仅是弹开，而是粉碎了原子核，产生了氢和氦气体的微小碎片。经过数年的运行，这些气体在固体金属内部积聚，导致金属膨胀并变得脆弱，就像一块吸收了过多水分的海绵一样。这种损伤威胁着那些旨在承载聚变或裂变巨大能量的容器本身的结构完整性。为了预测反应堆可以安全运行多久，科学家需要精确了解中子如何与铁（反应堆钢的主要成分）发生相互作用。他们不仅需要测量有多少粒子被撞出，还需要准确知道它们携带了多少能量以及飞行的方向。
几十年来，科学家们一直难以获得现代反应堆中存在的高能中子的这些测量数据。虽然对于较低能量的数据已经存在，但在超过1400万电子伏特（MeV）的范围内，图像变得模糊且不确定，因为在这个范围内物理过程变得复杂且难以建模。由于缺乏在高能区间的精确数据，用于设计安全反应堆的计算机模拟被迫进行猜测，这使得工程师对结构的寿命缺乏确定性。最近，一个研究小组致力于填补这一空白，开展了一项新的实验，以史无前前例的细节度绘制了中子撞击天然铁的行为图谱。
实验于2023年在法国卡昂（Caen）的“科学中子”（Neutrons For Science）设施进行，该设施专门用于产生用于研究的中子束。研究团队使用了一种名为Medley的专用仪器，该设备最初由瑞典乌普萨拉大学建造，专门设计用于捕捉原子核破碎时飞出的光子和带电粒子。该装置本质上是一个大型空心真空室，中心放置了一个天然铁靶。在靶周围分布着八组探测器，排列得像车轮的辐条一样，每组探测器都能追踪以不同角度飞出的粒子。铁靶本身是一层薄箔，其厚度既足以与中子束发生相互作用，又足够薄，以便让产生的粒子在损失过多的能量之前逃逸出来。
为了创造研究所需的条件，设施向铁靶发射了一束中子流。这些中子的速度并不一致；相反，它们形成了一个“白光”束，即一个包含从低能级到4400万电子伏特宽能谱的能量范围。当中子撞击铁时，触发了核反应，喷射出质子、氘核和其他轻粒子。排列成望远镜结构的探测器捕捉到了这些逃逸的粒子。通过测量每个粒子在系列硅层和最终的闪烁晶体中沉积了多少能量，研究人员可以准确识别出粒子的种类及其运动速度。
过程中的一个关键环节涉及计时。研究人员测量了粒子从靶向探测器飞行所需的时间，并将其与中子束产生的精确时刻进行对比。这种“飞行时间法”（time-of-flight）测量使他们能够计算出每一次事件中入射中子的能量。由于粒子在穿过铁靶的过程中会损失一部分能量，团队必须应用数学修正来重建粒子最初诞生时的真实能量。他们利用计算机模拟来模拟粒子在金属内部如何损失能量，并使用统计方法进行逆向工程处理原始数据，从而有效地消除了由靶材引起的失真。
这项细致工作的成果是获得了一组新的“双微分截面”（double-differential cross section）测量值，这个术语简单来说就是描述粒子在特定角度以特定能量被发射出来的概率。团队成功测量了在中子能量平均为1450万电子伏特时，从铁中发射出的质子的这些数值。他们绘制出了质子在20到160度角范围内飞出的数量分布，创建了一幅详细的发射模式图。数据表明，实验装置运行可靠，能够高精度地捕捉粒子，并允许团队对能量损失进行修正。
虽然针对实验期间收集的所有数据的全面分析仍在进行中，但针对1450万电子伏特中子的初步结果已经非常令人振奋。研究人员发现，他们的测量结果可以与标准数学曲线平滑拟合，这表明数据具有一致性和可靠性。这一成功验证了Medley装置在该设施中的适用性，并证实了针对能量损失和粒子识别的复杂修正处理是正确的。团队目前正致力于将这些测量扩展到覆盖高达4400万电子伏特的整个能量范围，并分析其他类型的粒子，例如氦核。
这项工作为核工程师提供了一个至关重要的拼图碎片。通过提供铁在高能轰击下行为的实测数据，该研究为用于设计未来聚变反应堆以及评估现有反应堆安全性的计算机模型提供了更坚实的依据。预测结构材料随时间退化的能力对于向清洁能源转型至关重要，而这次实验已朝着提高预测准确性迈出了重要一步。研究人员已经证明，可以高精度地测量这些复杂的相互作用，这为更严格地测试那些终将承载“恒星之力”的材料开启了大门。
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