連 鋼,郭 冰,諶陽(yáng)平,蘇 俊,李志宏,何建軍,唐曉東,崔保群,孫良亭,安 竹,柳衛(wèi)平,5

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院,北京 102413;2.北京師范大學(xué),北京 100875;3.中國(guó)科學(xué)院 近代物理研究所,甘肅 蘭州 730000;4.四川大學(xué),四川 成都 610064;5.南方科技大學(xué),廣東 深圳 518055)

19世紀(jì)末隨著原子核物理的開(kāi)端開(kāi)啟了微觀世界的大門(mén),人們逐漸認(rèn)識(shí)到核反應(yīng)是恒星抗衡引力收縮的能量來(lái)源,也是宇宙中除氫以外所有化學(xué)元素賴以合成的唯一機(jī)制。20世紀(jì)30年代,Bethe[1]提出恒星能量來(lái)源的兩種過(guò)程:質(zhì)子-質(zhì)子鏈反應(yīng)和CNO循環(huán)。1957年,Burbidge等[2]發(fā)表了題為《恒星中元素的合成》的著名論文,闡明了除氫、氦、鋰等原初核合成產(chǎn)生的元素外,絕大多數(shù)元素都是在恒星演化過(guò)程中形成的,描述了恒星的演化進(jìn)程和元素的合成路徑,從而確立了核天體物理學(xué)的基礎(chǔ)。

核天體物理是核物理與天體物理相交叉學(xué)科,將微觀世界原子核的反應(yīng)規(guī)律和宏觀世界恒星的演化進(jìn)程奇妙地融合在一起,其主要研究目標(biāo)是:1) 宇宙中各種化學(xué)元素核合成的過(guò)程和場(chǎng)所;2) 核過(guò)程產(chǎn)生的能量對(duì)恒星結(jié)構(gòu)及演化的影響[3]。隨著人們對(duì)宇宙的探索不斷深入,核天體物理在其中所扮演的角色愈加重要。經(jīng)過(guò)近1個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,核天體物理極大豐富了人類(lèi)對(duì)于元素起源和恒星演化復(fù)雜過(guò)程的認(rèn)知,但依然有許多亟待破解的難題。如大質(zhì)量恒星的演化進(jìn)程和最終命運(yùn),古老恒星中的重元素來(lái)源,比鐵重元素的合成場(chǎng)所和機(jī)制。其中“從鐵到鈾的重元素是如何產(chǎn)生的”被美國(guó)科學(xué)院宇宙物理學(xué)委員會(huì)列為本世紀(jì)待解決的11個(gè)重大物理問(wèn)題之一[4]。解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵首先是對(duì)核天體物理關(guān)鍵反應(yīng)在伽莫夫窗口的精確測(cè)量。

深地實(shí)驗(yàn)室能夠極大地屏蔽宇宙線引起的背景輻射,提供極低輻射本底的實(shí)驗(yàn)環(huán)境,使核天體物理關(guān)鍵反應(yīng)在伽莫夫窗口的精確測(cè)量成為可能。本文對(duì)中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的核天體物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜述。

1 深地核天體物理實(shí)驗(yàn)

1.1 深地核天體物理實(shí)驗(yàn)的意義

天體演化進(jìn)程中關(guān)鍵核反應(yīng)的截面測(cè)量是核天體物理研究的核心內(nèi)容之一,然而通過(guò)地面實(shí)驗(yàn)想要獲得這些截面的直接測(cè)量數(shù)據(jù)是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。這是因?yàn)樵诤阈瞧椒€(wěn)燃燒階段,核反應(yīng)發(fā)生在相對(duì)低溫的物理環(huán)境中,由于帶電粒子熱核反應(yīng)的有效能區(qū)即伽莫夫窗口遠(yuǎn)低于庫(kù)侖勢(shì)壘,反應(yīng)截面甚小,巨大的宇宙線本底使地面開(kāi)展的直接測(cè)量十分困難。通常人們利用高能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)向低能區(qū)外推獲得伽莫夫窗口的反應(yīng)截面數(shù)據(jù),由于電子屏蔽效應(yīng)和可能存在的共振影響使得這種外推帶有很大的不確定性。圖1示出12C+12C反應(yīng)的天體物理S因子隨反應(yīng)能量的變化[5],可以清楚看到根據(jù)高能數(shù)據(jù)外推,不同理論給出的S因子在伽莫夫窗口(陰影區(qū)域)存在數(shù)量級(jí)的差別,無(wú)法得出可靠的天體物理反應(yīng)數(shù)據(jù)。

圖1 12C+12C反應(yīng)的天體物理S因子

對(duì)于恒星平穩(wěn)演化階段發(fā)生在伽莫夫窗口的帶電粒子核反應(yīng),其反應(yīng)截面通常在10-18～10-9b范圍[6]。在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平下,由于巨大的宇宙線本底在地面實(shí)驗(yàn)室測(cè)量如此低的截面無(wú)疑是非常困難的。近年來(lái),隨著基礎(chǔ)科學(xué)前沿領(lǐng)域探索的不斷深入,開(kāi)展極端條件下的研究日益受到人們的廣泛關(guān)注。深空、深地、深海等極端環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)測(cè)量已成為科學(xué)創(chuàng)新的重要突破方向。其中深地環(huán)境能夠極大地屏蔽宇宙射線造成的背景,提供本底極低的測(cè)量環(huán)境,有利于微弱反應(yīng)事件的精確測(cè)量和研究[7]。對(duì)于核天體物理,巖層覆蓋超過(guò)1 000 m的深地實(shí)驗(yàn)室能夠?qū)⒂钪婢€繆子通量降低近6個(gè)數(shù)量級(jí),從而有效降低宇宙線引發(fā)的本底,為伽莫夫窗口內(nèi)熱核反應(yīng)截面的直接測(cè)量提供了有利條件。

目前世界上已建成和在建的有十多家地下實(shí)驗(yàn)室[8],研究領(lǐng)域涉及粒子物理、核天體物理、生命科學(xué)、地球科學(xué)和深部巖體力學(xué)等多個(gè)學(xué)科的重大前沿領(lǐng)域。深地的極低本底環(huán)境為天體演化進(jìn)程中關(guān)鍵反應(yīng)的直接測(cè)量提供了絕佳契機(jī),深地核天體物理實(shí)驗(yàn)已成為核天體物理的一個(gè)全新和重要的發(fā)展方向。

1.2 世界深地核天體物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

1990年,意大利在格蘭薩索國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LNGS)啟動(dòng)了LUNA項(xiàng)目[9],開(kāi)創(chuàng)了深地核天體物理測(cè)量的先河。美國(guó)也于2015年在桑福德地下研究中心(SURF)啟動(dòng)核天體物理CASPAR項(xiàng)目[10]。

隨著利用深地實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展核天體物理實(shí)驗(yàn)研究日益受到關(guān)注,歐美及亞洲國(guó)家提出眾多深地核天體物理計(jì)劃。特別是2020年,我國(guó)的JUNA項(xiàng)目在中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室(CJPL)成功實(shí)施,為深地核天體物理實(shí)驗(yàn)的發(fā)展注入了新的活力。

1.2.1意大利LUNA項(xiàng)目 意大利的LNGS是目前世界上最大的綜合性深地實(shí)驗(yàn)室,實(shí)驗(yàn)室垂直巖層覆蓋達(dá)1 400 m,宇宙線通量?jī)H為地面的約百萬(wàn)分之一。1989年LNGS正式開(kāi)展深地實(shí)驗(yàn)測(cè)量,目前運(yùn)行包括暗物質(zhì)、中微子、粒子物理、環(huán)境科學(xué)和核天體物理等多項(xiàng)深地研究項(xiàng)目。1994年,一臺(tái)50 kV加速器[11]在LNGS的輔助連接隧道完成安裝調(diào)試并開(kāi)始實(shí)驗(yàn)測(cè)量,成為世界上第一個(gè)深地核天體物理實(shí)驗(yàn)裝置(LUNA1)。LUNA項(xiàng)目將天體演化關(guān)鍵反應(yīng)的研究帶入到精確的直接測(cè)量階段。與地面實(shí)驗(yàn)室相比,LUNA宇宙射線μ子通量低約106倍,γ射線本底低約2 500倍,中子本底低約1 000倍。LUNA1可提供最高流強(qiáng)1 000 μA的質(zhì)子束和500 μA的3He+、4He+束流,開(kāi)展了恒星氫燃燒階段若干關(guān)鍵反應(yīng)的研究,其中包括元素核合成pp鏈中的3He(3He,2p)4He[12]、d(p,γ)3He[13]以及低能聚變反應(yīng)中的電子屏蔽效應(yīng)研究[14]。

為拓展研究范圍,2000年LUNA在LNGS的另一處輔助連接隧道安裝了新的加速器(LUNA2)[15]。LUNA2將束流最大能量提高到400 keV,完成了多項(xiàng)核天體物理重要反應(yīng)的直接測(cè)量,包括原初核合成和恒星氫燃燒過(guò)程中pp鏈[16-21]、CNO循環(huán)[22-25]、Ne-Na循環(huán)[26-27]、Mg-Al 循環(huán)[28-30]的若干反應(yīng),以及元素合成s-過(guò)程中重要的中子源反應(yīng)[31]。

表1列出自LUNA項(xiàng)目實(shí)施以來(lái)完成的核天體物理關(guān)鍵反應(yīng)的直接測(cè)量工作。在這些深地實(shí)驗(yàn)中,LUNA項(xiàng)目將測(cè)量能量推進(jìn)到了伽莫夫窗口范圍,為天體物理網(wǎng)絡(luò)計(jì)算提供了可靠數(shù)據(jù),其結(jié)果對(duì)太陽(yáng)中微子物理、元素核合成及宇宙學(xué)等方面產(chǎn)生了重要影響。正是由于LUNA項(xiàng)目前期的出色工作,其建設(shè)3.5 MV加速器裝置的LUNA-MV升級(jí)計(jì)劃獲得了LNGS實(shí)驗(yàn)室整個(gè)B廳深地實(shí)驗(yàn)空間的使用權(quán)。

表1 LUNA項(xiàng)目完成的核天體物理實(shí)驗(yàn)研究

1.2.2美國(guó)CASPAR項(xiàng)目 美國(guó)于2011年啟動(dòng)了旨在研究恒星演化關(guān)鍵反應(yīng)的深地測(cè)量DIANA計(jì)劃,目標(biāo)是在桑福德地下研究中心(SURF)建立400 kV和3 MV兩臺(tái)強(qiáng)流加速器裝置,開(kāi)展核天體物理的直接測(cè)量工作。后期面對(duì)深地核天體物理的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng),為搶占先機(jī)將計(jì)劃縮減為CASPAR項(xiàng)目。CASPAR項(xiàng)目放棄了新研制強(qiáng)流加速器的計(jì)劃,轉(zhuǎn)而使用一臺(tái)制造于1958年的3 MV單端靜電加速器開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)量。CASPAR項(xiàng)目位于SURF的4 850英尺作業(yè)面,有效巖石覆蓋將近1 500 m,宇宙線本底與意大利LNGS相近。

2015年,CASPAR項(xiàng)目開(kāi)始在SURF安裝調(diào)試加速器裝置,2017年起開(kāi)展實(shí)驗(yàn)測(cè)量。首批實(shí)驗(yàn)計(jì)劃包括s-過(guò)程的兩個(gè)重要中子源反應(yīng)13C(α,n)16O和22Ne(α,n)25Mg,以及恒星氦燃燒階段的18O(α,γ)22Ne反應(yīng)。近期18O(α,γ)22Ne實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)表[32],其他測(cè)量數(shù)據(jù)還在分析階段。

1.2.3其他地下核天體物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 除正在運(yùn)行的3個(gè)深地核天體物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目外,世界其他一些深地實(shí)驗(yàn)室也提出了核天體物理的研究計(jì)劃。其中包括:英國(guó)伯畢地下實(shí)驗(yàn)室(Boulby)建設(shè)3 MV靜電加速器的ELENA計(jì)劃[33],西班牙坎夫蘭克地下實(shí)驗(yàn)室(LSC)的CUNA深地核天體物理計(jì)劃,位于南美洲阿根廷和智利交界處安第斯地下實(shí)驗(yàn)室(ANDES)的核天體物理計(jì)劃[34]。此外,羅馬尼亞和印度的科學(xué)家也提出了開(kāi)展地下核天體物理實(shí)驗(yàn)研究的想法。

位于德國(guó)德累斯頓市的福森科勒加速器實(shí)驗(yàn)室(Felsenkeller accelerator laboratory)為一家淺地下核天體物理實(shí)驗(yàn)室,表面巖層覆蓋47 m,實(shí)驗(yàn)室通過(guò)反符合探測(cè)器進(jìn)一步降低宇宙線引發(fā)的本底。目前,一臺(tái)5 MV的串列加速器已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室安裝調(diào)試完成,能夠提供最高流強(qiáng)100 μA的離子束[35]。福森科勒首批計(jì)劃包括3He(α,γ)7Be和12C(α,γ)16O反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。

2 中國(guó)深地核天體物理實(shí)驗(yàn)

2.1 中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室

2010年,清華大學(xué)聯(lián)合雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司利用錦屏二級(jí)水電站的交通隧道側(cè)向挖掘建成我國(guó)首個(gè)深地實(shí)驗(yàn)室,即中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室由入口隧道、連接隧道和主實(shí)驗(yàn)廳3部分構(gòu)成,總?cè)莘e4 000 m3。其中主實(shí)驗(yàn)廳的長(zhǎng)度為40 m,寬度為6.5 m,高度為7.5 m。錦屏實(shí)驗(yàn)室垂直巖層覆蓋約2 400 m,周?chē)鷰r石主要由大理巖構(gòu)成,天然放射性雜質(zhì)含量非常低,是當(dāng)前世界上輻射本底綜合條件最好的深地實(shí)驗(yàn)室。

目前錦屏地下實(shí)驗(yàn)室正在運(yùn)行兩個(gè)探尋暗物質(zhì)的研究項(xiàng)目,清華大學(xué)牽頭的CDEX項(xiàng)目[36]和上海交通大學(xué)牽頭的PandaX項(xiàng)目[37]。此外,實(shí)驗(yàn)室還研制了我國(guó)第1套深地超低本底測(cè)量裝置,即超低本底測(cè)量平臺(tái)(GeTHU)[38],目前有3臺(tái)GeTHU系列譜儀在實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行,為深地開(kāi)展的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)提供材料放射性本底篩選測(cè)量工作。中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室憑借其獨(dú)特的地理優(yōu)勢(shì),獲得了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注[39-40]。

2014年,錦屏實(shí)驗(yàn)室開(kāi)啟了二期建設(shè)[41],將新建包含8個(gè)主實(shí)驗(yàn)廳、巖土實(shí)驗(yàn)廳及輔助隧道在內(nèi)的超大深地空間。其中8個(gè)主實(shí)驗(yàn)廳長(zhǎng)約50 m、寬約12 m、高約12 m,二期實(shí)驗(yàn)室總?cè)莘e超過(guò)30萬(wàn)m3。十三五國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“極深地下極低輻射本底前沿物理實(shí)驗(yàn)設(shè)施”項(xiàng)目選址錦屏二期于2019年啟動(dòng)建設(shè),預(yù)計(jì)2024年完工,建成后將成為世界上規(guī)模最大、本底環(huán)境最好的綜合性深地實(shí)驗(yàn)室。經(jīng)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室管委會(huì)評(píng)估,錦屏二期的一個(gè)主實(shí)驗(yàn)廳計(jì)劃用于核天體物理實(shí)驗(yàn)研究。

2.2 JUNA實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

鑒于核天體物理直接測(cè)量的重要意義,我國(guó)的核天體物理研究者一直期待能夠開(kāi)展深地環(huán)境的實(shí)驗(yàn)測(cè)量,早在2002年就參加了意大利LUNA項(xiàng)目的合作實(shí)驗(yàn)[42-43],2011年又參與了LUNA-MV升級(jí)計(jì)劃的國(guó)際研討。2015年,在清華大學(xué)和雅礱江公司的支持下,JUNA項(xiàng)目獲批入駐錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期A1廳,啟動(dòng)了中國(guó)首個(gè)深地核天體實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

JUNA項(xiàng)目旨在借助錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的超低輻射本底環(huán)境,研制強(qiáng)流高穩(wěn)定加速器裝置并發(fā)展極低本底測(cè)量技術(shù),開(kāi)展恒星平穩(wěn)演化氫燃燒和氦燃燒階段若干關(guān)鍵反應(yīng)的直接精確測(cè)量,為理解恒星演化和元素起源提供關(guān)鍵的核物理輸入量,取得核天體物理領(lǐng)域創(chuàng)新性的研究成果。

2.2.1JUNA實(shí)驗(yàn)本底水平 核天體物理實(shí)驗(yàn)中,本底水平和測(cè)量記錄到的反應(yīng)事例數(shù)是決定實(shí)驗(yàn)靈敏度的決定性因素。就本底而言,JUNA實(shí)驗(yàn)依托于中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室,其表面垂直巖層覆蓋約2 400 m為世界之最,具有世界最“干凈”的本底環(huán)境。圖2給出了世界深地核天體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)本底水平的比較,可以看出JUNA實(shí)驗(yàn)具有明顯的本底優(yōu)勢(shì)。

圖2 深地核天體實(shí)驗(yàn)平臺(tái)本底水平比較

實(shí)驗(yàn)測(cè)量中的本底構(gòu)成除宇宙線引發(fā)的本底外,還包括環(huán)境本底和加速器束流帶來(lái)的本底。深地環(huán)境極大地屏蔽了宇宙線引發(fā)的本底,但要進(jìn)一步提高測(cè)量靈敏度以實(shí)現(xiàn)極低截面的直接測(cè)量,還需要有效地屏蔽環(huán)境本底和控制束流引發(fā)的本底。

環(huán)境本底主要包括實(shí)驗(yàn)空間的天然本底(周?chē)鷰r石、廳內(nèi)空氣等自身的放射性本底)和材料本底(廳內(nèi)建筑材料以及實(shí)驗(yàn)裝置材料的放射性本底)[44]。JUNA實(shí)驗(yàn)中,室內(nèi)建筑材料和加速器平臺(tái)包括屏蔽體自身的材料均通過(guò)GeTHU超低本底測(cè)量平臺(tái)進(jìn)行了篩選,通過(guò)選擇低放射性材料降低了實(shí)驗(yàn)的環(huán)境本底。同時(shí)JUNA利用錦屏一期實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了探測(cè)器本底研究,對(duì)不同屏蔽材料組合的探測(cè)器本底進(jìn)行了測(cè)量,從而確定了適合錦屏深地環(huán)境的探測(cè)器屏蔽結(jié)構(gòu)[45]。表2列出JUNA實(shí)驗(yàn)所用探測(cè)陣列的本底水平。

表2 JUNA平臺(tái)γ和中子探測(cè)陣列的本底水平

在束流引發(fā)本底的控制方面,JUNA實(shí)驗(yàn)通過(guò)提高束流的傳輸效率減少了束流在傳輸路徑上與各種元件材料的相互作用,同時(shí)使用高純度反應(yīng)靶避免了干擾反應(yīng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

2.2.2強(qiáng)流加速器平臺(tái) 核天體物理深地實(shí)驗(yàn)中,加速器束流強(qiáng)度和能量穩(wěn)定度也是決定測(cè)量靈敏度的關(guān)鍵因素。JUNA研制了強(qiáng)流高穩(wěn)定的400 kV加速器平臺(tái)(圖3),束流強(qiáng)度達(dá)到10 mA量級(jí),能量穩(wěn)定度好于0.05%。

圖3 JUNA 400 kV加速器平臺(tái)示意圖

JUNA強(qiáng)流加速器采用了2.45 GHz和14.5 GHz兩套ECR離子源系統(tǒng),通過(guò)高可靠性微波窗、高品質(zhì)束流引出系統(tǒng)和高壓脈沖調(diào)制等技術(shù)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)流束穩(wěn)定產(chǎn)生與可靠引出[46]。高壓加速部分采用了短加速間隙、大孔徑加速管,配合高能傳輸段分析磁鐵的非對(duì)稱(chēng)聚焦結(jié)構(gòu),克服了強(qiáng)流束傳輸中的空間電荷效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了mA級(jí)束流大于90%的傳輸效率[47]。同時(shí)采用大功率高穩(wěn)定的高壓電源,使強(qiáng)流束狀態(tài)下束流能量的長(zhǎng)期穩(wěn)定度好于0.05%,保證了實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精度。

JUNA加速器可提供最高能量400 keV、流強(qiáng)10 emA的質(zhì)子和He+束流以及最高能量800 keV、流強(qiáng)2 emA的He2+束流。表3對(duì)比了JUNA加速器平臺(tái)和其他深地加速器平臺(tái)的束流參數(shù)。其中,CASPAR使用傳統(tǒng)加速器方案束流強(qiáng)度較小,JUNA加速器由于采用全新的離子源系統(tǒng)與加速器方案,因此和LUNA相比束流強(qiáng)度提高了10倍以上,并能提供2+態(tài)的束流以獲得更高能量從而拓展了研究范圍。

表3 深地核天體物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)加速器參數(shù)比較

2.2.3低本底測(cè)量技術(shù) JUNA在錦屏超低本底環(huán)境和強(qiáng)流加速器的基礎(chǔ)上,發(fā)展了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù),包括高效探測(cè)系統(tǒng)、高功率固體靶以及主動(dòng)和被動(dòng)相結(jié)合的屏蔽技術(shù)。

1) 高效探測(cè)系統(tǒng)

探測(cè)效率決定了測(cè)量中能夠記錄到的反應(yīng)事例數(shù),也是影響實(shí)驗(yàn)靈敏度的重要因素。針對(duì)深地實(shí)驗(yàn)的不同反應(yīng)類(lèi)型,JUNA研制了高效率的γ射線探測(cè)陣列、中子探測(cè)陣列和帶電粒子探測(cè)陣列。其中全立體角γ射線鍺酸鉍(BGO)探測(cè)陣列采用了上海硅酸鹽研究所的高性能BGO晶體,利用8塊晶體構(gòu)建了超過(guò)95%立體角覆蓋的探測(cè)陣列,實(shí)現(xiàn)了70%(@6 MeV)的高能γ探測(cè)效率。JUNA利用晶體冷卻技術(shù)有效提高了BGO晶體的光產(chǎn)額,使探測(cè)陣列的能量分辨率達(dá)到10.9%,相較于LUNA同類(lèi)裝置有了明顯改善,如圖4所示。BGO探測(cè)陣列外圍構(gòu)建了鎘-鉛-銅復(fù)合結(jié)構(gòu)的屏蔽體,結(jié)合反符合技術(shù)JUNA實(shí)驗(yàn)將γ射線(6～10 MeV)的本底水平控制在每天13個(gè)左右。

圖4 JUNA BGO探測(cè)陣列能量分辨率

JUNA中子探測(cè)陣列采用了24根3He正比管探測(cè)單元和聚乙烯慢化體的復(fù)合結(jié)構(gòu),陣列外層還設(shè)計(jì)有5 cm的含硼聚乙烯屏蔽體。該中子探測(cè)陣列對(duì)2.5 MeV的中子探測(cè)效率達(dá)到25%,本底水平為4.7 h-1,相較地面降低兩個(gè)量級(jí)。

此外對(duì)于帶電粒子的探測(cè),JUNA構(gòu)建了一套4π硅探測(cè)陣列[48]。該陣列采用前放和探測(cè)器一體化的緊湊設(shè)計(jì),減少了通過(guò)前放輸入端引入的噪聲。

2) 高功率固體靶

JUNA加速器提供的強(qiáng)流束能有效提高測(cè)量的效應(yīng)本底比,但同時(shí)也給反應(yīng)靶帶來(lái)了很大挑戰(zhàn)。首先強(qiáng)流束帶來(lái)的大量功率沉積對(duì)靶的散熱能力提出了更高要求,其次在強(qiáng)流束的轟擊下,反應(yīng)靶表面濺射、起泡等破壞靶物質(zhì)的效應(yīng)將會(huì)放大,給測(cè)量的穩(wěn)定性帶來(lái)困難。

JUNA實(shí)驗(yàn)針對(duì)強(qiáng)流束設(shè)計(jì)了反應(yīng)靶和水冷單元雙層結(jié)構(gòu)的固體靶。其中水冷單元由高純無(wú)氧銅散熱片構(gòu)建,通過(guò)背面多微槽結(jié)構(gòu)(寬0.25 mm,間隔0.25 mm)形成的熱交換水路,能快速帶走束流在靶上沉積的能量。在此基礎(chǔ)上,還進(jìn)一步設(shè)計(jì)了偏心旋轉(zhuǎn)靶,借助自轉(zhuǎn)讓靶的不同位置輪換承受束流功率,將靶承受的最大功率提高數(shù)倍以上。

JUNA的反應(yīng)靶采用高純基底,通過(guò)離子注入、表面蒸鍍和磁過(guò)濾真空陰極弧沉積(FCVA)[49-51]等工藝,成功實(shí)現(xiàn)了高純度的同位素富集,避免了干擾反應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。同時(shí)采用靶外層鍍膜保護(hù)的方案,有效解決了強(qiáng)流束引起的濺射、起泡和層離等表面效應(yīng),大幅提高了實(shí)驗(yàn)靶的耐輻照壽命。

3) 主動(dòng)和被動(dòng)屏蔽技術(shù)

JUNA借助GeTHU超低本底測(cè)試平臺(tái)選擇低本底材料構(gòu)建了多材料復(fù)合結(jié)構(gòu)的探測(cè)器被動(dòng)屏蔽系統(tǒng),降低了環(huán)境和束流引發(fā)本底的影響。JUNA實(shí)驗(yàn)測(cè)量中還采用了基于探測(cè)器和數(shù)字信號(hào)處理的主動(dòng)屏蔽技術(shù)。對(duì)于BGO探測(cè)陣列,根據(jù)環(huán)境中子誘發(fā)γ射線本底的級(jí)聯(lián)躍遷特性,通過(guò)對(duì)同一時(shí)間內(nèi)探測(cè)陣列的響應(yīng)數(shù)進(jìn)行篩選,將γ射線本底進(jìn)一步降低了5～10倍。中子探測(cè)陣列的實(shí)驗(yàn)測(cè)量使用波形甄別技術(shù),通過(guò)中子和γ射線信號(hào)上升時(shí)間的差別有效剔除了γ射線對(duì)中子測(cè)量的影響。

JUNA借助錦屏地下實(shí)驗(yàn)室的本底優(yōu)勢(shì),建立了世界上最強(qiáng)流的深地加速器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。JUNA加速器的束流強(qiáng)度超過(guò)意大利LUNA 10倍以上,并借助2+態(tài)離子束拓展了實(shí)驗(yàn)的研究范圍。同時(shí),JUNA發(fā)展了一系列深地實(shí)驗(yàn)技術(shù),使低本底和強(qiáng)流束的優(yōu)勢(shì)得以充分發(fā)揮。圖5以(α,γ)反應(yīng)截面測(cè)量為例,對(duì)比了JUNA和其他深地平臺(tái)的測(cè)量極限,可以看出,JUNA在測(cè)量靈敏度上具有明顯優(yōu)勢(shì),其他深地核天體物理實(shí)驗(yàn)無(wú)法開(kāi)展的一些直接測(cè)量利用JUNA平臺(tái)能夠得以實(shí)現(xiàn)。

圖5 (α,γ)反應(yīng)截面測(cè)量范圍和靈敏度比較

2.3 JUNA首批實(shí)驗(yàn)測(cè)量

利用錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期建設(shè)的間隙,JUNA項(xiàng)目于2020年10月開(kāi)始在錦屏地下實(shí)驗(yàn)室A1實(shí)驗(yàn)廳試運(yùn)行,僅用3個(gè)月時(shí)間完成了加速器的深地安裝調(diào)試,2020年12月強(qiáng)流加速器平臺(tái)成功出束。圖6為JUNA強(qiáng)流加速器在深地現(xiàn)場(chǎng)安裝的照片。隨后JUNA開(kāi)展了多個(gè)核天體物理關(guān)鍵反應(yīng)的直接測(cè)量,研究范圍涉及恒星演化氫燃燒、氦燃燒階段關(guān)鍵反應(yīng)以及慢速中子俘獲過(guò)程(s-過(guò)程)的重要中子源反應(yīng)。表4列出JUNA平臺(tái)開(kāi)展首批實(shí)驗(yàn)測(cè)量的束流情況,利用強(qiáng)流加速器平臺(tái)的優(yōu)勢(shì),JUNA實(shí)驗(yàn)短期內(nèi)就取得了多項(xiàng)重要研究成果。

表4 JUNA首批實(shí)驗(yàn)加速器平臺(tái)參數(shù)

圖6 JUNA強(qiáng)流加速器深地現(xiàn)場(chǎng)安裝照片

1)25Mg(p,γ)26Al反應(yīng)直接測(cè)量

25Mg(p,γ)26Al反應(yīng)是恒星爆發(fā)性氫燃燒中鎂鋁循環(huán)的關(guān)鍵反應(yīng),對(duì)理解大質(zhì)量恒星演化過(guò)程中重元素的核合成具有重要意義,同時(shí)有助于解決銀河系觀測(cè)中大量26Al特征γ射線來(lái)源的疑難問(wèn)題。理論研究表明,對(duì)反應(yīng)起主導(dǎo)作用的是26Al質(zhì)心系58、92、190、304 keV 等幾個(gè)共振能級(jí)的共振強(qiáng)度。由于該反應(yīng)在伽莫夫窗口截面很小,地面實(shí)驗(yàn)僅能測(cè)到質(zhì)心系190 keV能級(jí)的共振強(qiáng)度,且誤差很大。

JUNA通過(guò)厚靶實(shí)驗(yàn)方法利用4π立體角BGO γ射線探測(cè)陣列,測(cè)量了25Mg(p,γ)26Al反應(yīng)幾個(gè)低能級(jí)的共振強(qiáng)度[55],其中92 keV能級(jí)的共振強(qiáng)度為(3.8±0.4)×10-10eV。對(duì)比2012年意大利LUNA的結(jié)果((2.9 ± 0.4)×10-10eV)[29],測(cè)量精度提高20%以上。結(jié)合理論計(jì)算,JUNA實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確確定了反應(yīng)產(chǎn)生γ射線的分支比,得到92 keV共振能級(jí)布居26Al基態(tài)和同質(zhì)異能態(tài)的比例為66%和34%,對(duì)解釋銀河系大量26Al特征γ射線來(lái)源提供了幫助。

圖7給出了25Mg(p,γ)26Al反應(yīng)92 keV能級(jí)共振強(qiáng)度和基態(tài)分配因子的比較[55],可以看出JUNA的測(cè)量獲得了更高的精度。

圖7 25Mg(p,γ)26Al反應(yīng)測(cè)量結(jié)果的比較[55]

2)19F(p,αγ)16O反應(yīng)直接測(cè)量

宇宙中氟元素的起源迄今仍是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題,它是核天體物理的一個(gè)重要研究方向。理論研究認(rèn)為,恒星演化末期的漸近巨星支星(AGB星)是氟元素的主要合成場(chǎng)所,但由于缺乏與氟相關(guān)的一系列關(guān)鍵核反應(yīng)在伽莫夫窗口的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),目前標(biāo)準(zhǔn)的AGB星模型尚無(wú)法解釋天文觀測(cè)中的氟超豐現(xiàn)象。19F(p,α)16O是AGB星中氟元素的主要消耗方式之一,在伽莫夫窗口(質(zhì)心系能量70～350 keV)反應(yīng)截面極低(約10-12b),之前實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尚屬空白。

對(duì)19F(p,α)16O反應(yīng)率有貢獻(xiàn)的主要有(p,αγ)和(p,α0)兩個(gè)反應(yīng)道。JUNA實(shí)驗(yàn)利用4π立體角BGO γ射線探測(cè)陣列,開(kāi)展了(p,αγ)反應(yīng)道研究,將測(cè)量的最低能量由之前質(zhì)心系198 keV[52]向下推進(jìn)至72.4 keV。JUNA的測(cè)量首次全面覆蓋AGB星的伽莫夫能區(qū),獲得了該反應(yīng)天體物理S因子的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)(圖8),結(jié)合R矩陣計(jì)算將之前天體環(huán)境溫度T9=0.1附近的反應(yīng)率不確定度降低了2～3個(gè)數(shù)量級(jí)[56]。

圖8 JUNA實(shí)驗(yàn)19F(p,αγ)16O反應(yīng)S因子測(cè)量結(jié)果[56]

3)19F(p,γ)20Ne反應(yīng)直接測(cè)量

19F(p,γ)20Ne反應(yīng)是恒星演化氫燃燒階段CNO循環(huán)的突破反應(yīng),是形成質(zhì)量數(shù)A>20核素的重要途徑。藉由19F(p,γ)20Ne反應(yīng),在宇宙早期第一代恒星(也稱(chēng)Pop Ⅲ星,或最古老恒星)演化中就可突破CNO循環(huán),形成A>20的核素,并經(jīng)過(guò)一系列質(zhì)子俘獲和β+衰變最終生成穩(wěn)定的雙幻數(shù)核40Ca,但天體理論模型計(jì)算的40Ca豐度比觀測(cè)值低了10～100倍。因此,第一代恒星中的鈣元素的起源仍是一個(gè)謎。

19F(p,γ)20Ne反應(yīng)截面極低,JUNA首次在深地開(kāi)展了該反應(yīng)的直接測(cè)量,將測(cè)量能量由之前的300 keV推進(jìn)到186 keV,并在能量225 keV處發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的共振。結(jié)合理論計(jì)算,新共振能級(jí)使19F(p,γ)20Ne反應(yīng)率在天體溫度T9=0.1處提高了大約7倍,從而重現(xiàn)了最古老恒星(SMSS J031300.36-670839.3)中40Ca豐度的觀測(cè)數(shù)據(jù)[57](圖9)。這為解釋宇宙第一代恒星中重元素的起源提供了確鑿的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

圖9 基于不同19F(p,γ)16O反應(yīng)率計(jì)算的40Ca豐度[57]

4)13C(α,n)16O反應(yīng)直接測(cè)量

從鐵到鈾的重元素來(lái)源一直是物理學(xué)的重大科學(xué)問(wèn)題之一。理論研究認(rèn)為重元素中有50%是在AGB星中通過(guò)s-過(guò)程產(chǎn)生。最新天文觀測(cè)和研究表明,當(dāng)環(huán)境中的中子密度介于慢速和快速中子俘獲過(guò)程之間時(shí),重元素合成還存在一種中間過(guò)程(i-過(guò)程)。13C(α,n)16O反應(yīng)提供了中小質(zhì)量恒星s-過(guò)程和i-過(guò)程的主要中子源,其反應(yīng)率是研究這些核合成的基準(zhǔn)數(shù)據(jù),對(duì)于認(rèn)識(shí)重元素的合成具有重要意義。對(duì)應(yīng)s-過(guò)程和i-過(guò)程,13C(α,n)16O反應(yīng)的伽莫夫窗口分別是質(zhì)心系150～300 keV和200～540 keV,反應(yīng)截面極小(<10-12b),直接測(cè)量在地面實(shí)驗(yàn)室無(wú)法完成。

JUNA利用強(qiáng)流加速器平臺(tái),結(jié)合地面四川大學(xué)的串列加速器,在質(zhì)心系240～1 200 keV能區(qū)直接測(cè)量了13C(α,n)16O的反應(yīng)截面,首次涵蓋了i-過(guò)程的伽莫夫窗口[58]。與LUNA實(shí)驗(yàn)[31]相比,JUNA測(cè)量精度和能量范圍均有所提升(圖10),為s-過(guò)程和i-過(guò)程的研究提供了更為可靠的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

圖10 JUNA實(shí)驗(yàn)13C(α,n)16O測(cè)量結(jié)果與其他實(shí)驗(yàn)比較[58]

5)12C(α,γ)16O反應(yīng)直接測(cè)量

12C(α,γ)16O反應(yīng)是天體演化中的最重要反應(yīng)之一,在所有質(zhì)量大于0.55倍太陽(yáng)質(zhì)量的恒星演化中都起著關(guān)鍵作用,其截面對(duì)上至鐵的中等質(zhì)量核素的合成和大質(zhì)量恒星后期的演化進(jìn)程有著決定性影響[59]。該反應(yīng)在伽莫夫能區(qū)(質(zhì)心系(300±80) keV)截面極低(約10-17b),且反應(yīng)機(jī)制復(fù)雜,給實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算帶來(lái)很大困難。如圖11所示,12C(α,γ)16O反應(yīng)Q值為7.16 MeV,在質(zhì)心系能量300 keV附近,其反應(yīng)截面不僅包括直接俘獲輻射部分,域上9.59 MeV(Jπ=1-)能級(jí)寬共振的低能尾巴和域下7.12 MeV(Jπ=1-)、6.92 MeV(Jπ=2+)兩個(gè)束縛態(tài)共振的高能尾巴也有重要貢獻(xiàn)。正是因?yàn)樵谔祗w演化中極其重要的意義和復(fù)雜機(jī)制給實(shí)驗(yàn)和理論研究帶來(lái)的巨大困難,12C(α,γ)16O反應(yīng)被譽(yù)為核天體物理實(shí)驗(yàn)的圣杯。自20世紀(jì)70年代至今,人們經(jīng)過(guò)近50年的努力,伽莫夫能區(qū)的反應(yīng)截面數(shù)據(jù)仍遠(yuǎn)未達(dá)到理論模型要求的精度。

圖11 16O共振能級(jí)對(duì)12C(α,γ)16O反應(yīng)截面的影響

2021年,JUNA首次完成了12C(α,γ)16O反應(yīng)的深地直接測(cè)量,將測(cè)量的最低能量由質(zhì)心系891 keV[54]推進(jìn)到552 keV,第一次獲得該反應(yīng)伽莫夫窗口能區(qū)附近的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。JUNA的實(shí)驗(yàn)測(cè)量利用深地強(qiáng)流加速器裝置提供的強(qiáng)流He2+束(約1 mA),通過(guò)4π立體角BGO陣列結(jié)合主動(dòng)屏蔽技術(shù)實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)全截面的測(cè)量。同時(shí)實(shí)驗(yàn)中使用離子沉積厚靶技術(shù)獲得了高純度的同位素靶,突破了強(qiáng)流束引發(fā)的各種表面效應(yīng)難題,有效避免了13C雜質(zhì)的干擾反應(yīng)并大幅提升了靶的耐輻照能力。JUNA實(shí)驗(yàn)測(cè)量的靈敏度達(dá)到10-12b,比原有測(cè)量水平提高1個(gè)量級(jí),相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果正準(zhǔn)備發(fā)表。

6)18O(α,γ)22Ne反應(yīng)直接測(cè)量

隕石中的SiC顆粒保存了大量AGB星核合成的原始信息,細(xì)致的質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn)SiC顆粒的大小和其內(nèi)部Ne同位素豐度比例存在著較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)。因此,Ne 同位素豐度比例可以用于研究這些SiC顆粒的起源AGB星的性質(zhì),如質(zhì)量和金屬性等。AGB星核合成中,Ne元素的兩個(gè)同位素21Ne和22Ne主要通過(guò)18O的α俘獲反應(yīng)產(chǎn)生,其中18O(α,n)21Ne產(chǎn)生21Ne,18O(α,γ)22Ne反應(yīng)產(chǎn)生22Ne,因此這兩個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)率比例直接決定了AGB星核合成中21Ne/22Ne的豐度比。然而,由于在470 keV附近的一個(gè)關(guān)鍵共振的共振參數(shù)不確定,在AGB星典型溫度范圍(T9=0.1～0.3)內(nèi),18O(α,γ)22Ne反應(yīng)率誤差很大,導(dǎo)致天體模型計(jì)算無(wú)法得到精確的AGB星Ne同位素豐度比。

此外,18O(α,γ)22Ne反應(yīng)產(chǎn)生的22Ne為s-過(guò)程另一個(gè)重要的中子源反應(yīng)22Ne(α,n)25Mg提供了種子核,其反應(yīng)率大小對(duì)s-過(guò)程中質(zhì)量數(shù)小于90的核素合成研究也具有重要的意義。

JUNA利用4π立體角BGO γ射線探測(cè)陣列,在錦屏實(shí)驗(yàn)室完成了18O(α,γ)22Ne反應(yīng)470 keV附近共振能量和共振強(qiáng)度的高精度測(cè)量[60]。JUNA實(shí)驗(yàn)精確確定了共振能量為(474.0±1.1) keV,并得到了共振態(tài)的自旋宇稱(chēng)。利用這一結(jié)果得出的18O(α,γ)22Ne反應(yīng)在AGB星典型溫度區(qū)間精確的反應(yīng)率,精度相比以前的結(jié)果[61-62]提高10倍以上(圖12)。高精度的反應(yīng)率使21Ne同位素豐度的預(yù)測(cè)更加準(zhǔn)確,對(duì)比隕石中發(fā)現(xiàn)的SiC星塵顆粒的21Ne豐度數(shù)據(jù),能夠幫助我們了解這些星塵顆粒來(lái)源的AGB母星質(zhì)量等性質(zhì)。

圖12 JUNA實(shí)驗(yàn)18O(α,γ)22Ne反應(yīng)率與其他結(jié)果比較[60]

3 總結(jié)與展望

核天體物理將微觀世界和宏觀世界奇妙地融合在一起,始終處于基礎(chǔ)研究的前沿領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)近一個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,人們對(duì)恒星演化以及元素合成有了更深入的理解,但依然存在很多亟待破解的難題。著名核天體物理學(xué)家威廉·福勒在1983年諾貝爾獲獎(jiǎng)感言中說(shuō)到:人類(lèi)身體的90%是由碳元素和氧元素組成的,我們了解其中的化學(xué)和生物過(guò)程,但我們確實(shí)不知道形成碳元素和氧元素的天體核過(guò)程。如今,對(duì)于恒星演化和元素核合成中的關(guān)鍵一環(huán)——從碳到氧的核過(guò)程依然沒(méi)有可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這些天體演化進(jìn)程中重要核反應(yīng)數(shù)據(jù)的缺失是因?yàn)楹阈瞧椒€(wěn)演化階段伽莫夫窗口內(nèi)帶電粒子的反應(yīng)截面非常低,在地面環(huán)境開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究非常困難。地下實(shí)驗(yàn)室特別是深地實(shí)驗(yàn)室對(duì)宇宙線本底的屏蔽,給核天體物理完成這些反應(yīng)的直接測(cè)量提供了絕佳機(jī)會(huì)。

1990年世界首個(gè)深地核天體物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目意大利LUNA啟動(dòng),1994年正式開(kāi)始實(shí)驗(yàn)測(cè)量。LUNA項(xiàng)目將天體演化關(guān)鍵反應(yīng)的研究帶入到精確測(cè)量的新階段。隨后,美國(guó)于2015年啟動(dòng)了CASPAR項(xiàng)目,2020年我國(guó)JUNA項(xiàng)目成功實(shí)施。JUNA憑借加速器流強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)占據(jù)了深地核天體物理的領(lǐng)先位置,僅用4個(gè)月的深地實(shí)驗(yàn)時(shí)間就取得多項(xiàng)重要研究成果,特別是JUNA首次在深地實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展了核天體物理圣杯反應(yīng)12C(α,γ)16O的直接測(cè)量,將測(cè)量能量推進(jìn)到了伽莫夫窗口附近(圖13)。

圖13 12C(α,γ)16O反應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究歷程

深地核天體物理實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)是借助極低宇宙線本底的環(huán)境開(kāi)展天體演化過(guò)程中一些極低截面核反應(yīng)的精確測(cè)量,對(duì)此LUNA進(jìn)行了開(kāi)創(chuàng)性的工作,后續(xù)CASPER和JUNA的加入則為深地實(shí)驗(yàn)測(cè)量注入了新的活力。未來(lái)深地實(shí)驗(yàn)發(fā)展的方向一方面是突破反應(yīng)截面測(cè)量靈敏度的極限,實(shí)現(xiàn)核天體物理中的一些極低截面核反應(yīng)在伽莫夫窗口的直接測(cè)量,其中包括圣杯反應(yīng)12C(α,γ)16O(截面約10-17mb);另一方面是提高加速器裝置的能量范圍,使研究范圍覆蓋恒星平穩(wěn)演化階段主要核過(guò)程的伽莫夫窗口能區(qū)。同時(shí)拓展深地加速器的研究領(lǐng)域也是深地實(shí)驗(yàn)的一個(gè)重要發(fā)展方向。

1) 深地實(shí)驗(yàn)核心裝置加速器能力的提升是深地實(shí)驗(yàn)發(fā)展的最重要方向?？紤]到加速器束流本底和干擾反應(yīng)的影響,目前深地反應(yīng)截面測(cè)量的極限在10-15～10-13mb,要將測(cè)量極限突破10-17mb,需要極大限度地提高測(cè)量的效應(yīng)本底比。其中提高加速器的束流強(qiáng)度是最直接和有效的途徑。

2) 極低截面綜合測(cè)量技術(shù)的提升是深地實(shí)驗(yàn)發(fā)展的另一個(gè)重要方向。當(dāng)前利用覆蓋全空間的陣列組合已經(jīng)有效提高了實(shí)驗(yàn)的探測(cè)效率,因此測(cè)量中的本底水平因素成為影響測(cè)量精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。深地實(shí)驗(yàn)室提供了極低的宇宙線本底環(huán)境,同時(shí)也放大了地面實(shí)驗(yàn)中無(wú)需過(guò)多考慮的各種本底環(huán)節(jié),包括環(huán)境本底、裝置材料自身的放射性本底和束流傳輸打靶過(guò)程中引發(fā)的本底。

進(jìn)一步降低深地實(shí)驗(yàn)的本底水平突破測(cè)量靈敏度極限需要各種測(cè)量技術(shù)的綜合提升。其中最重要的是新一代探測(cè)技術(shù)的發(fā)展:在保持高效率的同時(shí),利用低本底的新型晶體材料研制高分辨探測(cè)陣列;結(jié)合脈沖束、反符合等實(shí)驗(yàn)技術(shù),實(shí)現(xiàn)探測(cè)陣列的粒子分辨、時(shí)間分辨和位置分辨能力,從而大幅減小束流本底的影響。此外,加速器束流強(qiáng)度的提高對(duì)反應(yīng)靶技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn),在實(shí)現(xiàn)高純度靶物質(zhì)的同時(shí)反應(yīng)靶需要在幾十千瓦的熱功率下保持長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定工作。新近發(fā)展的超音速噴射型無(wú)窗氣體靶技術(shù),在增加靶厚的同時(shí)能夠有效避免熱功率在靶上的沉積,將是未來(lái)深地反應(yīng)靶技術(shù)的重要發(fā)展方向。

在現(xiàn)有技術(shù)條件的基礎(chǔ)上,如果深地加速器裝置的束流強(qiáng)度提高到100 mA,束流本底控制在與探測(cè)器自身本底相當(dāng)?shù)乃?深地實(shí)驗(yàn)截面測(cè)量的極限將達(dá)到10-17mb(圖14),實(shí)現(xiàn)對(duì)天體平穩(wěn)演化階段主要核過(guò)程的精確測(cè)量,包括核天體物理實(shí)驗(yàn)中的圣杯反應(yīng)12C(α,γ)16O。這也是深地核天體物理實(shí)驗(yàn)發(fā)展的主要目標(biāo)。

圖14 深地實(shí)驗(yàn)不同束流強(qiáng)度的測(cè)量精度

3) 在突破截面測(cè)量極限的同時(shí),開(kāi)展深地加速器的多領(lǐng)域研究也是深地實(shí)驗(yàn)的重要發(fā)展方向。拓展深地加速器平臺(tái)的研究領(lǐng)域?qū)τ诔浞职l(fā)揮先進(jìn)加速器裝置、測(cè)量技術(shù)與深地極低輻射本底環(huán)境的組合優(yōu)勢(shì),以及擴(kuò)大深地核天體物理研究的生存空間具有重要的意義。包括提供核數(shù)據(jù)中重要反應(yīng)的高精度參數(shù)、開(kāi)展新能源領(lǐng)域低能聚變反應(yīng)的精確測(cè)量、進(jìn)行材料科學(xué)和環(huán)境科學(xué)中痕量放射性分析等都將是未來(lái)深地加速器裝置可拓展的研究方向。

目前國(guó)際上3個(gè)深地核天體物理實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都在努力尋求測(cè)量能力和研究范圍的突破。CASPAR因?qū)嶒?yàn)室建設(shè)需要暫時(shí)撤出了桑福德地下研究中心,對(duì)于日后的再次入駐,提升加速器束流強(qiáng)度無(wú)疑是其首要任務(wù)。LUNA的新一代3.5 MV單端靜電加速器已進(jìn)入安裝調(diào)試階段,計(jì)劃利用格蘭薩索實(shí)驗(yàn)室的B廳空間,將原有400 kV加速器和新建3.5 MV加速器組合成能量互補(bǔ)的離子束裝置,以形成束流能量覆蓋范圍的優(yōu)勢(shì)。JUNA將于2023年底正式入駐錦屏地下實(shí)驗(yàn)室,在利用現(xiàn)有400 kV強(qiáng)流加速器開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究的同時(shí),JUNA提出了新一代深地實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Super-JUNA計(jì)劃。Super-JUNA將適當(dāng)提高加速器能量覆蓋核天體物理研究中核心反應(yīng)的伽莫夫窗口,以提升束流強(qiáng)度和突破測(cè)量技術(shù)作為主要目標(biāo),繼續(xù)保持深地實(shí)驗(yàn)測(cè)量的靈敏度優(yōu)勢(shì)。展望深地核天體物理的發(fā)展,CASPER借實(shí)驗(yàn)室改造之機(jī)蓄勢(shì)待發(fā),LUNA憑借能量寬度優(yōu)勢(shì)雄心勃勃,JUNA欲以束流強(qiáng)度之利長(zhǎng)風(fēng)破浪,深地核天體物理實(shí)驗(yàn)未來(lái)可期!

JUNA加速器平臺(tái)在錦屏深地實(shí)驗(yàn)室安裝調(diào)試過(guò)程中得到了清華大學(xué)和雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)公司的全力支持,尤其是在實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)建設(shè)和后勤服務(wù)方面,中國(guó)錦屏地下實(shí)驗(yàn)室(CJPL)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維部門(mén)和錦屏地下實(shí)驗(yàn)室管理局給予了全方位的保障。在深地實(shí)驗(yàn)測(cè)量中JUNA得到了清華大學(xué)和上海交通大學(xué)的幫助。在此作者一并表示感謝。