中国原子能科学研究院核物理基础研究最新进展与展望

核物理是物质科学研究的基础研究前沿和重大应用领域之一,对人类探索物质结构的微观层次、国家的地位与安全发挥了重大作用。中国原子能科学研究院(简称原子能院)核物理基础研究团队依托北京放射性核束装置、HI-13串列加速器、锦屏深地核天体物理加速器等实验设施,开展了核物理基础相关实验与理论研究,在质子晕核破裂机制、不稳定核衰变新模式、核天体反应深地高精度测量、激光驱动核反应等方面取得了多项创新研究成果。本文评述了“十四五”期间原子能院在核物理基础研究方面取得的一些最新进展,并展望了原子能院未来在核物理大科学装置、特色中小型装置、核理论、新型实验技术、学科交叉融合等方面的发展思路。

用于深地核天体物理实验的无窗气体靶差分结构和热效应研究

我国锦屏深地核天体物理(JUNA)平台是世界上束流强度最高的深地实验平台,为我国争取核天体物理国际领先地位提供了重要机遇。无窗气体靶是深地低能核天体物理实验测量的关键设备,可实现特定同位素参与核反应的直接测量,能有效拓展深地实验的研究范围。国际上已有多家实验室将无窗气体靶应用于低能核反应的研究,但针对的都是较低流强的实验。为适应锦屏高功率强束流的实验需求,本工作设计可用于强流束的气体靶装置。通过Ansys Fluent和COMSOL软件模拟计算,验证了多级差分结构的可行性,并研究了靶厚的束流加热效应和量热器热效应,提出了无窗气体靶实验的设计优化方案,为后续JUNA深地实验研究的发展提供了可靠依据。

锦屏深地核天体物理实验进展

深地极低辐射本底环境是核天体物理关键反应直接测量的基础。1990年世界首个深地核天体物理实验项目LUNA在意大利LNGS启动,此后美国和中国也开展了深地实验研究。为实现核天体物理关键反应的精确测量,我国在中国锦屏地下实验室建立了首个深地核天体物理实验项目,即JUNA项目。JUNA研制了强流高稳定加速器装置,束流强度超过意大利LUNA装置的10倍,同时发展了一系列极低辐射本底环境下的测量技术。2021年,JUNA试运行期间完成了多项重元素合成核天体物理关键反应的直接测量,取得重要研究成果。本文对JUNA项目的深地测量技术和开展的实验研究进行综述,并展望以束流强度和测量技术的突破为主要目标的新一代深地实验计划。

基于HI-13串列加速器的核天体物理研究

中国原子能科学研究院核天体物理研究组在HI-13串列加速器核物理国家实验室建成了我国首条低能放射性次级束流线,产生了从^(6)He到^(22)Na等11种放射性核束,利用这些放射性束流通过测量逆运动学转移反应开展了一系列核天体物理重要反应的研究,另外还通过厚靶实验方法和电荷交换反应开展了天体物理相关重要核结构信息的研究。在串列加速器Q3D磁谱仪上,利用稳定束测量了许多单核子转移和α基团转移的角分布,基于渐进归一化系数(Asymptotic Normalization Coefficient,ANC)或谱因子方法得到了一系列天体物理关键反应的天体物理S因子和反应率,为元素丰度、天体模型等相关研究提供了重要实验依据。

2022年原子核物理科技热点回眸

作为连接微观粒子物理与介观原子分子物理的桥梁,核科学是一个广泛而多样的学科。从宇宙大爆炸后几个微秒内生成的夸克-胶子等离子体,到质子和中子的形成开始以及元素的合成与演化,再到天体核过程的恒星爆炸和中子星并合,原子核物理学是我们理解宇宙的基础。同时,经过百余年的发展,核物理领域仍有蓬勃的生命力,大量未知现象的发现与科技的发展为人类带来了新的机遇与挑战。简要回顾了2022年原子核物理科技发展的前沿与热点,其中不乏国内引领的优秀工作。而这些方向的突破也为基础科学的发展、国家安全的保障和其他社会应用开辟了新的途径。

放射性核束物理与核天体物理

基于兰州重离子加速器国家实验室 (HIRFL )的中能放射性核束线 (RIBLL)及北京串列加速器国家实验室 (HI- 1 3 )的低能放射性核束线 (GIRAFFE) ,开展放射性核束物理和核天体物理研究 ,拟解决的关键科学问题是 :远离β稳定线核的结构与反应 ;超重新核素及近滴线核素的合成和性质研究 ,极端同位旋非对称核物质特性和关键的天体核反应研究 .研究内容分成 7个课题 :(1 )晕核研究 ;(2 )新核素合成及超重新核素研究 ;(3 )丰中子核结构和反应 ;(4)丰质子核结构和反应 ;(5 )高自旋的同位旋相关性 ;(6 )关键天体核反应 ;(7)系统的理论研究 .上述研究也将是 2 0 0 5年建成的国家大科学工程——兰州冷却贮存环的主要科学目标的研究基础 .简述了近期的主要工作进展 .

我国核地球物理勘查的若干新进展

回顾了近半个世纪以来，特别是近几年来我国核地球物理勘查的发展及取得的成就．它已由50年代创建初期的单纯用于找铀矿，发展到现在在环境科学、水文地质和工程地质、寻找油气田、钾盐、磷矿、铜锡矿等方面的全方位应用；在理论上有所突破，方法技术上有所创新，并已逐步走向系列化和标准化；在与其他学科相互渗透方面得到了发展；以及在油气、煤炭测井的测试仪器等方面也都有重要进展．本文还对核地球物理今后的发展提出了看法，首先，为适应多领域应用和方法技术本身的发展，应深化应用基础理论研究；其次，要发展和提高测量结果的推断解释水平，研究消除、减少干扰因素的理论和技术；第三，应更多地运用近代科学技术的新成果，创立自已的理论和方法；第四，要根据经济的发展和生产的需要，使核物探稳步走向市场．

核地球物理学的X射线荧光技术在我国固体矿产资源中的研究与应用

本文概述:1.理论研究及基体效应的校正;2.本文作者设计与发展的HYX-1轻便型X射线荧光仪、HYX-2轻便型双道X射线荧光仪、HYX-3微型机400道X射线荧光仪、JXY-1X射线荧光测井仪以及用于各型轻便型X射线荧光仪的找金矿滤波器;3.用于Fe、Mn、Cu、Ni、Cr、Zn、Pb、Sr、Mo、As、Sn、sb、Ba、W、Hg、Au、K、P等矿种的勘查或开采中的测定。实践表明,核地球物理学的X射线荧光技术在勘探和生产中是有效而经济的工具。

一类生灭过程及其在核天体物理计算中的应用

研究一类生灭过程,利用矩阵分解技巧求出了生灭过程微分方程的解,并将之应用于核天体物理中太阳系慢中子俘获过程重元丰度计算问题研究,计算结果与天文观测值一致.

应用核地球物理γ测量对固体废弃物进行监测研究

放射性物质一方面具有巨大的原子能造福于人类，另一方面对人体健康有害。因此应予以监测并防止污染环境。本课题的研究成果包括：理论基础；方法和技术；仪器与应用规则；监测结果；结论与建议。

基于ARM核的核地球物理数据采集卡的设计

针对目前核地球物理数据测量仪中功耗大,体积大,处理数据慢,不适于野外便携式操作的情况,设计了一种以ARM7微处理器核为数据平台,采用嵌入式处理器LPC2148作为数据处理核心,系统电路采用LTC1605进行模数转换,采用硬件电路扣除死时间的核地球物理数据采集卡。该数据采集卡具有可靠性好、功耗低、集成程度高、分析精度和现场数据处理能力强等特点,可适配α、β、γ、X等探测器,组成多用途、便携式能谱测量仪器。

核地球物理学原位测品位计算线储量

核地球物理学中的x射线荧光取样法、活化取样法、γ射线辐射取样法等测量方法，不仅可以用于地面槽底或巷壁测量，而且可用于对岩心、井壁、江湖河海的水底测量，进行原位测定品位等级，划分矿层厚度，计算“线储量”。其特点，可加快勘查速度，提高经济效益，保护环境。

原子核物理中的协变密度泛函理论

文章介绍了原子核协变密度泛函理论的历史发展、理论框架、对原子核基态和激发态的描述以及在一些交叉学科领域的应用。首先,通过回顾原子核物理研究中的几个重要里程碑并结合二十一世纪原子核物理面临的机遇和挑战,对当前核物理的研究热点和重要课题进行了介绍。随后系统介绍了原子核协变密度泛函理论,内容包括协变密度泛函理论的历史发展、一般理论公式、介子交换模型、点耦合模型、交换项、张量相互作用、物理观测量的计算公式等。协变密度泛函理论的应用包括原子核基态性质和激发态性质的描述以及在核天体物理与标准模型检验中的应用。其中,基态性质包括原子核结合能、半径、单粒子能级、共振态、磁矩、晕现象等。激发态性质包括原子核磁转动、低激发态性质、集体转动、量子相变、集体振动等。在核天体物理与标准模型检验的应用中,主要以核纪年法测算宇宙年龄和Cabibbo-Kobayashi-Maskawa矩阵的幺正性检验等为例,介绍协变密度泛函理论在交叉学科领域的应用。

星际^（26）Al核合成研究面临的困难──核天体物理学的重大疑难问题

介绍了有关星际￣（２６）Ａｌ（衰变伴随１．８０９ＭｅＶγ射线）的空间观测结果；讨论了与￣（２６）Ａｌ及其有关放射性核素（￣（２２）Ｎａ）的核反应链及其最近核物理实验进展；并由此分析了目前关于星际￣（２６）Ａｌ起源的各种天体模型面临的困难。最后，作者提出一种产生星际￣（２６）Ａｌ的新的可能的途径与Ｉａ型超新星模型的设想。

我国核地球物理的发展与展望

结合我国 5 0年代以来核地球物理方法和仪器的发展历程 ,概况了航空、地面、测井、测氡、热释光及人工放射性方法在寻找放射性矿产、油气藏及环境辐射评价方面的应用和最新进展 ,以及各个历史时期取得的主要成就 ,并就氡的迁移机制、土壤热释光的应用。

核天体物理反应率拟合方法研究

为进行大规模核天体网络运算,通常将核天体物理反应率拟合为与温度相关的数值表达式,以简化程序中的核物理输入量。通过分析国际上常用的几种核天体物理数据库,本工作得到了一种新的拟合方法,其对反应率的拟合精度较目前国际上通用的REACLIB和NACRE数据库的拟合方法的有明显改善。该拟合方法适用于直接反应和窄共振、宽共振、阈下共振和多谐共振反应,方便建立核天体物理反应率数据库。

物理信息依赖核函数配点法的研究进展

在过去几十年里,尽管有限元等传统计算方法已被成功用于众多科学与工程领域,但是其在数值模拟无限域波传播、大尺寸比结构、工程反演和移动边界问题时仍面临计算量大、计算效率低、网格生成困难等计算难题.本文介绍一类基于物理信息依赖核函数的无网格配点法及其在上述难点问题中的应用.物理信息依赖核函数配点法的关键在于构建能反映问题微分控制方程物理信息的基函数.基于这些物理信息依赖核函数,该方法无需/仅需少量配点对所求微分控制方程进行离散,即可有效提高计算效率.本文首先介绍满足常见齐次微分方程的基本解、调和函数、径向Trefftz函数以及T完备函数等典型物理信息依赖核函数.接着依次介绍非齐次、非均质、非稳态以及隐式微分方程构造物理信息依赖核函数的方法.随后,根据所求问题特点,选用全域配点或局部配点技术,建立相应的物理信息依赖核函数配点法.最后,通过几个典型算例验证所提物理信息依赖核函数配点法的有效性.

核地球物理学X辐射取样技术研究和应用

本文论述了Ｘ辐射取样技术的物理基础。对Ｘ辐射取样中存在的三个关键性技术问题：不平度效应、不均匀效应和基体效应，进行了系统地分析与研究，提出了解决问题的方法技术，并成功地应用于金、锡和铜矿种的普查、勘探和矿山开采各阶段，能满足生产部门的要求。

原子能院的核天体物理研究和串列升级工程进展(英文)

在北京串列实验室建立了次级束流实验装置 ,用于放射性核束物理和核天体物理研究 .先后开展了7Be(d ,n) 8B ,11C(d ,n) 12 N ,8Li(d ,p) 9Li和6 He(p ,n) 6 Li核天体物理重要反应的研究 .介绍了串列加速器升级工程的进展情况 .该工程在现有串列加速器的基础上 ,将建立 10 0MeV/ 2 0 0 μA的质子回旋加速器、在线同位素分离器和超导加速段 .在此装置上 ,将可以产生质量数最高为 12 0 ,强度最高为 10 9particles/s的放射性束流 .