海拔4400多米的四川稻城海子山上，一個名為“高海拔宇宙線觀測站”（LHAASO，以下稱“拉索”）的龐大科學(xué)裝置正在靜靜地“凝視”著天空。在這個占地1.36平方千米的觀測站中，除了我們熟悉的水切倫科夫探測器和電磁粒子探測器外，還有一種全新的探測設(shè)備正在發(fā)揮著獨(dú)特的作用——熱中子探測器陣列。這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的應(yīng)用，為解開宇宙射線“膝區(qū)”這一困擾科學(xué)界數(shù)十年的謎題提供了全新的視角。

百年追尋：宇宙射線研究的歷史足跡

20世紀(jì)初，研究人員在大氣電離實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)了來自太空的高能粒子流。這些被稱為宇宙射線的粒子以接近光速的速度撞擊地球大氣層，產(chǎn)生壯觀的粒子“瀑布”——大氣簇射現(xiàn)象。一個多世紀(jì)以來，宇宙射線研究一直是探索宇宙結(jié)構(gòu)和演化的重要窗口。在這個領(lǐng)域中，有個現(xiàn)象特別引人關(guān)注——“膝區(qū)”。科學(xué)家測量宇宙射線的能量分布時發(fā)現(xiàn)，在大約1015電子伏特附近，原本單調(diào)下降的能譜曲線出現(xiàn)明顯拐折，形狀像人的膝蓋彎曲，因此得名。具體表現(xiàn)為：在1010到1015電子伏特范圍內(nèi)，宇宙射線流強(qiáng)隨能量變化的指數(shù)約為-2.7，而在1015到1018電子伏特區(qū)域，這個指數(shù)突然變?yōu)?3.1。這個看似微小的變化，實(shí)際蘊(yùn)含著宇宙射線起源和加速機(jī)制的關(guān)鍵信息。

然而，盡管世界各地的宇宙射線實(shí)驗(yàn)都觀測到了膝區(qū)現(xiàn)象，但不同實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果卻存在高達(dá)30%的系統(tǒng)性差異。造成這種差異的原因是多方面的：實(shí)驗(yàn)規(guī)模偏小，統(tǒng)計樣本不夠充分；探測手段相對單一，難以應(yīng)對多能量、多成分的復(fù)雜局面；探測器對不同宇宙射線成分的分辨能力有限；等等。面對這些技術(shù)挑戰(zhàn)，研究人員開始尋找新的突破口，熱中子探測技術(shù)正是在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。

技術(shù)突破：從核物理到宇宙射線探測的跨界創(chuàng)新

熱中子探測技術(shù)的核心思想來源于一個看似簡單但意義深遠(yuǎn)的物理過程：宇宙射線產(chǎn)生的大氣簇射撞擊地面后，其中的強(qiáng)子與土壤、空氣等物質(zhì)發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生大量幾百萬電子伏特能量的蒸汽中子。這些中子在周圍環(huán)境中不斷碰撞、減速，最終變成與環(huán)境溫度相當(dāng)?shù)臒嶂凶印?/p>

熱中子探測器的設(shè)計巧妙地利用了這一物理過程。探測器的核心是一種特殊的復(fù)合閃爍材料，由硫化鋅晶體ZnS(Ag)粉末與含硼-10的B2O3混合制成，其中硼-10同位素含量高達(dá)19%。當(dāng)熱中子被硼-10俘獲時，發(fā)生核反應(yīng)：10B + n → 7Li + α + 2.31 MeV ，反應(yīng)產(chǎn)生的高能粒子在閃爍體中釋放能量并發(fā)出閃爍光，光電倍增管將這些光信號轉(zhuǎn)換成電信號。這種反應(yīng)產(chǎn)生的α粒子射程很短，大約只有一個細(xì)胞的長度，使得探測器能夠精確感知熱中子的存在。探測器采用薄片設(shè)計，閃爍材料以不到1毫米的厚度均勻涂覆在硅膠襯底上，形成0.35平方米的圓形閃爍屏。配合4英寸光電倍增管和前置放大器，整套系統(tǒng)既能高效探測熱中子，也能同時測量電磁粒子。

巧妙之處在于，熱中子探測器能夠區(qū)分不同信號：電磁粒子產(chǎn)生的是瞬間的高脈沖，而熱中子俘獲產(chǎn)生的則是微秒級的小脈沖。這種時間差異讓研究人員能在一臺設(shè)備中獲得兩類不同的物理信息，既提高了探測效率，也大大降低了成本。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：從概念到現(xiàn)實(shí)的技術(shù)演進(jìn)

熱中子探測技術(shù)從概念到實(shí)用經(jīng)歷了十多年的發(fā)展過程。早在2012年底，研究人員就在海拔4300米的西藏羊八井宇宙線觀測站安裝了4臺原型熱中子探測器，開始了初步驗(yàn)證。這次試驗(yàn)取得了重要進(jìn)展：探測器成功捕獲了與全球海洋觀測（ARGO）實(shí)驗(yàn)觀測到的宇宙射線簇射相吻合的熱中子信號，信號強(qiáng)度遠(yuǎn)超當(dāng)?shù)刂凶颖镜姿健?/p>

實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，高海拔地區(qū)的熱中子流強(qiáng)比海平面附近高出1.5個數(shù)量級，這一發(fā)現(xiàn)為后來在高海拔地區(qū)部署探測器陣列提供了科學(xué)基礎(chǔ)。觀測數(shù)據(jù)顯示，強(qiáng)子產(chǎn)生的熱中子主要分布在簇射軸心5米范圍內(nèi)，這為探測器間距設(shè)計提供了參考依據(jù)。更關(guān)鍵的是，熱中子信號數(shù)量與宇宙射線原初能量存在明顯的正相關(guān)關(guān)系，且信號強(qiáng)度比傳統(tǒng)強(qiáng)子探測方法高出10倍，證實(shí)了熱中子探測器在宇宙射線強(qiáng)子成分測量中的有效性。

技術(shù)發(fā)展的下一階段是熱中子探測器陣列（ENDA）的建設(shè)。2017年，由16個熱中子探測器組成的原型陣列在羊八井觀測站投入運(yùn)行，解決了閃爍體材料升級、數(shù)據(jù)采集模式改進(jìn)以及低溫環(huán)境穩(wěn)定運(yùn)行等技術(shù)難題。2019年12月，16臺熱中子探測器在四川稻城海拔4410米的“拉索”實(shí)驗(yàn)基地成功安裝，開始與平方公里陣列（KM2A）和廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列（WFCTA）進(jìn)行符合測量。

2023年，由64臺探測器組成的熱中子探測器陣列正式建成投運(yùn)，這標(biāo)志著熱中子探測技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化應(yīng)用，為宇宙射線“膝區(qū)”物理研究提供了新的實(shí)驗(yàn)平臺。該陣列與“拉索”的其他3種探測系統(tǒng)——平方公里陣列、水切倫科夫探測器陣列和廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列共同構(gòu)成了多參數(shù)測量體系，實(shí)現(xiàn)了對宇宙射線簇射的全方位立體觀測。

科學(xué)發(fā)現(xiàn)：揭示宇宙射線的多維特征

熱中子探測器陣列投入運(yùn)行后在多個方面取得了重要進(jìn)展。性能測試表明，熱中子探測器的熱中子俘獲效率約為20%，為理論分析提供了重要基準(zhǔn)。然而，長期運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，探測器性能明顯受環(huán)境因素制約，計數(shù)率與溫度、濕度變化密切相關(guān)——溫度升高會增加熱中子活動，而土壤濕度變化則會影響熱中子的產(chǎn)生和傳播過程。

本底成分的復(fù)雜性超出了預(yù)期。研究人員識別出幾類主要干擾源：環(huán)境中的低能伽馬射線構(gòu)成最大本底，盡管通過優(yōu)化閃爍體厚度已大幅降低影響；太陽活動引起的熱中子和超熱中子會產(chǎn)生周期性波動；地表氡氣衰變的放射性成分也會貢獻(xiàn)本底信號，且與地質(zhì)活動關(guān)系密切。

在與“拉索”其他探測系統(tǒng)的聯(lián)合觀測中，成果尤為突出。通過分析早期16個探測器的運(yùn)行數(shù)據(jù)，研究人員成功找到了平方公里陣列和廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列的符合宇宙射線簇射事例，并測量了這些事例中熱中子的橫向分布特征。結(jié)果證實(shí)，熱中子信號確實(shí)能夠提供傳統(tǒng)探測方法難以獲得的強(qiáng)子成分信息，為提升“膝區(qū)”宇宙射線成分識別能力開辟了新途徑。

此外，熱中子探測器陣列還觀測到一些有趣的地球物理和太陽物理現(xiàn)象，包括與潮汐相關(guān)的周期性變化和太陽活動劇烈期的“福布什下降”現(xiàn)象，展現(xiàn)了這項(xiàng)技術(shù)在多學(xué)科研究中的應(yīng)用潛力。

未來展望：熱中子探測技術(shù)的豐富可能

熱中子探測技術(shù)的未來發(fā)展充滿了令人期待的可能性。在技術(shù)層面，研究人員正在探索如何進(jìn)一步提高探測器的熱中子俘獲效率，通過優(yōu)化中子增殖材料和慢化材料的使用，有望將探測器的靈敏度提升到新的水平。在實(shí)驗(yàn)規(guī)模方面，基于目前的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，未來有望建設(shè)更大規(guī)模的熱中子探測器陣列，覆蓋更廣闊的探測面積。在科學(xué)目標(biāo)方面，熱中子探測技術(shù)的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對宇宙射線“膝區(qū)”分成分能譜的精確測量。根據(jù)理論預(yù)測，不同原子核成分的“膝區(qū)”位置應(yīng)該依賴于其核電荷數(shù)或原子核總數(shù)。

展望更遠(yuǎn)的未來，熱中子探測技術(shù)有望在下一代極大型宇宙射線觀測設(shè)施中發(fā)揮重要作用。從西藏高原到四川高山，從實(shí)驗(yàn)室的概念驗(yàn)證到大科學(xué)裝置的規(guī)模應(yīng)用，熱中子探測技術(shù)的發(fā)展歷程體現(xiàn)了科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新的力量。這項(xiàng)技術(shù)代表了人類對宇宙認(rèn)識能力的又一次飛躍。在浩瀚的宇宙面前，每一項(xiàng)技術(shù)創(chuàng)新都是向真理邁進(jìn)的重要一步，而熱中子探測技術(shù)正是這條探索之路上的一個重要里程碑。

來源：悅智網(wǎng)

編輯：月

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