析金画象 准尺入微 拟境九天

——高能质子应用简介

2024年3月30日，中国散裂中子源二期工程（CSNS-II）正式启动建设。其中包括我国第一条专用高能质子测试束线，高能质子束实验终端（HPES）。该装置预计于2029年底正式建设完成，届时将能提供能量在0.8~1.6 GeV范围的高能质子测试束流。这标志着我国的高能物理与原子核物理的研究工具箱中即将新增一项新的实验装置。那么，高能质子都开展哪些应用呢？一般地，高能质子的主要应用场景可以用十二个字简单概括：“析金画象，准尺入微，拟境九天”。

一、析金画象

所谓“析金画象”，就是用质子将金属元素打碎，研究背后的物理机制，也就是高能质子的第一个主要用途：测量高能质子核反应数据。GeV能量级的高能质子在与重原子核发生碰撞后，会诱发散裂反应或者裂变反应。根据这个原理，可以建设散裂中子源和加速器嬗变设施。前者是现有技术条件下最经济的中子源技术，后者则能实现核废料的废物利用，彻底解决核废料的污染问题。然而，这两种技术的工程化应用，都十分依赖高能质子的核反应截面数据。例如，测准高能质子与Fe、Zr、Zn、Cu等常见金属元素反应产生轻带电粒子的截面，有利于评估散裂中子源的束窗、束流管道等结构材料安全退役时间，避免“氢脆”、“氦脆”导致的安全事故，精准把控建设和运行成本；测准高能质子与W、Pb、Hg等金属元素产生中子的产额和能谱，则对设计散裂中子源的中子靶意义重大；而测量高能质子与U、Th等重金属元素的反应的次级粒子微分截面，对加速器嬗变设施的堆芯布局设计至关重要。进一步地，一旦有了丰富的高能质子核数据，还能对核物理理论模型进行精确的检验，从而促进核反应模拟软件的精度提升。

图1. 质子诱发散裂反应原理图

目前国际上对GeV能量以上的质子核反应数据测量还十分缺乏，国际上的同类装置（包括美国BNL的AGS，德国FZJ的COSY等）多数已经停止运转，相关的实验测量也仅有少数几个能量点的数据。HPES一旦建成，将在GeV能级质子核数据测量方面开展深入的工作。

二、准尺入微

粒子探测器，是研究电子、γ光子、质子、中子等微观粒子的一把“尺”。将大规模的粒子探测器拼装成的加速器对撞机，是科学家研究自然科学本质的重要实验手段。所谓“准尺入微”，就是为粒子探测器这把“尺”提供精度达微米级别的精准标定。HPES提供的GeV能量质子，由于速度非常快（约0.9倍光速），穿透能力极强，因此可以通过“束流望远镜”装置来对粒子探测器的位置探测能力做微米级的标定。此外，通过搭配不同实验装置、利用不同实验原理，HPES提供的GeV能量质子还可以用来标定粒子探测器的能量测量能力、时间测量能力，标定的精度水平预计均能达到国际前列。

图2. 对撞机CMS的谱仪系统，其中利用了多种探测技术

图3. 利用束流望远镜方法对粒子位置探测器进行标定

目前我国的粒子探测器研发过程严重依赖国际上同类装置（CERN、DESY、JPARC等），HPES的建成，将为我国实验人员提供本土测试条件，极大地节约粒子探测器测试所需的人力成本和时间成本。

三、拟境九天

近年来，民用航天技术蓬勃发展，出现了一批民营企业参与到人类星辰大海的征途。然而宇宙中的环境是非常苛刻的，其中逃避的问题来自宇宙射线的影响。宇宙中存在大量的宇宙射线，它们产生的“单粒子效应”对飞机、宇宙飞船等航空器的电子设备是有害的。为此，科学家们采取了“高冗余度”等手段减缓了宇宙线的危害。然而随着技术发展，航空器的电子设备发展趋势走向“超算、智算、智控”，所需要的计算量、储存资源将以几何倍数增长，现有的单粒子效应的应对策略将不再适用于未来航空航天电子设备的使用需求。为此，微纳芯片技术等一批新型航空航天微电子技术应运而生。

图4. 单粒子效应原理示意图

验证这些新兴技术最直接的办法就是“去天上走一遭”，然而这个办法基于成本因素考虑并不是最优解。由于宇宙线最常见的粒子就是GeV能级的质子，利用GeV质子束流对新型航天微电子技术进行验证成为更经济的做法。HPES的束流能量特征正好符合这方面的需求。HPES建成后，将成为国内能够提供这一能区质子束流的唯一装置。可以预见，HPES将成为国内新型航天微电子技术验证的重要平台！

“析金画象，准尺入微，拟境九天”，HPES所提供的GeV质子束流将成为一个重要的粒子物理与核物理实验平台，为我国的核科学研究提供关键支持！