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備正在發(fā)揮著獨特的作用——熱中子探測器陣列。這項創(chuàng)新技術的應用，為解開宇宙射線“膝區(qū)”這一困擾科學界數(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世紀初，研究人員在大氣電離實驗中意外發(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。一個多世紀以來，宇宙射線研究一直是探索宇宙結構和演化的重要窗口。在這個領域中，有個現(xiàn)象特別引人關注——“膝區(qū)”。科學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，宇宙射線流強隨能量變化的指數(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，實際蘊含著宇宙射線起源和加速機制的關鍵信息。
然而，盡管世界各地的宇宙射線實驗都觀測到了膝區(qū)現(xiàn)象，但不同實驗得到的結果卻存在高達30%的系統(tǒng)性差異。造成這種差異的原因是多方面的：實驗規(guī)模偏小，統(tǒng)計樣本不夠充分；探測手段相對單一，難以應對多能量、多成分的復雜局面；探測器對不同宇宙射線成分的分辨能力有限；等等。面對這些技術挑戰(zhàn)，研究人員開始尋找新的突破口，熱中子探測技術正是在這樣的背景下應運而生。
技術突破：從核物理到宇宙射線探測的跨界創(chuàng)新
熱中子探測技術的核心思想來源于一個看似簡單但意義深遠的物理過程：宇宙射線產(chǎn)生的大氣簇射撞擊地面后，其中的強子與土壤、空氣等物質發(fā)生核反應，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?shù)臒嶂凶印?/p>
熱中子探測器的設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19%。當熱中子被硼-10俘獲時，發(fā)生核反應：10B + n → 7Li + α + 2.31 MeV ，反應產(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換成電信號。這種反應產(chǎn)生的α粒子射程很短，大約只有一個細胞的長度，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。
實驗驗證：從概念到現(xiàn)實的技術演進
熱中子探測技術從概念到實用經(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，開始了初步驗證。這次試驗取得了重要進展：探測器成功捕獲了與全球海洋觀測（ARGO）實驗觀測到的宇宙射線簇射相吻合的熱中子信號，信號強度遠超當?shù)刂凶颖镜姿健?/p>
實驗還發(fā)現(xiàn)，高海拔地區(qū)的熱中子流強比海平面附近高出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基礎。觀測數(shù)據(jù)顯示，強子產(chǎn)生的熱中子主要分布在簇射軸心5米范圍內，這為探測器間距設計提供了參考依據(jù)。更關鍵的是，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關系，且信號強度比傳統(tǒng)強子探測方法高出10倍，證實了熱中子探測器在宇宙射線強子成分測量中的有效性。
技術發(fā)展的下一階段是熱中子探測器陣列（ENDA）的建設。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行，解決了閃爍體材料升級、數(shù)據(jù)采集模式改進以及低溫環(huán)境穩(wěn)定運行等技術難題。2019年12月，16臺熱中子探測器在四川稻城海拔4410米的“拉索”實驗基地成功安裝，開始與平方公里陣列（KM2A）和廣角切倫科夫望遠鏡陣列（WFCTA）進行符合測量。
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，這標志著熱中子探測技術從實驗室走向規(guī)模化應用，為宇宙射線“膝區(qū)”物理研究提供了新的實驗平臺。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鏡陣列共同構成了多參數(shù)測量體系，實現(xiàn)了對宇宙射線簇射的全方位立體觀測。
科學發(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行后在多個方面取得了重要進展。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。然而，長期運行數(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——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。
本底成分的復雜性超出了預期。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本底信號，且與地質活動關系密切。
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。結果證實，熱中子信號確實能夠提供傳統(tǒng)探測方法難以獲得的強子成分信息，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)了這項技術在多學科研究中的應用潛力。
未來展望：熱中子探測技術的豐富可能
熱中子探測技術的未來發(fā)展充滿了令人期待的可能性。在技術層面，研究人員正在探索如何進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。在實驗規(guī)模方面，基于目前的運行經(jīng)驗和技術積累，未來有望建設更大規(guī)模的熱中子探測器陣列，覆蓋更廣闊的探測面積。在科學目標方面，熱中子探測技術的最終目標是實現(xiàn)對宇宙射線“膝區(qū)”分成分能譜的精確測量。根據(jù)理論預測，不同原子核成分的“膝區(qū)”位置應該依賴于其核電荷數(shù)或原子核總數(shù)。
展望更遠的未來，熱中子探測技術有望在下一代極大型宇宙射線觀測設施中發(fā)揮重要作用。從西藏高原到四川高山，從實驗室的概念驗證到大科學裝置的規(guī)模應用，熱中子探測技術的發(fā)展歷程體現(xiàn)了科學技術創(chuàng)新的力量。這項技術代表了人類對宇宙認識能力的又一次飛躍。在浩瀚的宇宙面前，每一項技術創(chuàng)新都是向真理邁進的重要一步，而熱中子探測技術正是這條探索之路上的一個重要里程碑。
來源：悅智網(wǎng)
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