南华大学核科学技术学院博士生罗凯军在强激光驱动的铕同核异能素光核活化研究方面取得新进展

近日，南华大学核科学技术学院博士生罗凯军(现为南华大学附属第一医院肿瘤科，工程师)在国内中文领军期刊《物理学报》上发表封面论文。论文工作首次利用激光加速电子源，在巨偶极共振能区和百MeV高能区分别实现了¹⁵²m, ¹⁵⁰mEu同核异能素的光核活化产生，获得了三个反应道的通量加权平均截面并提取了其同核异能素比(IR)。相关工作为Eu核素的核反应模型约束与核天体物理研究提供了重要支撑。

同核异能素是原子核的长寿命激发态，其光核产生截面及IR在核结构理论、核反应机制与核天体物理p-过程研究中具有不可替代的价值。譬如，152mEu通过β⁻衰变生成p-核素¹⁵²Gd的分支比高达72%，是核合成路径上的关键中间核素。然而，目前Eu核素相关实验数据长期稀缺——¹⁵³Eu(γ, n)^152m1,m2Eu反应截面甚至完全没有实验数据，高能区IR测量更是空白，现有核理论模型亟需高质量、宽能区的实验数据加以约束。

针对上述问题，研究团队分别基于中物院XG-III激光装置和北京大学CLAPA 200 TW激光装置，采用直接激光加速和激光尾场加速，相应产生了平均能量14 MeV的大电荷量电子束与能量为200±28 MeV的准单能电子束，并通过钽转换靶获得轫致辐射γ射线，实现了Eu2O3靶的光核活化(前者示意见图1)。

图1基于直接加速的光核激发布局@星光-III装置

实验采用堆栈靶设计，利用高纯锗探测器对活化样品进行离线γ能谱测量，清晰地分辨出^152m1,m2Eu和^150mEu的特征γ射线峰(见图2)，在此基础上计算了各同核异能素的产额，进而提取了三个反应道的通量加权平均截面和^152mEu的IR值。在CLAPA装置的200±28 MeV高能电子束条件下，¹⁵³Eu(γ, n)^152m1, ^m2Eu、¹⁵¹Eu(γ, n)^150mEu 三个反应道的通量加权平均截面分别为12.65±2.37 mb、0.56±0.09 mb、10.83±2.70 mb;在XG-III装置的平均14 MeV电子束条件下，三个反应道的对应值分别为37.71±4.63 mb、0.92±0.05 mb、31.23±6.92 mb。基于上述数据，提取得到152mEu的同核异能素比分别为0.046±0.006@E_e=(200±28) MeV、0.023±0.003@<E_e>=14MeV。

图2利用CLAPA和XG-III装置，采用HPGe探测器测量的特征γ射线能谱

研究团队在上述测量的基础上，开展了针对该核素的核模型参数敏感性分析。结果显示，三个反应道的通量加权平均截面对γ强度函数(γSF)和核能级密度(NLD)模型有较强依赖性，但对光学模型势并不敏感，这说明现有γSF和NLD模型在描述Eu核素方面尚有优化空间。针对^152mEu的IR敏感性分析(见图3)表明，其值对γSF和NLD模型同样具有明显的依赖性。另外，GDR能区的实验IR值与γSF3模型计算值基本吻合，百MeV能区实验的IR值与NLD3模型计算结果基本一致，且整体实验IR值与理论预测吻合较好，可为核模型参数提供有效实验约束。

图3^152m,150mEu的产生原理以及¹⁵²mEu的IR对γSF、OMP和NLD核模型敏感性分析

据悉，该研究首次将激光加速电子源应用于Eu核素同核异能素研究，填补了¹⁵³Eu(γ, n)^152m1,m2Eu反应截面的实验空白，补充了百MeV高能区的同核异能素比数据，为核天体物理p-过程研究和核结构理论发展提供了关键实验支撑。展望未来，由于激光驱动电子源具有皮秒至飞秒级脉宽、超高亮度与高信噪比等特点，可为解决传统核数据测量中的能区覆盖不足问题提供一种具有互补性的技术路径，同时助力感兴趣的其他同核异能素的核反应数据测量和评价研究。

南华大学核科学技术学院罗凯军博士研究生、中国工程物理研究院激光聚变研究中心齐伟副研究员为论文共同第一作者，南华大学罗文教授、李志才副教授、北京大学颜学庆教授为共同通讯作者，中国工程物理研究院激光聚变研究中心的谷渝秋研究员提供了重要支持。上述研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。