中子共振谱分析（NRSA）是一种高度先进且具有特异性的无损检测技术，它能以独特方式与材料中的原子核发生相互作用，从而获取元素组成、同位素比例等关键信息。该技术通常需要短脉冲超热中子源，以实现高分辨率谱学分析，尤其适用于1~100电子伏特（eV）的能量范围，在该能量范围内不同核素存在诸多独特的共振特征峰。一般而言，散裂中子源和基于电子加速器的光核中子源能够满足NRSA的需求，其超热中子的持续时间通常在十微秒（μs）量级，但这类设施通常体积庞大、无法灵活移动，且需要百米级的中子飞行距离以提高分辨率，故难以应用于库存核武器性能评估、高放核废料无损检测等在线场景。

近期，上海交通大学物理与天文学院陈黎明教授课题组，利用怀柔综合极端条件国家重大科技基础设施（SECUF-XD3），基于激光等离子体电子加速器研制了首个桌面式、紧凑型的高分辨超热中子共振谱学研究样机，并成功应用于多种核素的精细吸收谱测量。研究结果以“Proof-of-Principle Demonstration of Epithermal Neutron Resonance Spectroscopy Utilizing Compact Laser-Driven Electron Accelerator”为题以直接投稿的方式于10月3日发表在美国科学院院刊（PNAS）【J. Feng et al., PNAS 122, (40) e2518397122 (2025).】。

图1. 台式化的激光驱动电子加速器的高分辨超热中子共振谱学装置

实验布局如图1所示。在实验中，激光脉冲（能量50 mJ，脉宽20 fs，重频2 Hz）聚焦于超音速的氮气射流中，通过局域的离化注入尾波场电子加速，实现10 pC、45 MeV准单能的飞秒脉冲电子束（如图2(a)所示为连续1000发电子能量分布），电子束发散角约14 mrad，束流指向标准偏差约0.6 mrad（如图2(b)所示）；然后，此重频电子束轰击10 cm厚的铅转换体，产生超短的高通量伽马射线，并诱发光核反应产生纳秒脉冲的快中子源，通量达107 n/s；然后，高密度聚乙烯对此脉冲快中子源进行慢化，获得微秒脉冲的超热中子源；最后，利用仅1.7 m的中子飞行距离，通过单中子飞行时间计数（如图2(c)），2 Hz重频累积获得高分辨的超热中子共振谱（如图2(d)所示），实现了对Ag-109（5.19 eV）、In-115（1.46 eV）核素的识别，且能量分辨率优于3% @ 5 eV，如图2(e)所示。

图2. 实验结果。(a) 连续1000发电子能谱；(b) 电子束斑分布及1000发电子束质心分布；(c) 典型的超热中子飞行时间谱；(d) 累积的超热中子共振吸收谱，样品为银和铟片；(e) 超热中子对样品的透过率。

与基于电子加速器或散裂中子源的超热中子相比，桌面级TW级飞秒激光驱动电子加速具有飞秒脉冲电子束的特性，使超热中子共振谱学装置具备了紧凑性（约10平方米）、低成本（约百万美元）、高时间分辨率的优势。可通过差分腔进一步将束流重复频率提升至100 Hz（中子流强~10⁹ n/s）以缩短分析时间。相比散裂等大型装置，该样机在便利性方面具有极大优势，对特殊环境下核材料的无损检测具有重要应用价值。例如：可用于核武器关键核心部件的性能评估，以及实现核素丰度高精度测量并用于计算核反应堆燃耗、核废料中特殊放射性核素（如α或β衰变）的活度监测；此外，该超热中子源具有更短的脉冲宽度，且时间分辨率与能量之间呈现优良的幂次关系，对推动高精度核数据的获取具有重要作用。审稿人评价该成果为“This is an ardently pursued goal of the advanced technology community of the world”。

该论文的第一作者为物理与天文学院冯杰助理研究员（即将转任国防科技大学副教授、军队青年科技英才），陈黎明教授及张杰院士为论文的通讯作者。该工作得到基金委重点项目、国际合作项目，以及中科院先导项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1073/pnas.2518397122