近日，6163银河线路检测中心颜学庆教授团队在核物理与精密测量学交叉领域取得重要突破。研究团队创新性地提出了一种基于光核反应制备下一代固态核钟核心材料——钍-229（²²⁹Th）掺杂晶体方案，为解决该领域长期面临的战略材料供应难题提供解决方案。这一系统性理论研究成果以《面向核钟研发的掺钍晶体中 ^229m,g Th 光核布居研究》（Photonuclear Population of ^229m,gTh in Th‐Doped Crystals Toward Nuclear Clock Development）为题，于2026年2月27日发表于国际著名综合性期刊《先进科学》（Advanced Science）。

核钟是一种基于原子核能级跃迁的新一代时间频率基准。其理论稳定度可达10^-19量级，与当前最先进的光晶格原子钟相当，且具备更优的长期稳定性与抗环境干扰能力，在深空导航、引力波探测、暗物质搜寻及基本物理定律检验等前沿领域具有革命性意义。然而，该技术的发展长期受限于关键核素——钍-229（²²⁹Th）的极度稀缺。目前，全球²²⁹Th的唯一来源是存量有限且受严格管控的铀-233（²³³U）库存，仅极少数机构（如美国橡树岭国家实验室）可实现供应。供应紧张加之与重要医用放射性同位素的生产存在竞争，已成为制约国际核钟研发的核心瓶颈。

面对这一重大挑战，颜学庆教授研究团队独辟蹊径，在国际上首次提出了“晶体原位光核转化”的新方案。该方案的核心思想是：利用电子加速器（激光加速器或者射频电子加速器）产生的宽谱高能光子（轫致辐射），辐照掺杂了自然界中丰度较高的钍同位素（如^232，230Th）的优质光学晶体（如氟化物晶体），通过（γ, n）等光子核反应过程，直接在完整的晶格中将常见钍同位素高效转化为珍贵的²²⁹Th，实现核心材料的“自生长”，并同步支持对其同核异能态^229mTh衰变性质的精密光谱研究。

图 1 通过光核反应生成 ^229m,gTh 的示意图。展示了在 ^229-232Th 靶上发生光核反应的核素生成链。目标同位素 ^229m,gTh 可直接通过 ²³²Th(γ, 3n)、²³¹Th(γ, 2n)、²³⁰Th(γ, n) 和 ²²⁹Th(γ, γ') 反应生成。母核 ²²⁹Ac 可通过²³²Th(γ, 2np)、²³¹Th(γ, np) 和 ²³⁰Th(γ, p) 反应生成。母核 ²²⁹Ra 则可通过 ²³²Th(γ, 2pn)、²³¹Th(γ, 2p) 反应生成。

研究首先基于先进核反应理论模型（TALYS）开展计算，结果表明对于^229-232Th靶核，产生²²⁹Th及其同核异能态的反应截面可达数百毫靶恩量级，从物理原理上证实了该技术路径的可行性。在此基础上，团队通过大规模蒙特卡洛模拟（Geant4），对氟化钙（CaF₂）、氟化锶（SrF₂）和氟化锂（LiF）三种候选晶体材料进行了全参数空间的性能评估与优化。模拟结果显示，在典型电子加速器参数（能量约40 MeV，束流电荷量1 C）辐照条件下，氟化锶（SrF₂）晶体表现出卓越的综合性能：其^229mTh衰变光子信号与切伦科夫辐射本底之间的信噪比（SNR）预计可达10⁶，显著优于其他对比材料，是最具应用潜力的理想晶体材料体系。

本研究提出的光子核反应路径具备三大突出优势：一是材料来源自主化，彻底摆脱对稀缺战略储备²³³U的依赖，转而使用储量丰富的²³²Th等原材料，实现了核心材料供应链的自主可控与去中心化；二是技术路径普惠化，方案基于广泛存在的电子加速器设施，大幅降低了开展核钟这一前沿领域研究的设备门槛，有利于形成广泛的研究生态；三是生产效率理论优势，理论模拟揭示其潜在核转化与激发速率具备显著优势，为快速、规模化制备与表征核钟材料奠定了理论基础。

该研究工作为核钟研发提供了创新的材料制备理论框架与系统的模拟依据。目前，项目组在该理论研究的指导下，联合上海光学精密机械研究所、清华大学等合作单位，开展了晶体辐照与性能表征实验，并已取得阶段性进展。团队正在推动成立钍-229合作组，联合国内外相关单位持续推进该技术路径的实证与优化，致力于将这一构想转化为现实，为我国在未来超精密测量与国家时间基准的国际竞争中赢得战略主动贡献力量。

6163银河线路检测中心特聘副研究员蓝浩洋、吴笛为论文共同第一作者，颜学庆教授为通讯作者。研究工作得到教育部基础学科突破计划、国家自然科学基金、国家重大科研仪器研制项目以及国家重点研发计划的支持。

论文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202523384