軔致輻射和激光逆康普頓散射的γ射線對鈀的嬗變

1、軔致輻射和激光逆康普頓散射的射線對鈀的嬗變摘要由軔致輻射和康普頓散射誘發(fā)的、對危險性長壽命放射性的光核嬗變得以實(shí)施。光核反應(yīng)是通過照射2毫米的鉭靶來研究的。鉭靶正后方直接放置了1厘米厚靶，靶含一強(qiáng)度為的激光。功率為100的二氧化碳激光和能量為3.5的高能電子的廉價逆康普頓散射能產(chǎn)生強(qiáng)度高、平行性好的光子束，依據(jù)報(bào)道的由光子束所得數(shù)據(jù)，一個恰當(dāng)?shù)睦碚擉w系呈現(xiàn)。散射能量和微分截面作為散射角函數(shù)的特性。研究發(fā)現(xiàn)，康普頓逆散射法中反應(yīng)的數(shù)量比半小時照射時間內(nèi)重復(fù)率為10、激光強(qiáng)度為的軔致輻射法大了約30個數(shù)量級。此外，軔致輻射法嬗變反應(yīng)率強(qiáng)烈依賴上述激光特性、照射時間和輸出電子束的能量，并且使反應(yīng)數(shù)目

2、達(dá)到最大的最優(yōu)有效參數(shù)是估算的。關(guān)鍵字：光束 鉭嬗變 康普頓逆散射 軔致輻射原理1. 引言放射性核廢料產(chǎn)物，包括長壽命和中等壽命的裂變產(chǎn)物，是核工業(yè)的主要問題之一。最近，出現(xiàn)了關(guān)于危險放射性廢物重組和廢物管理有價值的理論和實(shí)驗(yàn)研究 1，4 。典型的廢物管理系統(tǒng)包含了關(guān)于解決、處理、處置和回收廢料5的一整套行動。應(yīng)該指出的是，在現(xiàn)實(shí)的過程中，嬗變是一個復(fù)雜的課題，可以用各種方式來實(shí)現(xiàn)。粒子加速器加速中子轟擊產(chǎn)生嬗變不能很好地適用于所有核素。這種方法是不切實(shí)際的，因?yàn)橹凶拥姆@截面很低6,7。為了得到有價值的且安全的產(chǎn)物，高強(qiáng)度激光脈沖和物質(zhì)的相互作用以及激光對核嬗變的作用效果成為全球關(guān)注的課題

3、8，12 ?；诔瑥?qiáng)飛秒激光的發(fā)展，相對等離子體物理學(xué)開啟了研究高能粒子束在各個領(lǐng)域中應(yīng)用的新方法 13,14 。這些超強(qiáng)激光技術(shù)的迅猛發(fā)展和解釋激光變形機(jī)制的顯著進(jìn)步為解決有害放射性廢物15,16相關(guān)問題提供了新的解決方案。對激光康普頓散射光子束的研究也得到應(yīng)用，展現(xiàn)了減少核廢料的危害的一種方法 17 。多數(shù)長壽命原子核經(jīng)光核反應(yīng)后轉(zhuǎn)變?yōu)槎虊勖蚍€(wěn)定原子核。隨著高亮度線性加速器和高質(zhì)量激光領(lǐng)域的發(fā)展，生產(chǎn)適合核光電學(xué)創(chuàng)新領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的高康普頓X射線和光子束，這一近期設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)20,21。激光康普頓散射或軔致輻射機(jī)制產(chǎn)生的高亮度和高能射線潛在通過（C，N）反應(yīng)誘發(fā)光核嬗變的可能性 22 。超

4、高強(qiáng)度激光輻射和薄靶的相互作用能產(chǎn)生相對電子，相對論電子可誘發(fā)軔致輻射機(jī)制所需的高能束。影響電子分布的關(guān)鍵參數(shù)是激光參數(shù)和靶的特性。為了把電子加速到相對高的能量而在高原子序數(shù)的靶前形成預(yù)等離子的重要性已得到先前實(shí)驗(yàn)的認(rèn)證 23-25 。把電子匯聚到固體靶上，射線就會經(jīng)軔致輻射反應(yīng)產(chǎn)生。類似玻爾茲曼能量分布的射線將參與光核反應(yīng)。因此，光核反應(yīng)被認(rèn)為是用于光核嬗變的現(xiàn)實(shí)反應(yīng) 26 。為了產(chǎn)生能量足夠高且廉價的光譜，高能量電子和激光光子之間的康普頓逆散射過程轉(zhuǎn)變核廢料是可行的。若利用更多實(shí)驗(yàn)設(shè)施，可能在1987年就生產(chǎn)出高能且廉價的激光光子27?；诳灯疹D逆散射法產(chǎn)生的第一束高能射線在弗拉斯卡蒂運(yùn)行

5、，由電子儲存環(huán)中1.5Gev的電子與激光腔內(nèi)2.5eV激光的相互作用產(chǎn)生。許多建議和實(shí)驗(yàn)設(shè)施用商用激光和電子束加速器生產(chǎn)康普頓逆散射射線束來誘發(fā)核變換。建立在束流強(qiáng)度為和儲存環(huán)設(shè)備里的LEGS和GRALL能產(chǎn)生穩(wěn)定的光子通量和短壽命光子束。自由電子激光（FEL）作為光源，用于在ELFE設(shè)備中產(chǎn)生高通量 22 。這種裝置是復(fù)雜的，需要昂貴的電子束加速器。上海激光電子源（SLEGS）設(shè)施被建成產(chǎn)生同步輻射裝置，上海光源同步加速器環(huán)中3.5GeV的電子束產(chǎn)生的100WCO2激光光子連續(xù)波經(jīng)康普頓逆散射可使該設(shè)備能量最高達(dá)到22MeV 28 。核廢料衰變射線的康普頓散射用碘化鈉探測器測量。在這篇文章中

6、，我們專注于。自然界中，鈀（Pd）是由六種穩(wěn)定的同位素，、和。最穩(wěn)定的放射性同位素是，半衰期為650萬年。幸運(yùn)的是，鈀有可用的實(shí)驗(yàn)中子俘獲射線截面 29 。現(xiàn)用方法的目的是為了研究射線束的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化過程的兩種不同方法。第一個通常是用極強(qiáng)激光的軔致輻射法 14,20,30,16 ，第二是康普頓逆散射法，利用儲存環(huán)中廉價商業(yè)光子和GeV級電子產(chǎn)生的中能光子束。這一方法僅能用于嬗變率的理論計(jì)算。在這兩種方法中，能譜、光核反應(yīng)截面、反應(yīng)數(shù)目和轉(zhuǎn)化率都要進(jìn)行評估、分析和相互比較以便采用適當(dāng)?shù)姆椒?。本文還旨在探索嬗變過程中核嬗變率對激光參數(shù)、靶特性和伽瑪射線特征強(qiáng)烈的依賴性。值得注意的是第二種方法中光子的

7、分布和實(shí)驗(yàn)報(bào)告符合的很好。下文將對此作出詳細(xì)解釋。2. 分析方法和數(shù)值結(jié)果2.1.軔致輻射機(jī)制利用超強(qiáng)激光脈沖，放射性長壽命經(jīng)軔致輻射機(jī)制誘發(fā)的光核反應(yīng)變?yōu)榉€(wěn)定同位素，本文將研究該反應(yīng)的嬗變率。為確定主要的光核反應(yīng)，一個中等強(qiáng)度放大的自發(fā)射激光脈沖在第一個2毫米厚、高原子序數(shù)、原子密度為的鉭靶上形成等離子體?；谧罱麺onte Carlo仿真對鉭層厚度的優(yōu)化，使厚度滿足軔致輻射光子產(chǎn)額最大。發(fā)現(xiàn)對應(yīng)10 MeV電子束的最優(yōu)厚度為1.88毫米，精確度為4-9% 31 。因此，在目前的工作中，我們?nèi)∵@一數(shù)值為主要靶物質(zhì)鉭的最佳厚度。對于一些核廢料，射線的最大能量是通過蒙特卡羅模擬呈現(xiàn) 32 。p偏

8、振光激光聚焦到等離子體產(chǎn)生高能電子束，以產(chǎn)生軔致輻射準(zhǔn)直射線。這種強(qiáng)度為的光子最大通量為10-16MeV 3。第二個直接放在主要鉭靶后的常用靶是1厘米厚薄板，這是一種需要嬗變的有害核素。光譜足夠窄的射線可用于將嬗變?yōu)榉€(wěn)定核素，該原理的圖解如圖1所示。基于玻伊爾等人的方法 33 ，光核反應(yīng)率需要研究核反應(yīng)被誘發(fā)的可能性。射出電子溫度的初始分布由威爾克斯等人描述。 34 ，其中是激光強(qiáng)度（），是波長（）。電子光譜表達(dá)為 35 ：其中是和電子光譜有關(guān)的熱電子溫度，是歸一化常數(shù)。穿透第一層靶物質(zhì)后產(chǎn)生致輻射的射線。忽略電子束在靶物質(zhì)中傳播的變化，微分軔致輻射截面集成如下 36 ：其中是原子序數(shù)，a=1

9、1毫巴恩，b=0.83。軔致輻射的光子數(shù)輻射在1MeV間隔在光子能量Ec通過評估。其中N0為一常數(shù)，是特性溫度光子，是射線的能量。光核交叉部分被假定為洛倫茲狀其中是Emax和U的最大橫截面是全寬半最大值（FWHM）。根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)，鈀39橫截面中子俘獲C-線截面精確計(jì)算。用光子光譜和光核截面照片嬗變率和反應(yīng)的數(shù)量通過 定義。其中dt和nt的是厚度和靶的密度，Eint是上限能（兆電子伏），Ethr是閾能（兆電子伏）可以計(jì)算出這是在文獻(xiàn)中可獲得的任何反應(yīng)29，他們概括于表1中。根據(jù)上述條件，伽瑪?shù)淖兓庾庸庾V與激光強(qiáng)度以及光107P的橫截面進(jìn)行，其結(jié)果示在圖2。其結(jié)果是，軔致輻射譜強(qiáng)烈依賴激光的強(qiáng)

10、度。在更高的強(qiáng)度，光譜改變和橫截面和軔致輻射之間的重疊光譜增大從而導(dǎo)致高得多的嬗變速度和更高的一些反應(yīng)。這估計(jì)約激光強(qiáng)度的嬗變反應(yīng)速率的影響與實(shí)驗(yàn)報(bào)告一個好協(xié)議，這是由Gahn等。在強(qiáng)度為的橫截面和軔致輻射光譜之間沒有重疊。因此，最佳激光強(qiáng)度應(yīng)由這種光核反應(yīng)來確定。 盡管激光強(qiáng)度，照射時間和重復(fù)率都有效的作用在提高嬗變率。 圖3示出對反應(yīng)數(shù)目的依賴性輻射時間和重復(fù)率根據(jù)圖3，可以得出結(jié)論，如果目標(biāo)照射用于的激光強(qiáng)度2 LM2和重復(fù)一個小時1千赫速率，這將導(dǎo)致約?；趫D 4，可以注意到的是，雖然通過增加強(qiáng)度激光，反應(yīng)和轉(zhuǎn)化產(chǎn)率的數(shù)目是增加。然而，有的最佳強(qiáng)度？ 1022WCM2 LM2獲得反應(yīng)的

11、107最大數(shù)量每次激光照射。Wcm2 LM22.2.激光逆康普頓散射為了使原射線具有高通量和大力便宜，康普頓背散射技術(shù)高能電子和激光光子之間是一種更好的方法核廢料嬗變。示意圖解釋設(shè)置此過程示于圖5。 激光光子通過廉價的大力生產(chǎn)光子對現(xiàn)有的各種加速器通量設(shè)施。能源光譜數(shù)控（EC）是由22給出其中是在光速c的單位電子速度，dr/dEc是康普頓散射微分的橫截面，和是電子空間密度和激光光子空間密度，分別電子空間密度可以表達(dá)為其中和是水平方向和垂直電子束的視電子縱向分散位置和J是電子電流。在這里，R0是經(jīng)典電子半徑。康普頓背散射差橫截面由克萊因 - 仁科式實(shí)現(xiàn)42：在此公式中，是散射角，和分別是精細(xì)結(jié)構(gòu)

12、常數(shù)，以及減少的康普頓波長電子。為光子的比率能量后碰撞前：Me是電子的質(zhì)量，康普頓背散射截面公式根據(jù)伽馬光子光束數(shù)值通過擬合數(shù)值計(jì)算的形式得到：E是射線束能量。能量光譜和轉(zhuǎn)化效率使用光致反應(yīng)取決于康普頓散射激光設(shè)備屬性中最大的射線束的能量。因此，選擇最優(yōu)和實(shí)用的條件是一個關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變過程。由于這個課題，根據(jù)報(bào)道康普頓背散射實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)驗(yàn)的設(shè)置各種參數(shù)的測試,以獲得最大的射線束的能量在表2中列出。束譜康普頓背散射過程在不同報(bào)道光子通量實(shí)驗(yàn)設(shè)備與各種現(xiàn)有的加速器,如圖6所示。比較不同報(bào)道的光譜實(shí)驗(yàn)裝置表明,增長和能量譜是由使用上海激光電子伽馬源(SLEGS)與100 w連續(xù)CO2激光器3.5 GeV電

13、子束，300毫安電子束電流和光度。我們能注意到這個設(shè)備可以產(chǎn)生至少10數(shù)量級(光子/兆電子伏)與其他設(shè)施相比較。從顯示的結(jié)果,它也注意到,與經(jīng)過的激光強(qiáng)度作用的軔致輻射哥倫比亞廣播公司(CBS)光譜的結(jié)果是顯著改善100倍。因此，我們已經(jīng)調(diào)查反應(yīng)的轉(zhuǎn)化速率和數(shù)量通過CBS過程基于這個實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。能量光譜nE()可表示為：考慮到公式15中CBS橫截面和公式16中能量光譜nE()，反應(yīng)和轉(zhuǎn)化速率的數(shù)量計(jì)算。澄清的依賴數(shù)量的反應(yīng)在哥倫比亞廣播公司(CBS)過程中有效的實(shí)驗(yàn)設(shè)施和比較他們和軔致輻射機(jī)制，這些影響因素的方式被認(rèn)為是和最優(yōu)參數(shù)。圖7顯示數(shù)量的依賴電子目前在哥倫比亞廣播公司(CBS)梁上的反應(yīng)

14、過程。在更高的電子束電流中,這個頻譜會變化,因此反應(yīng)的數(shù)量將會增加。這個評估最優(yōu)的電子電流產(chǎn)生反應(yīng)的最大數(shù)量，根據(jù)上述描述,在這個過程中激光功率是另一種有效的參數(shù)。激光功率越高產(chǎn)生的光子束越多。然而，隨著光子束增加，反應(yīng)的數(shù)量也增加了,但有一個最佳的能量1千瓦可以獲得最大變化速率。如圖8所示。因?yàn)檩椪諘r間對的產(chǎn)量和反應(yīng)的數(shù)量有主要影響。所以輻照時間的影響研究在圖9中。比較康普頓背散射過程的評估結(jié)果和軔致輻射機(jī)制，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)的數(shù)量在哥倫比亞廣播公司(CBS)方法在半小時照射時間30倍相比，通過的激光強(qiáng)度和10Hz的重復(fù)率來改進(jìn)軔致輻射。3總結(jié)在目前的工作中，轉(zhuǎn)化到它的穩(wěn)定同位素106Pd長壽的裂變產(chǎn)物的可能通過軔致輻射和康普頓散射過程進(jìn)行了研究分析。伽馬能譜和轉(zhuǎn)化效率使用光致反應(yīng)取決于激光強(qiáng)度、激光的輻照時間和重復(fù)率軔致輻射機(jī)制。但是，激光康普頓散射的特性最大設(shè)施射線束的能量,這是選擇最優(yōu)的計(jì)算具有重要意義和實(shí)用SLEGS設(shè)施康普頓背散射過程。