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施。光核反應是通過照射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生強度高、平行性好的光子束，依據報道的由光子束所得數據，一個恰當的理論體系呈現(xiàn)。散射能量和微分截面作為散射角函數的特性。研究發(fā)現(xiàn)，康普頓逆散射法中反應的數量比半小時照射時間內重復率為10、激光強度為的軔致輻射法大了約30個數量級。此外，軔致輻射法嬗變反應率強烈依賴上述激光特性、照射時間和輸出電子束的能量，并且使反應數目

2、達到最大的最優(yōu)有效參數是估算的。關鍵字：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物，包括長壽命和中等壽命的裂變產物，是核工業(yè)的主要問題之一。最近，出現(xiàn)了關于危險放射性廢物重組和廢物管理有價值的理論和實驗研究 1，4 。典型的廢物管理系統(tǒng)包含了關于解決、處理、處置和回收廢料5的一整套行動。應該指出的是，在現(xiàn)實的過程中，嬗變是一個復雜的課題，可以用各種方式來實現(xiàn)。粒子加速器加速中子轟擊產生嬗變不能很好地適用于所有核素。這種方法是不切實際的，因為中子的俘獲截面很低6,7。為了得到有價值的且安全的產物，高強度激光脈沖和物質的相互作用以及激光對核嬗變的作用效果成為全球關注的課題

3、8，12 ?；诔瑥婏w秒激光的發(fā)展，相對等離子體物理學開啟了研究高能粒子束在各個領域中應用的新方法 13,14 。這些超強激光技術的迅猛發(fā)展和解釋激光變形機制的顯著進步為解決有害放射性廢物15,16相關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用，展現(xiàn)了減少核廢料的危害的一種方法 17 。多數長壽命原子核經光核反應后轉變?yōu)槎虊勖蚍€(wěn)定原子核。隨著高亮度線性加速器和高質量激光領域的發(fā)展，生產適合核光電學創(chuàng)新領域廣泛應用的高康普頓X射線和光子束，這一近期設想得以實現(xiàn)20,21。激光康普頓散射或軔致輻射機制產生的高亮度和高能射線潛在通過（C，N）反應誘發(fā)光核嬗變的可能性 22 。超

4、高強度激光輻射和薄靶的相互作用能產生相對電子，相對論電子可誘發(fā)軔致輻射機制所需的高能束。影響電子分布的關鍵參數是激光參數和靶的特性。為了把電子加速到相對高的能量而在高原子序數的靶前形成預等離子的重要性已得到先前實驗的認證 23-25 。把電子匯聚到固體靶上，射線就會經軔致輻射反應產生。類似玻爾茲曼能量分布的射線將參與光核反應。因此，光核反應被認為是用于光核嬗變的現(xiàn)實反應 26 。為了產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變核廢料是可行的。若利用更多實驗設施，可能在1987年就生產出高能且廉價的激光光子27?；诳灯疹D逆散射法產生的第一束高能射線在弗拉斯卡蒂運行

5、，由電子儲存環(huán)中1.5Gev的電子與激光腔內2.5eV激光的相互作用產生。許多建議和實驗設施用商用激光和電子束加速器生產康普頓逆散射射線束來誘發(fā)核變換。建立在束流強度為和儲存環(huán)設備里的LEGS和GRALL能產生穩(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設備中產生高通量 22 。這種裝置是復雜的，需要昂貴的電子束加速器。上海激光電子源（SLEGS）設施被建成產生同步輻射裝置，上海光源同步加速器環(huán)中3.5GeV的電子束產生的100WCO2激光光子連續(xù)波經康普頓逆散射可使該設備能量最高達到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。幸運的是，鈀有可用的實驗中子俘獲射線截面 29 ?，F(xiàn)用方法的目的是為了研究射線束的產生和轉化過程的兩種不同方法。第一個通常是用極強激光的軔致輻射法 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級電子產生的中能光子束。這一方法僅能用于嬗變率的理論計算。在這兩種方法中，能譜、光核反應截面、反應數目和轉化率都要進行評估、分析和相互比較以便采用適當的方法。本文還旨在探索嬗變過程中核嬗變率對激光參數、靶特性和伽瑪射線特征強烈的依賴性。值得注意的是第二種方法中光子的

7、分布和實驗報告符合的很好。下文將對此作出詳細解釋。2. 分析方法和數值結果2.1.軔致輻射機制利用超強激光脈沖，放射性長壽命經軔致輻射機制誘發(fā)的光核反應變?yōu)榉€(wěn)定同位素，本文將研究該反應的嬗變率。為確定主要的光核反應，一個中等強度放大的自發(fā)射激光脈沖在第一個2毫米厚、高原子序數、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額最大。發(fā)現(xiàn)對應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，我們取這一數值為主要靶物質鉭的最佳厚度。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生高能電子束，以產生軔致輻射準直射線。這種強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?；诓Ｒ翣柕热说姆椒?33 ，光核反應率需要研究核反應被誘發(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 ，其中是激光強度（），是波長（）。電子光譜表達為 35 ：其中是和電子光譜有關的熱電子溫度，是歸一化常數。穿透第一層靶物質后產生致輻射的射線。忽略電子束在靶物質中傳播的變化，微分軔致輻射截面集成如下 36 ：其中是原子序數，a=1

9、1毫巴恩，b=0.83。軔致輻射的光子數輻射在1MeV間隔在光子能量Ec通過評估。其中N0為一常數，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）。根據現(xiàn)有的實驗，鈀39橫截面中子俘獲C-線截面精確計算。用光子光譜和光核截面照片嬗變率和反應的數量通過 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）可以計算出這是在文獻中可獲得的任何反應29，他們概括于表1中。根據上述條件，伽瑪的變化光子光譜與激光強度以及光107P的橫截面進行，其結果示在圖2。其結果是，軔致輻射譜強烈依賴激光的強

10、度。在更高的強度，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致高得多的嬗變速度和更高的一些反應。這估計約激光強度的嬗變反應速率的影響與實驗報告一個好協(xié)議，這是由Gahn等。在強度為的橫截面和軔致輻射光譜之間沒有重疊。因此，最佳激光強度應由這種光核反應來確定。 盡管激光強度，照射時間和重復率都有效的作用在提高嬗變率。 圖3示出對反應數目的依賴性輻射時間和重復率根據圖3，可以得出結論，如果目標照射用于的激光強度2 LM2和重復一個小時1千赫速率，這將導致約?；趫D 4，可以注意到的是，雖然通過增加強度激光，反應和轉化產率的數目是增加。然而，有的最佳強度？ 1022WCM2 LM2獲得反應的

11、107最大數量每次激光照射。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。示意圖解釋設置此過程示于圖5。 激光光子通過廉價的大力生產光子對現(xiàn)有的各種加速器通量設施。能源光譜數控（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是經典電子半徑?？灯疹D背散射差橫截面由克萊因 - 仁科式實現(xiàn)42：在此公式中，是散射角，和分別是精細結構

12、常數，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是電子的質量，康普頓背散射截面公式根據伽馬光子光束數值通過擬合數值計算的形式得到：E是射線束能量。能量光譜和轉化效率使用光致反應取決于康普頓散射激光設備屬性中最大的射線束的能量。因此，選擇最優(yōu)和實用的條件是一個關鍵的轉變過程。由于這個課題，根據報道康普頓背散射實驗設備實驗的設置各種參數的測試,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道光子通量實驗設備與各種現(xiàn)有的加速器,如圖6所示。比較不同報道的光譜實驗裝置表明,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備可以產生至少10數量級(光子/兆電子伏)與其他設施相比較。從顯示的結果,它也注意到,與經過的激光強度作用的軔致輻射哥倫比亞廣播公司(CBS)光譜的結果是顯著改善100倍。因此，我們已經調查反應的轉化速率和數量通過CBS過程基于這個實驗數據。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()，反應和轉化速率的數量計算。澄清的依賴數量的反應在哥倫比亞廣播公司(CBS)過程中有效的實驗設施和比較他們和軔致輻射機制，這些影響因素的方式被認為是和最優(yōu)參數。圖7顯示數量的依賴電子目前在哥倫比亞廣播公司(CBS)梁上的反應

14、過程。在更高的電子束電流中,這個頻譜會變化,因此反應的數量將會增加。這個評估最優(yōu)的電子電流產生反應的最大數量，根據上述描述,在這個過程中激光功率是另一種有效的參數。激光功率越高產生的光子束越多。然而，隨著光子束增加，反應的數量也增加了,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。因為輻照時間對的產量和反應的數量有主要影響。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果和軔致輻射機制，發(fā)現(xiàn)反應的數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，通過的激光強度和10Hz的重復率來改進軔致輻射。3總結在目前的工作中，轉化到它的穩(wěn)定同位素106Pd長壽的裂變產物的可能通過軔致輻射和康普頓散射過程進行了研究分析。伽馬能譜和轉化效率使用光致反應取決于激光強度、激光的輻照時間和重復率軔致輻射機制。但是，激光康普頓散射的特性最大設施射線束的能量,這是選擇最優(yōu)的計算具有重要意義和實用SLEGS設施康普頓背散射過程。