軔致輻射和激光逆康普頓散射的γ射線對(duì)鈀的嬗變

軔致輻射和激光逆康普頓散射的Y射線對(duì)鈀的嬗變摘要由軻致輻射和康普頓散射誘發(fā)的、對(duì)危險(xiǎn)性長壽命放射性107Pd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107Pd靶，107Pd靶含一強(qiáng)度為1021WCm-2pm2的激光。功率為100W的二氧化碳激光和能量為3.5GeV的高能電子的廉價(jià)逆康普頓散射能產(chǎn)生強(qiáng)度高、平行性好的Y光子束，依據(jù)報(bào)道的由光子束所得數(shù)據(jù)，一個(gè)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(shí)照射時(shí)間內(nèi)重復(fù)率為10Hz、激光強(qiáng)度為102iWCm-2pm2的軻致輻射法大了約30個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，軻致輻射法嬗變反應(yīng)率強(qiáng)烈依賴上述激光特性、照射時(shí)間和輸出電子束的能量，并且使反應(yīng)數(shù)目達(dá)到最大的最優(yōu)有效參數(shù)是估算的。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(xiǎn)放射性廢物重組和廢物管理有價(jià)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(dòng)。應(yīng)該指出的是在現(xiàn)實(shí)的過程中，嬗變是一個(gè)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(jià)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(duì)核嬗變的作用效果成為全球關(guān)注的課題［8，12］。基于超強(qiáng)飛秒激光的發(fā)展，相對(duì)等離子體物理學(xué)開啟了研究高能粒子束在各個(gè)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(duì)激光康普頓散射Y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Y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Y射線潛在通過（C，N）反應(yīng)誘發(fā)光核嬗變的可能性［22］。超高強(qiáng)度激光輻射和薄靶的相互作用能產(chǎn)生相對(duì)電子，相對(duì)論電子可誘發(fā)軔致輻射機(jī)制所需的高能Y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(duì)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，Y射線就會(huì)經(jīng)軔致輻射反應(yīng)產(chǎn)生。類似玻爾茲曼能量分布的Y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(jià)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(jià)的激光光子［27］?；诳灯疹D逆散射法產(chǎn)生的第一束高能Y射線在弗拉斯卡蒂運(yùn)行，由電子儲(chǔ)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Y射線束來誘發(fā)核變換。建立在束流強(qiáng)度為5x106（y/s）和3x106（7/s）儲(chǔ)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Y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］。核廢料衰變丫射線的康普頓散射用碘化鈉探測(cè)器測(cè)量。在這篇文章中，我們專注于107Pd。自然界中，鈀（Pd）是由六種穩(wěn)定的同位素，102Pd、104Pd、105Pd、106Pd、108Pd、和iioPd。最穩(wěn)定的放射性同位素是io7Pd，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Y射線截面［29］?，F(xiàn)用方法的目的是為了研究Y射線束的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化過程的兩種不同方法。第一個(gè)通常是用極強(qiáng)激光的軔致輻射法［1-4,20,30,16］，第二是康普頓逆散射法，利用儲(chǔ)存環(huán)中廉價(jià)商業(yè)光子和GeV級(jí)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，Y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(píng)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(duì)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Y光子的分布和實(shí)驗(yàn)報(bào)告符合的很好。下文將對(duì)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107Pd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102Pd，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(gè)中等強(qiáng)度放大的自發(fā)射激光脈沖在第一個(gè)2毫米厚、高原子序數(shù)、原子密度為5.54X1020cm2的鉭靶上形成等離子體?；谧罱麺onteCarlo仿真對(duì)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(duì)應(yīng)10MeV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(duì)于一些核廢料，Y射線的最大能量是通過蒙特卡羅模擬呈現(xiàn)［32］。p偏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Y射線。這種強(qiáng)度為1020WCm-2卩m2的Y光子最大通量為10-16MeV［3］。第二個(gè)直接放在王要鉭靶后的常用靶是1厘米厚107Pd薄板，這是一種需要嬗變的有害核素。光譜足夠窄的Y射線可用于將107Pd嬗變?yōu)榉€(wěn)定核素106Pd，該原理的圖解如圖1所示?；诓Ｒ翣柕热说姆椒ǎ?3］，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］，KT(MeV)=0.511[(l+ )i/2-1]Be 1.37x1018其中I是激光強(qiáng)度(Wcm-2)，九是波長(卩m)。電子光譜表達(dá)為[35]：e?vEexp(E/KT)dE0e eBCe其中KT是和電子光譜有關(guān)的熱電子溫度，v是歸一化常數(shù)。Be 0穿透第一層靶物質(zhì)后產(chǎn)生致輻射的Y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］：沁aZ2(E-1-bE-1)

dE ye其中Z是原子序數(shù)，a=11毫巴恩，b=0.83。軔致輻射的光子數(shù)「丄.輻射在IMeV間隔在光子能量Ec通過評(píng)估。其中N0為一常數(shù)■■■■■\ 是特性溫度光子，，是丫射線的能量。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)。

n]L日wef迂utpjFig.n]L日wef迂utpjFig.1.Tran_EmutationoFSffl7Pdultraintcnsclaserisdisplayed.lCSiMviabremsstrahlungm?±-aniErnby0NML畑MlMkE叫dg嚴(yán)M電艸q!■⑥MevJ?Zv_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Y光子光譜和光核截面照片嬗變率和反應(yīng)的數(shù)量通過二訛『廠^.（Eyjn-fiEy'fdE.j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。Hg-2.BrcmsstrahlurgspectraaF10jWfcrtheI丄Hg-2.BrcmsstrahlurgspectraaF10jWfcrtheI丄se「intensitiesoF1020WonIjjtiA1021Won'1|ini5,lO^Wcm-2|irri2and3xlO^Wtrn-2iim2isEhown.甌把恤輕1鐘UreoisElrahhiagM-^dsunisjuI-S*10ZI\I-ltf1VW€H3*vcmd其結(jié)果是，軔致輻射譜強(qiáng)烈依賴激光的強(qiáng)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(gè)好協(xié)議，這是「由Gahn等。在'?強(qiáng)度為'5x1滬-W-cm2Min2.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(shí)間和重復(fù)率都有效的作用在提高嬗變率。圖3示出對(duì)反應(yīng)數(shù)目的依賴性輻射時(shí)間和重復(fù)率的激光強(qiáng)度a2LM2和重復(fù)一個(gè)小時(shí)1千赫速率，這將導(dǎo)致約|'■:?；趫D4,

10Fl；g10Fl；g?4.Thenumber町rca.ctiQn^fcr1WPdasaFunctionorItscrintensity?Theoptirnumintensi-tyliasb&cncalculatedtobe1.51CHWcm"~|irrrwith2Jx105inducednumberorrcictioniperlasershot.I■譏d泗了儼幻upErfno%bkaibIvug hauJ&m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1.5sclO^WrmJprnJ的最佳強(qiáng)度？1022WCM2LM2獲得…：反應(yīng)的107最大數(shù)量每次激光照射。Wcm2LM22.2.激光逆康普頓散射為了使原Y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。FEg.5.TraiiErnuta.tionor1Q7PdU￡ingphmonLdeirrca￡_diDnEbyComptonb-adacat-tcringphotons.激光光子通過廉價(jià)的大力生產(chǎn)光子對(duì)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)為朋如=￡為卿卜（昜+芻）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。Ublr1Thephotonudcar「eictionexperimentaldiaracterized.parametersforlSiTawnd1U7ra砸Targettype(mb)J｛回E^(MeV)rCMeVI12.72^205201.11R92G5421305厲以y②=瓦翥電沖卜眉庁+內(nèi)㈣）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］：路v命”耳砂缶-“圖叫卜 ⑴）在此公式中，是散射角，丨和.分別是精細(xì)結(jié)構(gòu)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：'f■1+(E/mfcose)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：<t(E-.)=932.5exp(-0.6E)|203.5exp(-0.025￡;)Ey是射線束能量。y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(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變過程。由于這個(gè)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(cè)試,以獲得最大的射線束的能量在表2中列出。Table2ParametersoftheComptonbd匚kscatteringfn匚ilitiesforgenerationofgammabeamsarclisted.FacilitynameElectronenergy(GeV)Electroncurrent(A)Beamintensity(y/s)LADON1.50.055xID5LEGS2.50.25x10sGRAAL60.153x106ELFE150.0510;SLEGS3.50.31.95x1臚束Y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。GammaEnergy(Mev}Fig.6.Theresultsufvariuusejtperimenttilfacilitiesfurgammaphutunspectrumiscompared.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100w連續(xù)C02激光器3.5GeV電子束,300毫安電子束電流和光度。我們能注意到這個(gè)設(shè)備可以產(chǎn)生至少10數(shù)量級(jí)(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 ［、門廣的激光強(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(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。能量光譜nYE(y)可表示為：n7=磐=2.06x106expt-0.48E-.)考慮到公式15中CBS橫截面和公式16中能量光譜nYE(y)，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)過程。在更高的電子束電流中,這個(gè)頻譜會(huì)變化,因此反應(yīng)的數(shù)量將會(huì)增加。這個(gè)評(píng)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(gè)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Y光子束越多。然而，隨著Y光子束增加，反應(yīng)的數(shù)量也增加了,但有一個(gè)最佳的能量1千瓦可以獲得最大變