轫致辐射和激光逆康普顿散射的γ射线对钯的嬗变

轫致辐射和激光逆康普顿散射的γ射线对钯的嬗变摘要由轫致辐射和康普顿散射诱发的、对危险性长寿命放射性Pd107的光核嬗变得以实施。光核反应是通过照射2毫米的钽靶来研究的。钽靶正后方直接放置了1厘米厚Pd107靶，Pd107靶含一强度为222110mWcm的激光。功率为100W的二氧化碳激光和能量为3.5GeV的高能电子的廉价逆康普顿散射能产生强度高、平行性好的γ光子束，依据报道的由光子束所得数据，一个恰当的理论体系呈现。散射能量和微分截面作为散射角函数的特性。研究发现，康普顿逆散射法中反应的数量比半小时照射时间内重复率为10Hz、激光强度为222110mWcm的轫致辐射法大了约30个数量级。此外，轫致辐射法嬗变反应率强烈依赖上述激光特性、照射时间和输出电子束的能量，并且使反应数目达到最大的最优有效参数是估算的。关键字：γ光束钽嬗变康普顿逆散射轫致辐射原理1.引言放射性核废料产物，包括长寿命和中等寿命的裂变产物，是核工业的主要问题之一。最近，出现了关于危险放射性废物重组和废物管理有价值的理论和实验研究[1，4]。典型的废物管理系统包含了关于解决、处理、处置和回收废料[5]的一整套行动。应该指出的是，在现实的过程中，嬗变是一个复杂的课题，可以用各种方式来实现。粒子加速器加速中子轰击产生嬗变不能很好地适用于所有核素。这种方法是不切实际的，因为中子的俘获截面很低[6,7]。为了得到有价值的且安全的产物，高强度激光脉冲和物质的相互作用以及激光对核嬗变的作用效果成为全球关注的课题[8，12]。基于超强飞秒激光的发展，相对等离子体物理学开启了研究高能粒子束在各个领域中应用的新方法[13,14]。这些超强激光技术的迅猛发展和解释激光变形机制的显著进步为解决有害放射性废物[15,16]相关问题提供了新的解决方案。对激光康普顿散射γ光子束的研究也得到应用，展现了减少核废料的危害的一种方法[17]。多数长寿命原子核经光核反应后转变为短寿命或稳定原子核。随着高亮度线性加速器和高质量激光领域的发展，生产适合核光电学创新领域广泛应用的高康普顿X射线和γ光子束，这一近期设想得以实现[20,21]。激光康普顿散射或轫致辐射机制产生的高亮度和高能γ射线潜在通过（C，N）反应诱发光核嬗变的可能性[22]。超高强度激光辐射和薄靶的相互作用能产生相对电子，相对论电子可诱发轫致辐射机制所需的高能γ束。影响电子分布的关键参数是激光参数和靶的特性。为了把电子加速到相对高的能量而在高原子序数的靶前形成预等离子的重要性已得到先前实验的认证[23-25]。把电子汇聚到固体靶上，γ射线就会经轫致辐射反应产生。类似玻尔兹曼能量分布的γ射线将参与光核反应。因此，光核反应被认为是用于光核嬗变的现实反应[26]。为了产生能量足够高且廉价的光谱，高能量电子和激光光子之间的康普顿逆散射过程转变核废料是可行的。若利用更多实验设施，可能在1987年就生产出高能且廉价的激光光子[27]。基于康普顿逆散射法产生的第一束高能γ射线在弗拉斯卡蒂运行，由电子储存环中1.5Gev的电子与激光腔内2.5eV激光的相互作用产生。许多建议和实验设施用商用激光和电子束加速器生产康普顿逆散射γ射线束来诱发核变换。建立在束流强度为)/(1056s和)/(1036s储存环设备里的LEGS和GRALL能产生稳定的光子通量和短寿命光子束。自由电子激光（FEL）作为光源，用于在ELFE设备中产生高通量[22]。这种装置是复杂的，需要昂贵的电子束加速器。上海激光电子γ源（SLEGS）设施被建成产生同步辐射装置，上海光源同步加速器环中3.5GeV的电子束产生的100WCO2激光光子连续波经康普顿逆散射可使该设备能量最高达到22MeV[28]。核废料衰变γ射线的康普顿散射用碘化钠探测器测量。在这篇文章中，我们专注于Pd107。自然界中，钯（Pd）是由六种稳定的同位素，Pd102、Pd104、Pd105、Pd106、Pd108、和Pd110。最稳定的放射性同位素是Pd107，半衰期为650万年。幸运的是，钯有可用的实验中子俘获γ射线截面[29]。现用方法的目的是为了研究γ射线束的产生和转化过程的两种不同方法。第一个通常是用极强激光的轫致辐射法[1–4,20,30,16]，第二是康普顿逆散射法，利用储存环中廉价商业光子和GeV级电子产生的中能光子束。这一方法仅能用于嬗变率的理论计算。在这两种方法中，γ能谱、光核反应截面、反应数目和转化率都要进行评估、分析和相互比较以便采用适当的方法。本文还旨在探索嬗变过程中核嬗变率对激光参数、靶特性和伽玛射线特征强烈的依赖性。值得注意的是第二种方法中γ光子的分布和实验报告符合的很好。下文将对此作出详细解释。2.分析方法和数值结果2.1.轫致辐射机制利用超强激光脉冲，放射性长寿命Pd107经轫致辐射机制诱发的光核反应变为稳定同位素Pd102，本文将研究该反应的嬗变率。为确定主要的光核反应，一个中等强度放大的自发射激光脉冲在第一个2毫米厚、高原子序数、原子密度为2201054.5cm的钽靶上形成等离子体。基于最近MonteCarlo仿真对钽层厚度的优化，使厚度满足轫致辐射光子产额最大。发现对应10MeV电子束的最优厚度为1.88毫米，精确度为4-9%[31]。因此，在目前的工作中，我们取这一数值为主要靶物质钽的最佳厚度。对于一些核废料，γ射线的最大能量是通过蒙特卡罗模拟呈现[32]。p偏振光激光聚焦到等离子体产生高能电子束，以产生轫致辐射准直γ射线。这种强度为222010mWcm的γ光子最大通量为10-16MeV[3]。第二个直接放在主要钽靶后的常用靶是1厘米厚Pd107薄板，这是一种需要嬗变的有害核素。光谱足够窄的γ射线可用于将Pd107嬗变为稳定核素Pd106，该原理的图解如图1所示。基于玻伊尔等人的方法[33]，光核反应率需要研究核反应被诱发的可能性。射出电子温度的初始分布由威尔克斯等人描述。[34]，]1)1037.11[(511.0)(2/1182IMeVTKeB其中I是激光强度（2Wcm），是波长（m）。电子光谱表达为[35]：)/exp(0CBeeeeTKEEvdEdN其中eBTK是和电子光谱有关的热电子温度，0v是归一化常数。穿透第一层靶物质后产生致辐射的γ射线。忽略电子束在靶物质中传播的变化，微分轫致辐射截面集成如下[36]：)(112ebEEaZdEd其中Z是原子序数，a=11毫巴恩，b=0.83。轫致辐射的光子数辐射在1MeV间隔在光子能量Ec通过评估。其中N0为一常数，是特性温度光子，是γ射线的能量。光核交叉部分被假定为洛伦兹状其中是Emax和U的最大横截面是全宽半最大值（FWHM）。根据现有的实验，钯[39]横截面中子俘获C-线截面精确计算。用γ光子光谱和光核截面照片嬗变率和反应的数量通过定义。其中dt和nt的是厚度和靶的密度，Eint是上限能（兆电子伏），Ethr是阈能（兆电子伏）可以计算出这是在文献中可获得的任何反应[29]，他们概括于表1中。根据上述条件，伽玛的变化光子光谱与激光强度以及光107P的横截面进行，其结果示在图2。其结果是，轫致辐射谱强烈依赖激光的强度。在更高的强度，光谱改变和横截面和轫致辐射之间的重叠光谱增大从而导致高得多的嬗变速度和更高的一些反应。这估计约激光强度的嬗变反应速率的影响与实验报告一个好协议，这是由Gahn等。在强度为的横截面和轫致辐射光谱之间没有重叠。因此，最佳激光强度应由这种光核反应来确定。尽管激光强度，照射时间和重复率都有效的作用在提高嬗变率。图3示出对反应数目的依赖性辐射时间和重复率根据图3，可以得出结论，如果目标照射用于的激光强度α2LM2和重复一个小时1千赫速率，这将导致约。基于图4，可以注意到的是，虽然通过增加强度激光，反应和转化产率的数目是增加。然而，有的最佳强度？1022WCM2LM2获得反应的107最大数量每次激光照射。Wcm2LM22.2.激光逆康普顿散射为了使原γ射线具有高通量和大力便宜，康普顿背散射技术高能电子和激光光子之间是一种更好的方法核废料嬗变。示意图解释设置此过程示于图5。激光光子通过廉价的大力生产光子对现有的各种加速器通量设施。能源光谱数控（EC）是由[22]给出其中是在光速c的单位电子速度，dr/dEc是康普顿散射微分的横截面，和是电子空间密度和激光光子空间密度，分别电子空间密度可以表达为其中和是水平方向和垂直电子束的视电子纵向分散位置和J是电子电流。在这里，R0是经典电子半径。康普顿背散射差横截面由克莱因-仁科式实现[42]：在此公式中，是散射角，和分别是精细结构常数，以及减少的康普顿波长电子。为光子的比率能量后碰撞前：Me是电子的质量，康普顿背散射截面公式根据伽马光子光束数值通过拟合数值计算的形式得到：Eγ是射线束能量。γ能量光谱和转化效率使用光致反应取决于康普顿散射激光设备属性中最大的射线束的能量。因此，选择最优和实用的条件是一个关键的转变过程。由于这个课题，根据报道康普顿背散射实验设备实验的设置各种参数的测试,以获得最大的射线束的能量在表2中列出。束γ谱康普顿背散射过程在不同报道光子通量实验设备与各种现有的加速器,如图6所示。比较不同报道的光谱实验装置表明,增长和能量谱是由使用上海激光电子伽马源(SLEGS)与100w连续CO2激光器3.5GeV电子束，300毫安电子束电流和光度。我们能注意到这个设备可以产生至少10数量级(光子/兆电子伏)与其他设施相比较。从显示的结果,它也注意到,与经过的激光强度作用的轫致辐射哥伦比亚广播公司(CBS)光谱的结果是显著改善100倍。因此，我们已经调查反应的转化速率和数量通过CBS过程基于这个实验数据。能量光谱nγE(γ)可表示为：考虑到公式15中CBS横截面和公式16中能量光谱nγE(γ)，反应和转化速率的数量计算。澄清的依赖数量的反应在哥伦比亚广播公司(CBS)过程中有效的实验设施和比较他们和轫致辐射机制，这些影响因素的方式被认为是和最优参数。图7显示数量的依赖电子目前在哥伦比亚广播公司(CBS)梁上的反应过程。在更高的电子束电流中,这个频谱会变化,因此反应的数量将会增加。这个评估最优的电子电流产生反应的最大数量，根据上述描述,在这个过程中激光功率是另一种有效的参数。激光功率越高产生的γ光子束越多。然而，随着γ光子束增加，反应的数量也增加了,但有一个最佳的能量1千瓦可以获得最大变化速率。如图8所示。因为辐照时间对的产量和反应的数量有主要影响。所以辐照时间的影响研究在图9中。比较康普顿背散射过程的评估结果和轫致辐射机制，发现反应的数量在哥伦比亚广播公司(CBS)方法在半小时照射时间30倍相比，通过的激光强度和10Hz的重复率来改进轫致辐射。3总结在目前的工作中，转化到它的稳定同位素106Pd长寿的裂变产物的可能通过轫致辐射和康普顿散射过程进行了研究分析。伽马能谱和转化效率使用光致反应取决于激光强度、激光的辐照时间和重复率轫致辐射机制。但是，激光康普顿散射的特性最大设施射线束的能量,这是选择最优的计算具有重要意义和实用SLEGS设施康普顿背散射过程。轫致辐射的机制，通过的强度和半小时10Hz的重复率照射铅107，反应得到的数量达到3×10¹¹，但是，在CBS中这个数量提高到了8×10¹¹。转化速度也提升激光角色的变化,输出的电子束的辐照时间和精力。应该注意到,除了依赖数量的反应到提到的参数,这些是评估参数的最佳有效剂量。鸣谢作者要感谢帕尔斯石油天然气公司的石油部门的支持通过合同号PT131这个项目。我们也鸣谢副谢里夫大学的研究技术。