轫致辐射和激光逆康普顿散射的γ射线对钯的嬗变

1、轫致辐射和激光逆康普顿散射的Y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107Pd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107Pd靶，107Pd靶含一强度为 1021Wsm人m2的激光。功率为100W的二氧化碳激光和能量为 3.5 GeV 的高能电子的廉价逆康普顿散射能产生强度高、平行性好的丫光子束，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1021Wtmlm2的轫致辐射法大了约30

2、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：丫光束 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

3、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。对激光康普顿散射丫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

4、射线和丫光子束，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丫射线潜在通过（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丫束。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，丫射线就会经轫致辐射反应产生。类似玻尔兹曼能量分布的丫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

5、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 能丫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 丫射线束来诱发核变换。建立在 束流强度为5 106（ /s）和3 106（ /s）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 丫源

6、（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 100WCO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 22MeV8 。核废料衰变丫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107Pd。自然界中，钯（Pd）是由六 种稳定的同位素，102Pd、104Pd、105Pd、106Pd、108Pd、和 110Pd。最稳 定的放射性同位素是107Pd，半衰期为650万年。幸运的是，钯有可 用的实验中子俘获丫射线截面29 。现用方法的目的是为了研究丫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 - 4,2

7、0,30,16 ，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，丫能谱、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丫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 Pd经轫致辐射机制诱发的 光核反应变为稳定同位素102Pd，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

8、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5.54 1020cm2的钽靶上形成等离子体。基于最近Monte Carlo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 10 MeV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，丫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丫射线。这种强度为1O20Wtm Jm2的丫光子最大通量为10-16MeV3。第二个直接放在主要 钽靶后的常用靶是1厘米厚107Pd薄板

9、，这是一种需要嬗变的有害核 素。光谱足够窄的丫射线可用于将107Pd嬗变为稳定核素106Pd，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 KBTe(MeV) =0.511(1 2I 扎、1/218 /1.37 10-1其中I是激光强度（Wcm，） ，是波长（Jm ）。电子光谱表达35 dNedEe:v°Eeexp(Ee/KBTc)其中KBTe是和电子光谱有关的热电子温度，V0是归一化常数 穿透第一层靶物质后产生致辐射的丫射线。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

10、:d "dE2_1_1:aZ2(E -bEe )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为一常数小呼|味右是特性温度光子，电°是丫射 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（FWHMBnew 谢vut mecbmiwi F=厂QfMev v-Pd根据现有的实验，钯39横截面中子俘获C-线截面精确计算。 用丫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

11、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。m 14匸 iQVS3VWn2SK»E ntrgj- Me*-"口 nlaqdFig.皇 BrEMTBtrihlung spectra of 阪Pd fior thr liser intensities of 1 VJan_J u.inJB IO11 WanT* iim1,1012 Wiirr，|±m上 2nd Sx lOWcmJ iurr' is 占howik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

12、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n “叮由Gahn等。在讯强度为5 kWcm J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Fig. 3. The raumJxrr oF vrjctioni JflTPd u a Futicbon dT irradiation tirnr for dilTrreit hwr it peri lion叫 “rihl

13、i 恥育 inirn<ity of IO3* Wcm pm 巴根据图3,可以得出结论，如果目标照射用于的激光强度a 2 LM2和重复一个小时1千赫速率，这将导致约。基于图4,電sr-luBi丄中ir3*彳1他刊厅够叱up1 l»JlFig. 4- Tfic num be rd (, n( rcactonj l?r|l：, rd as a tuncliDn 口 I laser Linens ty. The opt un urn iricnsj ly hai bccim c aJ cu lalixl to be 1.& x 10! W cm" jinr vn ll

14、i 上丄 x 10 induerd number ol irclims per Jer ihal：-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Wem pm3的最佳强度？ 1022WCMLM2获得反应的107最大数量每次激光照射。WcmLM22.2.激光逆康普顿散射为了使原丫射线具有咼通量和大力便宜，康普顿背散射技术咼 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。FigSL TrjrunuLiiiviior111 R1 ming phmtiritjclm 龙凯 hixu tvCumpiDn b-jckcji- tsn莒 ijl

15、uiunfi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给出呦十Q _/码人仗乩其中 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 表达为其中假低和听Fd）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。Tjtak 1The phntnnudear reactDhchra 匚 tFrizLierperi mriiul. paramrtmfar ia,PI and 'Fti jitfypt?J imbj(M*V):回lr:MeV)3«712.77S

16、ZSlZQs201.1£_S411_3£l5pexp 2.AJ - r:在这里，RO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:血rdZI-叫片矿”EJ) 4-1 + CO鬥可/2(13在此公式中，同是散射角，k和比分别是精细结构常数LW吟4），以及减少的康普顿波长电子 Z加恰PE。小&倆为光子的比率能量 后碰撞前:1 t if /nu3 (1 costf)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：叭= 932.5 exp(-0.6EJ + 203.5 ex p(-0,025£y)Ey是射线束能

17、量。丫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。Table 2Parameters of the Compton backscattering facil 让for generation of gamma beams are listed.FacilitynameElectron energy (CeV)Electron current(A)Beam intensity v/ sLADON150.

18、055 x 10sLEGS250.25 x 106GRAAL60J53 x 106ELFE150+05107SLEGS3.5031.95 x 109束丫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。10TCumiuki Eicry (Mev>Fig. I he lebuJli <jI vaiiuiii expel iniciitaJ taciJilie fur gdiiuna phuluii spebLi uni i、 Loin pared.一£*-ImulQs-£-1 EBUIBOga比较不同报道的光谱实验装置表明，增长和能量谱

19、是由使用上 海激光电子伽马源(SLEGS与100 w连续CO2激光器3.5 GeV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lOWcm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dN：fd£?/程基于这个实验数据。能量光谱 门丫 E( y )可表示为：= 2.06 x 106 exp(-0.48E7)考虑到公式15中CBS横截面和公式16中能量光谱n 丫 E( 丫 )

20、，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1002003004005006007008009001000Ekctron Emm Current (mA)Fig. 7* The number of reactions for 10yPd as a function of electron current beam in CBS process.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。

21、 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丫光子束越多。然而，随着丫光子束增加，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4I3D 冊耕 NJDE3柿 1JIJ4I 14011 UIIU工鼻細I 悴 S, The numbcT of rc?acnofin$ for lc，7ftl as a functiw. laser pouvrr in CBS melhod- The npCimuirii laser power has h-ren rjleul;iErd! ItJ be KW wilh indurpd nurnber of n