1、軔致輻射和激光逆康普頓散射的 射線對(duì)鈀的嬗變摘要由軔致輻射和康普頓散射誘發(fā)的、對(duì)危險(xiǎn)性長(zhǎng)壽命放射性107 Pd的光核嬗變得以實(shí)施。光核反應(yīng)是通過(guò)照射2 毫米的鉭靶來(lái)研究的。鉭靶正后方直接放置了1 厘米厚 107 Pd 靶， 107 Pd 靶含一強(qiáng)度為1021Wcm 2 m2 的激光。功率為100W 的二氧化碳激光和能量為3.5 GeV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10 Hz 、激光強(qiáng)度為1021Wcm 2 m2

2、的軔致輻射法大了約30 個(gè)數(shù)量級(jí)。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(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。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(zhǎng)壽命和中等壽命的裂變產(chǎn)物，是核工業(yè)的主要問(wèn)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(guò)程中，嬗變是一個(gè)復(fù)雜的課題，可以用各種方式來(lái)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?/p>

3、的俘獲截面很低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(kāi)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(wèn)題提供了新的解決方案。對(duì)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(zhǎng)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

4、，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(guò)（ 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，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 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(guò)程

5、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 。基于康普頓逆散射法產(chǎn)生的第一束高能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)康普頓逆散射射線束來(lái)誘發(fā)核變換。建立在束流強(qiáng)度為 5 106 (/ s) 和 3 106 (/ 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。上海激光電子源（SLEGS）設(shè)

6、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2822MeV。核廢料衰變 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107 Pd 。自然界中，鈀（ Pd）是由六種穩(wěn)定的同位素，102 Pd 、 104 Pd 、 105 Pd 、 106 Pd 、 108 Pd 、和 110 Pd 。最穩(wěn)定的放射性同位素是 107 Pd ，半衰期為 650 萬(wàn)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(guò)程的兩種不同方法。第一個(gè)通常是用極強(qiáng)激光的軔致

7、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， 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ā１疚倪€旨在探索嬗變過(guò)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 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(zhǎng)壽命107 Pd 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102 Pd ，本文將研究該反應(yīng)的嬗變率。為確定主要的光核

8、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5.541020 cm2 的鉭靶上形成等離子體。基于最近Monte Carlo 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)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(duì)于一些核廢料， 射線的最大能量是通過(guò)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)直射線。這種強(qiáng)度為1020Wcm 2 m2 的光子最大通量為10-16MeV 3 。第二個(gè)直接放在主要鉭靶后的常用靶是1

9、 厘米厚 107 Pd 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 107 Pd 嬗變?yōu)榉€(wěn)定核素 106 Pd ，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。34，2I1 / 2K BTe ( MeV )0.511(118 )1其中 I 是激光強(qiáng)度（ Wcm 2 ），是波長(zhǎng)（m ）。電子光譜表達(dá)為35：dNev0 Ee exp( Ee / K BTC )dEe其中 K BTe 是和電子光譜有關(guān)的熱電子溫度，v0 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

10、的變化，微分軔致輻射截面集成如下36：daZ 2 (E 1bEe1 )dE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)輻射在 1MeV間隔在光子能量 Ec 通過(guò)評(píng)估。其中 N0為一常數(shù) ， 是特性溫度光子，線的能量。光核交叉部分被假定為洛倫茲狀是射其中是 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(guò)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)

11、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)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)度為的橫截面和軔致輻射光譜之間沒(méi)有重疊。因此，最佳激光強(qiáng)度應(yīng)由這種光核反應(yīng)來(lái)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)

12、一個(gè)小時(shí)1 千赫速率，這將導(dǎo)致約。基于圖 4 ，可以注意到的是，雖然通過(guò)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2的最佳強(qiáng)度？ 1022WCMLM2 獲得反應(yīng)的 107 最大數(shù)量每次2激光照射。 WcmLM22.2. 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(guò)程示于圖 5。激光光子通過(guò)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

13、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，以及減少的康普頓波長(zhǎng)電子和分別是精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)。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(guò)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(gè)關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變過(guò)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

14、列出。束譜康普頓背散射過(guò)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(zhǎng)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(guò)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(guò) CBS過(guò)程基于這個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。能量光譜 nE() 可表示為：考慮到公式

15、 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(guò)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(guò)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(guò)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(gè)最佳的能量 1 千瓦可以獲得最大變化速率。如圖

16、8 所示。因?yàn)檩椪諘r(shí)間對(duì)影響。所以輻照時(shí)間的影響研究在圖的產(chǎn)量和反應(yīng)的數(shù)量有主要9 中。比較康普頓背散射過(guò)程的評(píng)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(shí)照射時(shí)間30 倍相比，通過(guò)的激光強(qiáng)度和 10Hz 的重復(fù)率來(lái)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(zhǎng)壽的裂變產(chǎn)物的可能通過(guò)軔致輻射和康普頓散射過(guò)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(shí)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(guò)程。軔致輻射的機(jī)制，

17、通過(guò)的強(qiáng)度和半小時(shí)10Hz的重復(fù)率照射鉛 107，反應(yīng)得到的數(shù)量達(dá)到 3×10 11，但是，在 CBS 中這個(gè)數(shù)量提高到了 8×10 11。轉(zhuǎn)化速度也提升激光角色的變化 , 輸出的電子束的輻照時(shí)間和精力。應(yīng)該注意到 , 除了依賴數(shù)量的反應(yīng)到提到的參數(shù) , 這些是評(píng)估參數(shù)的最佳有效劑量。鳴謝作者要感謝帕爾斯石油天然氣公司的石油部門的支持通過(guò)合同號(hào) PT131這個(gè)項(xiàng)目。我們也鳴謝副謝里夫大學(xué)的研究技術(shù)。讀書(shū)的好處1、行萬(wàn)里路，讀萬(wàn)卷書(shū)。2、書(shū)山有路勤為徑，學(xué)海無(wú)涯苦作舟。3、讀書(shū)破萬(wàn)卷，下筆如有神。4、我所學(xué)到的任何有價(jià)值的知識(shí)都是由自學(xué)中得來(lái)的。 達(dá)爾文5、少壯不努力，老大徒悲傷。6、黑發(fā)不知勤學(xué)早，白首方悔讀書(shū)遲。 顏真卿7、寶劍鋒從磨礪出，梅花香自苦寒來(lái)。8、讀書(shū)要三