بخشی از مقاله
چکیده-
تبدیل برخی از محصولات شکافت هستهای شامل 129I، 126Sn، 151Sm و 137Cs با استفاده از لیزرهای پرتوان در اثر دو مکانیزم تابش ترمزی و پس پراکندگی کامپتونی بررسی شده است. به ویژه تبدیل این ایزوتوپهای خطرناک زیستی از طریق برهمکنش - ' Q - به ایزوتوپهای پایدار یا با نیمه عمر پایین شامل 128I، 125Sn، 150Sm و 136Cs به صورت عددی محاسبه شده است. همچنین نرخ تبدیل این ایزوتوپها با دو مکانیزم ذکر شده مقایسه شده که نتایج، نشانگر برتری مکانیزم پس پراکندگی کامپتونی جهت ایجاد نرخ بالاتر تبدیل هستهای میباشد.
-1 مقدمه
یکی از روشهای تبدیل هستهای بمباران هسته توسط نوترونهای حاصل از یک راکتور یا یک شتابدهنده ذرات میباشد. این روش برای تبدیل همه هستههای پرتوزا روش مناسبی نیست. برای مثال، تبدیل 137Cs به طور مؤثر توسط برهمکنش - - Q' یعنی بمباران نوترونی غیرعملی است. زیرا سطحمقطع جذب نوترونی آن بسیار کم است. تبدیل محصولات شکافت هستهای که زبالههای هستهای با رادیواکتیوی بسیار بالا و نیمهعمر طولانی میباشند به واسطه برهمکنش فوتون با هسته، یک راهکار مناسب به نظر میرسد.
به واسطه یک برهمکنش - 'Q - این زبالههای خطرناک به ایزوتوپهای با نیمهعمر پایین تبدیل میشوند که قابل کاربرد در صنعت و پزشکی نیز می باشند و همچنین این تبدیل میتواند منجر به تولید ایزوتوپهای پایداری که دیگر برای انسان و محیطزیست خطرناک نیستند، گردد. به طور متداول، دو مکانیزم عملی برای تولید پرتوی گاما برای برهمکنش نور با هسته جهت تبدیل زباله هستهای وجود دارد. روش اول استفاده از الکترونهای شتابدار شده توسط تابش یک لیزر با شدت خیلی بالا به یک هدف جامد با عدد اتمی بالا مانند تانتالیم است که در آن به دلیل ایجاد پدیده تابش ترمزی پرتوهای گاما تولید میشوند
روش دوم استفاده از پرتوی گامای تولید شده از پسپراکندگی کامپتون فوتونهای لیزر با الکترونهای شتابدار شده توسط یک شتابدهنده - مثلاً سیکلوترون - است.
-2 طیف فوتونی تابش ترمزی
با کانونی شدن لیزرهای با توان صدها پتاوات در چندصد میکرومتر مربع باریکههای لیزر با شدت بیش از w/cm2 1020 تولید میشود. نیروی پندرموتیو - ponderomotive - این لیزرهای با شدت بالا باعث تولید الکترونهای پرانرژی نسبیتی در پلاسما میگردد.[4] این الکترونهای شتابدار نسبیتی با تقریب خوبی یک توزیع بولتزمن دارند. پلاسماهای نسبیتی ایجاد شده توسط تابش پالس این لیزرها در کمتر از 100 فمتوثانیه منبع تابش پرتوهای گامای با انرژی بیش از دهها هزار الکترونولت میباشند. در نهایت یک گستره فوتونهای گاما با توزیع انرژی نمایی تولید میشود
برهمکنش فوتونهای بدست آمده از تکنیک بالا با هستههای پرتوزا، باعث جدا شدن یک و یا چندین نوترون از هستههای رادیونوکلوئید میگردد. تبدیل یک رادیونوکلوئید به پارامترهای لیزر مانند شدت، زمان تابش و نرخ تکرار لیزر وابسته است. بطوریکه شرایط پلاسما و کنترل بهینه شتاب ذرات برای بهینه کردن تعداد برهمکنش های فوتون با هسته، با شدت لیزر تنظیم میشود.
-3 طیف فوتونی پسپراکندگی کامپتون
پراکندگی کامپتون باریکه لیزر توسط الکترونهای پرانرژی، یک منبع پرتوی گامای منحصر به فرد برای کاربردهای مختلف است. در این روش یک برخورد بین یک الکترون نسبیتی و یک فوتون ناشی از لیزر اتفاق میافتد. کلیت طرح در شکل 1 نشان داده شده است. باریکه الکترونهای شتابدار، دارای انرژی و میانگین جریان بالا میباشد. پراکندگی کامپتون توسط لیزرهای با شدت بالا انجام شده و پرتوی گامای با درخشندگی بالا تولید میکند. انرژی پرتوی گاما توسط انرژی باریکه الکترونی و طول موج لیزر تنظیم میشود.
شکل :1 تولید پرتوی گاما در اثر پراکندگی کامپتونی لیزر
-4 مدل
برای محاسبه طیف فوتونی ناشی از تابش ترمزی در ابتدا طیف فوتونی، n - E - ، لیزر بر حسب دما تعیین میشود. برای این کار ما از دادههای طیفسنجی ترمولومینسانس - TLD - برای مبدل تانتالیوم استفاده می کنیم. با این توزیع فوتونی میتوانیم بیشینه مقدار سطحمقطع برهمکنشهای - 'Q - را محاسبه کنیم.
دادههای موجود، بر پایه برهم کنش نور لیزر با قطبش p در شدت 1020W/cm2 و نرخ تکرار 10Hz با طول موج مرکزی حدود 800nm است.
طیف الکترونهای شتابدار شده توسط لیزر و فوتونهای تابش ترمزی، توزیعی شبیه توزیع بولتزمن به صورت زیر دارد.
فرض می کنیم نتایج اندازهگیری TLD برای دمای الکترونی KTe=1/7 MeV و دمای فوتونی KT =1/2 MeV بدست آمده است. سطحمقطع برخورد پرتوی گاما با اتم تانتالیوم - 181Ta - ، Ta - 'Q - ، یک شکل لورنتسی با انرژی آستانهای در Eth=7/58 MeV دارد. بیشینه مقدار سطحمقطع، max=376 mbarn ، در انرژی Emax=12/7 MeV است و پهنای کل در نصف مقدار بیشینه =5 MeV - FWHM - میباشد. شکل لورنتسی سطحمقطع برخورد فوتونهای گاما با ماده به صورت زیر است.
حال طیف فوتونهای گامای تولید شده به روش پسپراکندگی کامپتون را بررسی می کنیم. با توجه به انرژی باریکه الکترونی نسبیتی منتشر شده، طیف انرژی فوتونهای گامای - n - E را میتوان به صورت زیر بیان کرد.
که در آن N تعداد کل فوتونهای گامای پس پراکندگی کامپتونی، در هر ثانیه است . در اینجا P و I به ترتیب توان لیزر و جریان باریکه الکترونی - 300 mA - هستند. L میزان درخشندگی پرتوی گامای پس پراکندگی کامپتون که حدود 6/5107 1/AWs میباشد، است.
بنابراین مقدار N، 1/65109 1/s محاسبه میگردد. ddE سطح مقطع دیفرانسیلی CBS است که از فرمول کلین نیشینا[8] بدست میآید و T سطحمقطع کل CBS است. - اختلاف بین انرژی باریکه الکترونی - Ee - و انرژی میانی باریکه الکترونی - 3/5 GeV - است و E انحراف مقدار n - 0 - در رابطه - 1 - با استفاده از T و تعداد کل NTa برهمکنشهای 1817D - 'Q - با استفاده از رابطه زیر بدست میآید.
که در آن nTa چگالی اتم های تانتالیوم در هدف و d ضخامت هدف است. با استفاده از رابطه n - 0 - =7107 1/MeV - 3 - بدست میآید.
جدول :1 دادههای تجربی مربوط به محصولات شکافت هسته ای.
جدول 1، داده های تجربی مربوط به پارامترهای نظیر محصولات شکافت هستهای را نشان میدهد. با استفاده از داده های این جدول و رابطه - 2 - ، میتوان سطحمقطع برهمکنش - 'Q - را برای ذرات مختلف بدست آورد. تعداد کل Nfp برهمکنشهای - 'Q - برای هر پالس لیزر با توجه به مقادیر بدست آمده برای fp - E - و n - E - محاسبه میگردد.
که در آن nfp و dfp به ترتیب چگالی و ضخامت رادیونوکلوئید و انرژی آستانه برهمکنش فوتون با رادیونوکلوئید برای جدا کردن یک نوترون میباشند.
شکل :2 طیف فوتونهای گامای بدست آمده از دو روش تابش ترمزی و پسپراکندگی کامپتون به همراه سطح مقطع برهمکنش پرتوهای گاما با هستههای رادیواکتیو.
