Лазерные первичные и вторичные ядерные реакции в бор-нитриде

1. Ядерные pB, pN и вторичные α-индуцированные реакции Реакция синтеза протона и бора была тщательно...
2. Активация измерений
3. Модификация производства 11С в плазме

Ядерные pB, pN и вторичные α-индуцированные реакции

Реакция синтеза протона и бора была тщательно изучена и дает три альфа-частицы через три основных канала 11 :

Преобладающие каналы проходят через формирование составного ядра 12C * с последующим последовательным α-распадом через несвязанный 8Be в его основном (1) или первом возбужденном (2) состоянии. Канал (3) соответствует прямой реакции трех тел, которая для протонов с низкой энергией составляет менее 5% от общего сечения. 12 , Спектр альфа-частиц, возникающий в результате этих реакций, составляет от нескольких сотен кэВ до ~ 10 МэВ с учетом выхода синтеза и доступной энергии протонов. 12 , 13 с сильным широким пиком около 4 МэВ, местоположение которого несколько зависит от энергии протона. Существует четвертый путь синтеза γ-захвата, в котором ядро ​​соединения 12C * распадается под действием γ-излучения, высвобождая ~ 15,9 МэВ, но для сравнения это крайне маловероятная реакция. Сечение реакции 11B (p, α) 2α как функции энергии центра масс характеризуется двумя низкоэнергетическими резонансами при Ec.m = 148 кэВ и Ec.m = 614 кэВ 11 , 14 , которые очень интересны для производства большого количества реакций.

Могут происходить другие ядерные реакции между ускоренными протонами и борной мишенью. В экспериментах, описанных в разделе «Методы», схематический вид установки показан на рисунок 1 мы использовали природный бор, состоящий из двух изотопов (80,1 ± 0,2%) и (19,9 ± 0,2%). Две другие первичные ядерные реакции, представляющие интерес в этом контексте: 15 , 16 :

Рисунок 1: Схема установки для исследования взаимодействия между пучком протонов, ускоряемых коротким высокоинтенсивным лазерным импульсом, и твердой или плазменной мишенью из бора или нитрида бора.

Два лазерных импульса имеют четко определенные временные характеристики с задержкой по времени, как показано на вставке. Диагностика частиц отображается вокруг облученной мишени.

Сечения для этих двух реакций достигают значительных значений для энергии протонов выше 3 и 1,5 МэВ соответственно. Однако реакция (5) в сто раз менее вероятна, чем реакция (4). Радиоактивный 11C имеет период полураспада (20,364 ± 0,014) мин при распаде позитрона:

Наконец, низкоэнергетические протоны также могут взаимодействовать с 10B с образованием 7Be по реакции:

который производит альфа-частицы. 7Be распадается через захват электронов с периодом полураспада 53,24 дня.

Вторичные ядерные реакции могут происходить между in- произведенными α-частицами, генерируемыми (1–3) реакциями и 10B 17 , 18 :

который восстанавливает высокоэнергетические протоны, и

который требует альфа-энергии больше 2,5 МэВ для достижения значительных значений сечения. Радиоактивный 13N имеет период полураспада 9,97 минут путем распада позитрона:

Синтетическая схема первичных и вторичных реакций, представляющих интерес в нашем исследовании, инициированных взаимодействием протонов, облучающих естественную борную мишень, показана в Рис. 2а ,

фигура 2

Схема первичных и вторичных ядерных реакций, возникающих при взаимодействии протонного пучка с лазерным ускорением и ( а ) природной мишени из бора, ( б ) мишени из нитрида бора. В случае мишеней BN реакции с 10B также могут происходить, но они не показаны для ясности.

Новая идея этих экспериментов состояла в том, чтобы использовать составные мишени, чтобы использовать преимущества как широкого спектра энергии, так и высокой интенсивности протонного пучка с лазерным ускорением, чтобы инициировать цепочки реакций, основанных на взаимодополняющих элементах, и вторичных реакций, вызванных альфа-частицами. , Некоторые из них производят протоны, которые обещают продолжение цепных реакций и, в принципе, разработку устройств, производящих энергию. Таким образом, мы изучаем цикл реакции на многокомпонентной, например, BA, мишени, в которой первичные реакции между протонами и компонентом B производят α-частицу, которая затем реагирует с компонентом A: p + B -> α + X, α + A -> p + Y.

Мы искали изотоп, который в реакциях с α-частицами производит протоны и не производит нейтронов, а при облучении α-частицами или протонами не вступает в нежелательные боковые цепи реакций. Эндотермическая реакция со слабой (1–2 МэВ) нормальна, если она поддерживает цепочку реакций. Учитывая возникшие эндотермические реакции, мы нашли одного сильно аневронного кандидата - азот, который в дальнейшем легко обрабатывается в сочетании с бором. Поэтому мы решили использовать мишени из нитрида бора (BN). Природный азот состоит из двух изотопов (99,636%) и (0,364%). Первичные и вторичные ядерные реакции между пучком протонов и мишенью из нитрида бора показаны в Рис. 2б , Ключевая α-индуцированная вторичная реакция, представляющая интерес для нашей цели: 19 , 20 :

который производит энергичные протоны, так как энергия α-частиц переносится в значительной степени к произведенному протону; низкоэнергетическая α не может реагировать, учитывая относительно сильное кулоновское отталкивание. Сечение действительно является резонансным и достигает пика при нескольких МэВ, именно там, где появляются α-частицы продукта слияния, и, следовательно, образующиеся протоны являются энергичными.

Другая α-индуцированная вторичная реакция 21 :

представляет интерес для медицинских применений, учитывая производство радиоактивного 18F. Период полураспада 18F составляет 109,8 минут за счет эмиссии позитронов (97%) и захвата электронов (3%), и он будет использоваться для диагностики этой реакции.

Кроме того, 11C также может быть получен посредством следующей реакции:

Однако для достижения эффективной скорости реакции несколько на 10000 в твердой мишени необходима энергия протонов более 6 МэВ. 22 ,

В этом контексте возможно больше ядерных реакций, но мы не рассматриваем их в первом подходе, потому что либо их поперечное сечение слишком мало при задействованных энергиях, либо доля присутствующих элементов слишком мала, чтобы внести существенный вклад в наблюдения.

Характеристика α-частиц

Α-частицы наблюдались и характеризовались различной диагностикой. Пример высокоэнергетического спектра, измеренного в магнитном спектрометре для твердой борной мишени, показан в Рис. 3а , Низкоэнергетическое отсечение спектра происходит из-за алюминиевого фильтра толщиной 6 мкм, размещенного перед спектрометром. Наблюдается ~ 108 ср − 1 α-частиц с энергией от 2 до 7 МэВ. Низкоэнергетические α-частицы, от 500 до 900 кэВ, наблюдались в параболе Томсона, но эти частицы представляют меньший интерес для исследований, представленных здесь.

Рисунок 3

( а ) Спектр высокоэнергетической составляющей α-частиц, возникающей при взаимодействии ускоренного лазером протонного пучка и борной мишени. Красная линия на спектре соответствует обрезанию алюминиевого фильтра 6 мкм в магнитном спектрометре. Столбики ошибок учитывают изменение количества ударов в направлении, перпендикулярном магнитному полю. ( b ) Изображения CR39 для мишеней B и BN, показывающие большой диаметр удара, связанный с α-частицами, и малые диаметры удара, связанные с протонами.

α-частицы наблюдались также с нитридом бора. Спектр частиц высоких энергий подобен спектру борной мишени, но мы наблюдали большее количество α-частиц с BN как в магнитном спектрометре, так и в трековых детекторах CR39, расположенных под разными углами. Эти детекторы были покрыты алюминием толщиной 6 и 10 мкм, поэтому наблюдаемые частицы имеют энергию выше 2 и 3 МэВ соответственно. Типичные изображения CR39, покрытого 6 мкм алюминия для мишеней B и BN, показаны на Рис. 3б ,

Активация измерений

Примеры временной эволюции нормированной активации для мишеней B и BN показаны в Рис. 4 , В обоих случаях средний наклон по шкале логарифма для t <150 минут соответствует периоду полураспада 11C (20,4 ± 0,2) минуты. Очень интересная особенность появляется в последнее время на кривой BN. Для t> 90 мин, в случае BN, мы наблюдаем явное уменьшение наклона кривой. Это не наблюдается в случае цели B. Анализируя кривую, мы обнаружили, что наклон в последнее время был близок к 100 минутам. Мы приписали это изменение 18F, вклад которого начинает проявляться, когда 11C уже значительно уменьшился, потому что период полураспада 18F примерно в 5 раз больше, чем период полураспада 11C. Мы рассчитали подгонку этой кривой, используя сумму двух экспонент,

Рисунок 4

( а ) Кривые активации как функция времени для целей B и BN. Вставка части ( а ) - это увеличение начала кривой для цели B. ( б ) Подгонка кривой активации BN с использованием суммы вкладов 11C и 18F. Использовался трубчатый детектор Гейгера-Мюллера с точностью ± 5%, который выполнял серию быстрых измерений, включающих 4–16 показаний, что приводило к ошибке измерения активности, которая была ограничена статистическим счетом и шириной синхронизации примерно от половины до одной минуты. Таким образом, конечная погрешность измерения радиоактивности находилась в диапазоне 2–10% в зависимости от урожайности и продолжительности жизни.

где а также являются активациями 11C и 18F соответственно. В данном конкретном случае мы нашли подходящую для = 500 Бк и = 3,33 Бк, и интерпретировал измеренную активацию как суперпозицию распадов 11C и 18F. Это соответствует выходам 11C и 18F 106 и 6 × 103 соответственно. Анализируя больше выстрелов, мы обнаружили, что выход 18F варьировался между <103 (предел обнаружения нашей системы) и 6 × 103, что соответствует полосам ошибок наших измерений.

В ранние времена, t <30 мин, мы наблюдаем, что активации, измеренные в эксперименте, уменьшаются быстрее, в зависимости от времени, чем теоретический спад 11C. Это показано на вставке Рис. 4а , Это должно быть связано с вкладом короткоживущего компонента, который для наших условий мог бы быть азотом-13. Мы заметили, что его доля была выше в B, чем в мишенях BN, но с реальной точностью наших приборов было невозможно получить точный выход 13N. Это связано с тем, что периоды полураспада 13N и 11C слишком близки, и доступ к цели занимает ~ 14 минут после выстрела, поэтому ранние существенные измерения были невозможны. Учитывая возможные ядерные реакции, 13N, скорее всего, образуется по реакции (9), 10B (α, n) 13N. Поскольку в B в два раза больше 10B по сравнению с целями BN, это объясняет наблюдаемые более высокие урожаи 13N в B по сравнению с целями BN.

Мы провели несколько тестов, либо путем изменения энергетического спектра протонов, либо облученной мишени, чтобы однозначно идентифицировать связанные ядерные реакции. Спектр протонов был изменен путем изменения тонкой фольги (толщины или природы), облучаемой пикосекундным пучком, или путем изменения интенсивности импульса. Сначала мы рассмотрим реакции с образованием 11C в мишенях B. В качестве первого теста мы облучили естественные мишени B протонным пучком, ускоренным из алюминиевой фольги толщиной 10 мкм, для которой максимальная энергия протонов составляет ~ 3–3,4 МэВ (см. Рис. 5 ). Уровень активации был снижен на ~ 5 по сравнению с уровнем, полученным для алюминиевой фольги толщиной 20 мкм. Аналогичный эффект наблюдался при использовании мишеней Al-20 мкм с уменьшенной интенсивностью пикосекундного лазера, основным следствием чего было удаление высокоэнергетической части спектра протонов, но также и уменьшение низкоэнергетической части. Затем уровень активации был снижен в десять раз. В обоих случаях, как и следовало ожидать из его поперечного сечения 15 эффективность реакции 11B (p, n) 11C снижалась, что объясняло наблюдаемое снижение активности. Чтобы проверить эффективность реакции 10B (p, γ) 11C, мы облучили мишени 10B протонами, произведенными фольгой из Al-20 мкм с максимальной интенсивностью. Общая активация была уменьшена на ~ 60 по сравнению с активацией, полученной с природным бором, демонстрируя очень низкую эффективность реакции (5) по сравнению с (4) в соответствии с их соответствующими сечениями.

Рисунок 5: Характеристика протонного пучка, генерируемого коротким высокоинтенсивным (1–2 × 1019 Вт / см2) лазерным импульсом на различных мишенях с использованием параболы Томсона.

( а ) Изображение следов параболы Томсона. ( b ) Интегрированный нормированный поток протонов на единицу телесного угла, включающий все частицы выше энергии E, в зависимости от энергии, выведенной из анализа параболы Томсона. Высокоэнергетическое отключение модифицируется условиями взаимодействия: природой цели, интенсивностью короткого импульса.

Модификация производства 11С в плазме

Интересной частью эксперимента было сравнение результатов с мишенями B и BN, где исследовались как твердые, так и плазменные мишени. Типичные максимальные уровни активации с твердым B составляли ~ (1000 ± 50) Бк, что соответствует ~ 2 × 106 атомам 11C при t = 0 (время выстрела). Вклады 13N и 18F считаются незначительными при первом подходе. В мишенях BN для всех выстрелов в твердом теле уровни активации были ниже уровней активации мишеней B в ~ 2 раза. Скорее всего, этот результат просто отражает тот факт, что количество активных атомов уменьшается в 2 раза в мишенях BN по сравнению с мишенями B. Это также подтверждает, что реакция (13) неэффективна в соответствии с ее порогом в 6 МэВ и энергетическим спектром ускоренного лазером пучка протонов. Таким образом, большая часть наблюдаемого 11C была получена по реакции (4).

Удивительным результатом стало увеличение активации в случае, когда мишени BN были обусловлены в плазменном состоянии наносекундным пучком. Из временного анализа активация снова соответствует главным образом продукции 11C. В предыдущих исследованиях 6 Мы уже наблюдали, что число ядерных реакций увеличивалось за счет образования плазмы облучаемой мишени. Интересный факт в этом эксперименте заключается в том, что увеличение активации значительно выше в BN, чем в B-плазме. В Рис. 6а отношение активации в мишенях BN и B, A (BN) / A (B), сообщается как функция временной задержки между коротким и длинным лазерными импульсами. Задержка t = -100 пс означает, что короткий импульс был послан за 100 пс до длинного импульса. Учитывая расстояние в 6 мм между двумя мишенями, это означает, что наиболее энергичные протоны попадают в мишень B / BN, когда она только начинает превращаться в плазму. Мы видим, что A (BN) / A (B) уменьшается от ~ 1,8 до 0,9, когда Δt изменяется от -100 пс до +500 пс и всегда больше в плазме, чем в твердом теле, где оно составляет ~ 0,5. Использование ускоренного протонного пучка с золотом-10 мкм дополнительно увеличило на ~ 50% соотношение продукции 11C в BN по сравнению с B-плазмой. Этот последний результат, вероятно, обусловлен активизацией реакции (13) из-за протонов с более высокой энергией, доступных с золотой мишенью.

( a ) Отношение активации, экстраполированное к t = 0 для цели BN, A (BN), по сравнению с целью B, A (B), как функция задержки по времени между двумя лазерными импульсами. Задержка t = -100 пс означает, что короткий импульс был послан за 100 пс до длинного импульса. ( b ) Время прибытия протонов на мишень как функция их энергии на расстоянии 6 мм между двумя мишенями. Прямоугольники показывают импульсы формирования плазмы для трех временных задержек.

Похожие