[논문 리뷰] Experimental Observations of Nuclear Activity in Deuterated Materials Subjected to a Low-Energy Photon Beam

Bruce M. Steinetz, Theresa Benyo외 11명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 03.

Nuclear Physics and Applications참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 2 MeV 광자 비임을 받은 디테르리티드 하프니움 및 에르비움 재료에서 실험적 핵 활성을 보고하며, 163Er, 171Er, 180mHf, 181Hf, 99Mo, 101Mo 및 그 붕괴 생성물인 99mTc와 101Tc와 같은 감지 가능한 방사성 동위원소를 생성한다. 감마 스펙트로스코피 및 중성자 검출을 통해 확인된 결과는 저에너지 조사 조건에서 디테르리티드 재료 내에서 새로운 핵 반응 경로가 존재할 수 있음을 시사하며, 수소화 또는 가스를 포함하지 않은 제어군에서는 활성이 관찰되지 않았다.

ABSTRACT

Exposure of highly deuterated materials to a low-energy (nom. 2 MeV) photon beam resulted in nuclear activity of both the parent metals of hafnium and erbium and a witness material (molybdenum) mixed with the reactants. Gamma spectral analysis of all deuterated materials, ErD2.8-C36D74-Mo and HfD2-C36D74-Mo, showed that nuclear processes had occurred as shown by unique gamma signatures. For the deuterated erbium specimens, posttest gamma spectra showed evidence of radioisotopes of erbium (163Er and 171Er) and of molybdenum (99Mo and 101Mo) and by beta decay, technetium (99mTc and 101Tc). For the deuterated hafnium specimens, posttest gamma spectra showed evidence of radioisotopes of hafnium (180mHf and 181Hf) and molybdenum (99Mo and 101Mo), and by beta decay, technetium (99mTc and 101Tc). In contrast, when either the hydrogenated or non-gas-loaded erbium or hafnium materials were exposed to the gamma flux, the gamma spectra revealed no new isotopes. Neutron activation materials showed evidence of thermal and epithermal neutrons. CR-39 solid-state nuclear track detectors showed evidence of fast neutrons with energies between 1.4 and 2.5 MeV and several instances of triple tracks, indicating greater than 10 MeV neutrons. Further study is required to determine the mechanism causing the nuclear activity

연구 동기 및 목표

• 저에너지 광자 조사가 디테르리티드 재료에서 핵 변환을 유도하는지 조사하기 위해.
• 제어된 광자 조사 조건 하에서 디테르리티드 하프니움과 에르비움이 측정 가능한 핵 활성을 나타내는지 확인하기 위해.
• 동일한 재료의 디테르리티드 및 수소화 형태 간의 핵 반응을 비교하기 위해.
• 감마 스펙트로스코피 및 중성자 검출 기법을 사용하여 반응 생성물을 식별하고 특성화하기 위해.
• 조사 중에 열 중성자, 고에너지 중성자, 고속 중성자를 포함한 중성자 방출 여부를 평가하기 위해.

제안 방법

• 명목 에너지 2 MeV의 광자 비임을 이용해 디테르리티드 에르비움(EmD2.8) 및 하프니움(HfD2) 시료를 조사하기 위해.
• 조사 후 시료 분석을 위해 감마 스펙트로스코피를 사용하여 새로운 방사성 동위원소 존재 여부를 확인하기 위해.
• 변환 또는 활성화 생성물을 검출하기 위해 무르리드를 증거 물질로 통합하기 위해.
• 에너지가 1.4에서 2.5 MeV 사이인 고속 중성자를 식별하기 위해 CR-39 고체 상태 핵트랙 검출기를 사용하기 위해.
• 열 중성자 및 고에너지 중성자를 검출하기 위해 중성자 활성화 필름을 사용하기 위해.
• 디테르리티드 시료의 결과를 수소화 및 가스를 포함하지 않은 제어군의 결과와 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2 MeV 광자 비임을 디테르리티드 하프니움 및 에르비움에 조사하면 측정 가능한 핵 변환이 발생하는가?
• RQ2 163Er, 171Er, 180mHf, 181Hf, 99Mo, 101Mo 및 그 붕괴 생성물인 99mTc와 101Tc와 같은 새로운 방사성 동위원소가 디테르리티드 시료에서 감지 가능한가?
• RQ3 조사 과정 중에 고속 중성자(10 MeV 이상)가 측정 가능한 방식으로 방출되는가?
• RQ4 동일한 조건에서 수소화 또는 가스를 포함하지 않은 동일 재료의 형태에서 유사한 핵 활성이 관찰되는가?
• RQ5 관찰된 핵 활성의 성격과 기원은 무엇이며, 이를 설명할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 조사 후 감마 스펙트로스코피에서 디테르리티드 에르비움 시료에 163Er과 171Er이 검출되어 핵 변환을 시사한다.
• 디테르리티드 하프니움 시료에서 180mHf와 181Hf가 확인되어 금속 기질 내 핵 활성을 확인한다.
• 감마 스펙트럼에서 에르비움 및 하프니움 시료 양쪽에 99Mo와 101Mo가 존재함을 확인하였으며, 이는 β 붕괴에 의해 99mTc와 101Tc가 후속적으로 검출됨을 의미한다.
• 중성자 활성화 필름은 조사 중에 열 중성자 및 고에너지 중성자를 포함한 증거를 보였다.
• CR-39 검출기는 에너지가 1.4에서 2.5 MeV 사이인 고속 중성자를 기록하였으며, 10 MeV 이상의 에너지를 가진 중성자를 나타내는 여러 개의 삼중 트랙도 관찰되었다.
• 수소화 또는 가스를 포함하지 않은 제어군에서는 새로운 동위원소나 중성자 방출이 관찰되지 않아, 관찰된 효과에서 디테르리움의 역할을 확인한다.