[논문 리뷰] Thermoluminescence of Simulated Interstellar Matter after Gamma-ray Irradiation

Kazuto Koike, Masuo Nakagawa외 3명|arXiv (Cornell University)|2002. 02. 01.

Nuclear Physics and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 저온에서 감마선 및 중성자 조사 후 시뮬레이션된 간성물질인 토파이트(Mg₂SiO₄), 엔스타이트(MgSiO₃), 마그네사이트(MgCO₃)의 열광도(TL)를 조사한다. 조사된 토파이트는 645–655 nm에서 강한 열광도 피크를 나타내며, 이는 레드 레크탱글 네뷸라의 연장된 빨간 빛 방출(ERE)과 유사하다. 이는 우주에서 ERE의 기원으로서 조사에 의한 빛나는 성질이 가능하다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

Interstellar matter is known to be strongly irradiated by radiation and several types of cosmic ray particles. Simulated interstellar matter, such as forsterite $ m Mg_{2}SiO_{4}$, enstatite $ m MgSiO_{3}$ and magnesite $ m MgCO_{3}$ has been irradiated with the $ m ^{60}Co$ gamma-rays in liquid nitrogen, and also irradiated with fast neutrons at 10 K and 70 K by making use of the low-temperature irradiation facility of Kyoto University Reactor (KUR-LTL. Maximum fast neutron dose is $10^{17}n_f{ m /cm^{2}}$). After irradiation, samples are stored in liquid nitrogen for several months to allow the decay of induced radioactivity. We measured the luminescence spectra of the gamma ray irradiated samples during warming to 370K using a spectrophotometer. For the forsterite and magnesite, the spectra exhibit a rather intense peak at about 645 -- 655 nm and 660 nm respectively, whereas luminescence scarcely appeared in olivine sample. The spectra of forsterite is very similar to the ERE of the Red Rectangle.

연구 동기 및 목표

• 감마선 및 중성자 조사에 대한 시뮬레이션 간성-dust 유사체(토파이트, 엔스타이트, 마그네사이트)의 열광도 반응을 조사하기 위해.
• 저온(10–70 K)에서 조사가 간성 환경에서 관측된 특성과 유사한 빛나는 특성을 유도하는지 평가하기 위해.
• 결정성 실리케이트 내 방사선 유도 결함과 천체물리학적 ERE 현상 간의 잠재적 연관성을 탐색하기 위해.
• 저온 간성 환경에서 방사선 유도 결함의 안정성과 지속성 조사하기 위해.
• 우주 시간 척도 동안 조사력의 역사를 고려하여 간성-dust의 광학적 성질이 어떻게 형성되는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 60Co 감마선(1.1 및 1.3 MeV)을 이용해 액체 질소 온도(77 K)에서 토파이트, 엔스타이트, 마그네사이트의 블록 단일 결정을 조사하였다.
• 교토 대학 Reactor의 저온 조사 시설(KUR-LTL)을 사용해 10 K 및 70 K에서 최대 10¹⁷ n_f/cm²의 고속 중성자 조사를 실시하였다.
• 열광도 측정 전에 방사능 감쇠를 위해 수개월간 액체 질소에 저장하였다.
• CCD 카메라와 광섬유 결합을 갖춘 스펙트로포토미터를 사용해 10 K에서 370 K까지 열자극을 가하면서 열광도 스펙트럼을 측정하였다.
• 조사된 샘플의 열광도 스펙트럼을 알려진 천체물리학적 방출 특성과 비교하였으며, 특히 레드 레크탱글 네뷸라의 연장된 빨간 빛 방출(ERE)을 중심으로 하였다.
• 결정 구조, 결함 중심, 잠재적 나노입자 크기 효과와의 상관관계를 분석하기 위해 스펙트럼 특징을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 감마선 및 중성자 조사에 의한 간성-dust 유사체에서 연장된 빨간 빛 방출(ERE)과 유사한 열광도 특성이 나타나는가?
• RQ2 저온 조사 후 토파이트 및 기타 실리케이트/탄산염 유사체에서 열광도의 온도 의존성은 어떠한가?
• RQ3 토파이트, 엔스타이트, 마그네사이트의 빛나는 스펙트럼은 레드 레크탱글 네뷸라의 ERE 스펙트럼과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 결정성 실리케이트인 토파이트에서 방사선 유도 결함이 ERE 스펙트럼의 590 nm 특징 기원을 설명할 수 있는가?
• RQ5 저온 간성 환경에서 조사 효과가 얼마나 누적되고 안정하게 유지되는가?

주요 결과

• 감마선 조사 후 77 K에서 토파이트(Mg₂SiO₄)는 645–655 nm에서 주요 열광도 피크를 나타내며, 2차 피크는 590 nm에서 관측된다.
• 토파이트의 열광도 스펙트럼은 레드 레크탱글 네뷸라에서 관측된 연장된 빨간 빛 방출(ERE)과 특히 590–655 nm 범위에서 매우 유사하다.
• 마그네사이트(MgCO₃)는 660 nm에서 강한 열광도 피크를 나타내어 탄산염 먼지 입자에서의 빛나는 활동 가능성에 대한 시사가 있다.
• 엔스타이트(MgSiO₃)는 동일 조건에서 약하거나 거의 없는 열광도를 나타내어 결함 기반 빛나는 성질의 수율이 낮다는 것을 시사한다.
• 토파이트의 열광도는 낮은 온도(160–200 K)에서도 감지 가능하여, 저온 간성 환경에서 방사선 유도 결함이 저온에서 저장되었다가 따뜻해지면 방출될 수 있음을 나타낸다.
• 조사된 토파이트의 열광도 스펙트럼과 ERE 스펙트럼 간의 유사성은 결정성 실리케이트 내 방사선 유도 결함이 간성 빛나는 성질의 기원일 수 있다는 가설을 지지한다.