[论文解读] Experimental Observations of Nuclear Activity in Deuterated Materials Subjected to a Low-Energy Photon Beam

Bruce M. Steinetz, Theresa Benyo+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2017

Nuclear Physics and Applications参考文献 11被引用 4

一句话总结

本研究报道了在2 MeV光子束照射下，氘化铪和铒材料中观测到的实验性核活性，产生了可检测的放射性同位素，如163Er、171Er、180mHf、181Hf、99Mo、101Mo及其衰变产物99mTc和101Tc。通过伽马能谱分析和中子探测确认了结果，表明在低能辐照条件下，氘化材料中存在一种新型核反应路径，而氢化或未充气对照组未观察到任何活性。

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

研究动机与目标

• 研究低能光子辐照是否会在氘化材料中引发核嬗变。
• 确定在受控光子辐照下，氘化铪和铒是否表现出可测量的核活性。
• 比较相同材料的氘化与氢化形式之间的核响应差异。
• 利用伽马能谱分析和中子探测技术识别并表征反应产物。
• 评估辐照过程中是否存在中子发射，包括热中子、超热中子和快中子。

提出的方法

• 以标称能量2 MeV的光子束辐照氘化铒（ErD2.8）和铪（HfD2）样品。
• 采用伽马能谱分析法检测辐照后样品中是否存在新放射性同位素。
• 引入钼作为示踪材料，以检测嬗变或活化产物。
• 使用CR-39固体核径迹探测器识别能量在1.4至2.5 MeV之间的快中子。
• 利用中子活化箔片检测热中子和超热中子。
• 将氘化样品的结果与氢化样品及未充气对照组的结果进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 以2 MeV光子束辐照氘化铪和铒是否会产生可测量的核嬗变？
• RQ2 在氘化样品中是否可检测到163Er、171Er、180mHf、181Hf、99Mo、101Mo及其衰变产物99mTc和101Tc等新放射性同位素？
• RQ3 在辐照过程中是否存在可测量的中子发射，包括能量超过10 MeV的快中子？
• RQ4 在相同辐照条件下，氢化或未充气版本的同种材料是否表现出类似的核活性？
• RQ5 所观测到的核活性的本质和来源是什么？何种物理机制可能解释该现象？

主要发现

• 辐照后伽马能谱分析在氘化铒样品中检测到163Er和171Er，表明发生了核嬗变。
• 在氘化铪样品中鉴定出180mHf和181Hf同位素，证实了金属基体中的核活性。
• 伽马能谱显示在铒和铪样品中均存在99Mo和101Mo，其后续通过β衰变检测到99mTc和101Tc。
• 中子活化箔片在辐照过程中显示出热中子和超热中子存在的证据。
• CR-39探测器记录到能量在1.4至2.5 MeV之间的快中子，且多个三重径迹表明存在能量大于10 MeV的中子。
• 在氢化或未充气对照组中未观察到新同位素或中子发射，表明氘在所观测效应中起关键作用。