[论文解读] Thermoluminescence of Simulated Interstellar Matter after Gamma-ray Irradiation

Kazuto Koike, Masuo Nakagawa+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2002

Nuclear Physics and Applications被引用 4

一句话总结

本研究调查了在低温下经γ射线和中子辐照后，模拟星际物质（橄榄石（Mg₂SiO₄）、顽辉石（MgSiO₃）和菱镁矿（MgCO₃））的热释光（TL）特性。结果表明，辐照后的橄榄石在645–655 nm处表现出强烈的热释光峰，与猎户座矩形星云中观测到的扩展红致发射（ERE）极为相似，提示辐射损伤诱导的发光可能是太空中ERE现象的可能成因。

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.

研究动机与目标

• 调查模拟星际尘埃样品（橄榄石、顽辉石、菱镁矿）在γ射线和中子辐照下的热释光响应。
• 评估在低温（10–70 K）条件下辐照是否会产生与星际环境中观测到的特征（尤其是扩展红致发射（ERE））相似的发光现象。
• 探讨晶体硅酸盐中辐射诱导缺陷与天体物理ERE现象之间的潜在联系。
• 研究在低温星际条件下，辐射诱导缺陷的稳定性和持久性。
• 评估辐照历史在宇宙时标尺度上对星际尘埃光学性质的塑造作用。

提出的方法

• 使用⁶⁰Co γ射线（1.1 和 1.3 MeV）在液氮温度（77 K）下辐照橄榄石、顽辉石和菱镁矿的块状单晶。
• 利用京都大学反应堆的低温辐照装置（KUR-LTL），在10 K和70 K下进行额外的快中子辐照（最高达10¹⁷ n_f/cm²）。
• 在辐照后将样品在液氮中储存数月，以允许诱导放射性衰减后再进行热释光测量。
• 使用配备CCD相机和光纤耦合的分光光度计，对样品从10 K加热至370 K的过程中进行热释光光谱测量。
• 将辐照样品的热释光光谱与已知的天体物理发射特征进行比较，特别是猎户座矩形星云中的扩展红致发射（ERE）。
• 分析光谱特征与晶体结构、缺陷中心以及潜在纳米颗粒尺寸效应之间的相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 γ射线和中子辐照星际尘埃模拟物是否会产生与太空中观测到的扩展红致发射（ERE）相匹配的热释光特征？
• RQ2 在低温辐照后，橄榄石及其他硅酸盐/碳酸盐模拟物的热释光温度依赖性如何？
• RQ3 橄榄石、顽辉石和菱镁矿的发光光谱与猎户座矩形星云中ERE光谱的相似性如何？
• RQ4 晶体硅酸盐（如橄榄石）中辐射诱导缺陷是否可解释ERE光谱中590 nm特征的成因？
• RQ5 在低温星际环境中，辐照效应在多大程度上会累积并保持稳定？

主要发现

• 经77 K下γ射线辐照后，橄榄石（Mg₂SiO₄）在645–655 nm处表现出主要的热释光峰，同时在590 nm处存在次级峰。
• 橄榄石的热释光光谱与猎户座矩形星云中观测到的扩展红致发射（ERE）极为相似，尤其在590–655 nm范围内。
• 菱镁矿（MgCO₃）在660 nm处表现出强烈的热释光峰，表明碳酸盐尘埃颗粒可能具有发光活性。
• 顽辉石（MgSiO₃）在相同条件下表现出微弱或可忽略的热释光，表明其缺陷相关发光量子产率较低。
• 橄榄石的热释光可在低温（160–200 K）下被检测到，表明在寒冷的星际环境中，辐射诱导缺陷可被储存并在升温时释放。
• 辐照橄榄石的热释光光谱与ERE光谱之间的相似性支持了以下假设：晶体硅酸盐中由辐照产生的缺陷可能是星际发光的来源。