[논문]양성자 에너지 변화에 따른 핵반응 생성핵종 분석

이삼열

doi:10.7742/jksr.2019.13.5.819

초록
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본 연구에서 서로 다른 양성자 에너지를 사용하여 핵반응에 의해 생성된 감마선의 차이를 통해 고에너지 양성자 Pb(p, nx) 핵반응에서 생성된 동위원소를 식별하는 방법을 제안했다. 한국원자력연구원의 100-M eV 양성자 선형 가속기에서 생성된 고 에너지 양성자를 이용하여 실험을 수행 하였다. 양성자 핵반응을 통해 생성된 다양한 핵종에 의해 생성된 감마선은 HPGe 검출기로 구성된 감마선 분광법 시스템을 사용하여 측정되었습니다. 감마선 표준선원은 감마선 검출기의 정확한 에너지교정 및 효율측정을 위해 사용되었습니다. 제안한 방법을 위하여 동일한 천연 납 시료에 서로 다른 100 및 60 MeV 양성자 에너지빔을 사용하였다. 이 방법은 동일한 시료에서 발생되는 감마선들을 서로 비교함으로써 생성된 핵종들을 확인하는데 매우 효과적임을 알 수 있었다. 이 연구의 결과는 향후 다른 양성자 핵반응 결과를 얻는데도 매우 효과적으로 적용될 것이라 생각된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we proposed a method for identifying isotopes generated from high-energy proton $^{nat}Pb$(p,xn) nuclear reactions through the difference of gamma rays generated through nuclear reactions using different proton energies. The experiment was performed by using a high energy p...

In this study, we proposed a method for identifying isotopes generated from high-energy proton $^{nat}Pb$(p,xn) nuclear reactions through the difference of gamma rays generated through nuclear reactions using different proton energies. The experiment was performed by using a high energy proton generated from a 100 MeV proton linear accelerator of the Korea Atomic Energy Research Institute. Gamma rays generated by various nuclides generated through proton nuclear reactions were measured using a gamma-ray spectroscopy system composed of HPGe detectors. Gamma-ray standard sources were used for accurate energy calibration and efficiency measurements of HPGe gamma-ray detectors. For the proposed method, 100 and 60 MeV proton energy beams were used for the same natural lead samples. This method was found to be very effective in identifying nuclides produced by comparing gamma rays generated from the same sample with each other. The results of this study are expected to be very effective in obtaining other proton nuclear reaction results in the future.

주제어

표/그림 (6)

표 Table 1. Specifications of the proton irradiation condition parameters in the present measurement.
표 Table 2. Specifications of the sample for ^natPb.
표 Table 3. Specifications of the HPGe detector system.
그림 Fig. 1. Gamm-ray measurement spectrometer system (HPGe detector) of gamma-ray from the ^natPb sample.
그림 Fig. 2. Gamma-ray energy spectrum from the proton induced ^natPb sample by using 100 and 60 MeV proton beam energy.
표 Table 4. list of the gamma-ray energy from proton nuclear reactions.

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 같은 종류의 시료에 서로 다른 에너지의 양성자를 조사했을 때 발생되는 감마선을 분류함으로써 각각의 핵반응에서 발생되는핵종들을 분류하는 방법을 제시하였다. 본 연구에 서는 용융점, 강도 및 원자번호가 상대적으로 높은원소인 천연 납(Pb, lead, Z: 82)과 가속기에서 발생 되는 고에너지 양성자와의 핵반응( ^natPb(p,nx))을 시도하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 같은 종류의 시료에 서로 다른 에너지의 양성자를 조사했을 때 발생되는 감마선을 분류함으로써 각각의 핵반응에서 발생되는핵종들을 분류하는 방법을 제시하였다. 본 연구에 서는 용융점, 강도 및 원자번호가 상대적으로 높은원소인 천연 납(Pb, lead, Z: 82)과 가속기에서 발생 되는 고에너지 양성자와의 핵반응( ^natPb(p,nx))을 시도하였다. 천연납은 4가지의 동위원소( ²⁰⁴Pb, ²⁰⁶ Pb, ²⁰⁷Pb, ²⁰⁸Pb)를 포함하고 있어 각각의 동위원소들과의 핵반응 결과 생성되는 동위원소들이 매우 다양 하게 나타날 것임이 예상된다.
본 연구에서는 우리나라의 한국원자력연구원에 있는 고에너지 양성자 선형가속기에서 발생된 100MeV와 60 MeV 2가지 양성자의 에너지를 이용하여 핵반응을 시킨 후 발생되는 감마선을 고순도 게르마늄(HPGe)검출기를 이용하여 측정하였다. 측정된 두 핵반응의 결과를 비교 분석함으로서 본 연구 에서 제안된 2가지 에너지 양성자빔을 이용한 핵종분석법의 유용성을 확인하였고 발생된 감마선의에너지는 Table of Isotopes의 결과와 비교하였다.
본 연구에서는 우리나라의 한국원자력연구원에 있는 고에너지 양성자 선형가속기에서 발생된 100MeV와 60 MeV 2가지 양성자의 에너지를 이용하여 핵반응을 시킨 후 발생되는 감마선을 고순도 게르마늄(HPGe)검출기를 이용하여 측정하였다. 측정된 두 핵반응의 결과를 비교 분석함으로서 본 연구 에서 제안된 2가지 에너지 양성자빔을 이용한 핵종분석법의 유용성을 확인하였고 발생된 감마선의에너지는 Table of Isotopes의 결과와 비교하였다.^[5]

성능/효과

양성자에너지 100 MeV와 60 MeV 사이의 영역들에서도 에너지 차이에 따른 스펙트럼의 차이 점이 있다는 것을 확인하였다. 공통으로 발생하는에너지와 100 MeV와 60 MeV 양성자 에너지에서만 발생하는 감마선들의 특징들을 이용하여 정확한 스펙트럼 분석이 가능함을 확인하였다.
본 연구에서 제안한 2가지 종류의 양성자 에너지를 이용한 스펙트럼 분석 방법은 핵종분석에 매우 유용한 것으로 확인되었다. 측정된 감마선 에너지를 Table of Isotopes 결과들과 비교 분석하여 최종핵종들을 확정하였다.
핵반응 후 중성 자가 가장 많이 방출되는 핵종인 ¹⁹⁸Bi와¹⁹⁹Bi의 경우 가장 높은 Q-value를 가지는 것으로 보인다.^[7]이들 핵종들은 100 MeV 양성자 에너지 반응에서만 관측이 되었으며 일반작으로 핵반응의 스펙트럼분석에 있어서 Q-value뿐만 아니라 양성자에너지차이에 의한 효과를 고려한다면 매우 정확한 스펙트럼 분석이 가능하다는 것을 확인하였다.

후속연구

앞으로이 방법을 사용한다면 보다 정확하게 임의의 핵종에서 발생하는 감마선 확인이 가능 할 것으로 보여 진다. 또한 핵반응단면적과 같은 핵반응 정보 연구에 유용하게 이용되며 정확한 Q-value를 결정하는데 중요한 정보를 제공할 것으로 생각되어진다.
2 keV 감마선 에너지는 60 MeV 양성자에 의한 핵반응에서 발생된 것을 발견하였다. 앞으로이 방법을 사용한다면 보다 정확하게 임의의 핵종에서 발생하는 감마선 확인이 가능 할 것으로 보여 진다. 또한 핵반응단면적과 같은 핵반응 정보 연구에 유용하게 이용되며 정확한 Q-value를 결정하는데 중요한 정보를 제공할 것으로 생각되어진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	양성자는 무엇인가?	양성자는 양의 전하를 가지고 있는 입자로서 특이한 핵반응 양상을 보인다. 특히 전하를 가지고 있지 않는 중성자와의 상호작용에 의한 핵반응과는 매우 다른데 중성자는 전하가 없어 쉽게 1/v(여기서 v는 중성자의 속도, m/s) 형태의 반응확률로 핵과 반응한다.
	양성자가 낮은 에너지에서 핵반응이 일어나지 않는 이유는?	특히 전하를 가지고 있지 않는 중성자와의 상호작용에 의한 핵반응과는 매우 다른데 중성자는 전하가 없어 쉽게 1/v(여기서 v는 중성자의 속도, m/s) 형태의 반응확률로 핵과 반응한다. 이와는 다르게 양성자는 양의 전하를 가지므로 양의 전하를 가지고 있는 핵과는 서로 쿨롱반발력 때문에 일반적으로 낮은 에너지에서는 핵반응이 일어나지 않는다. 최소한 쿨롱반발력을 이겨낼 수 있는 에너지 이상에서 핵반응이 일어날 수 있다.
	감마선들을 확인하는 방법의 추후 활용방안엔 무엇이 있는가?	앞으로 이 방법을 사용한다면 보다 정확하게 임의의 핵종에서 발생하는 감마선 확인이 가능 할 것으로 보여 진다. 또한 핵반응단면적과 같은 핵반응 정보 연구에 유용하게 이용되며 정확한 Q-value를 결정하는데 중요한 정보를 제공할 것으로 생각되어진다.

참고문헌 (7)

YongHo Jung, YongSup Choi, KyuSun Chung, "Development of a Beam Current and Position Measurement System for the Korea Multipurpose Accelerator," Journal of the Korean Physical Society, Vol. 44, No. 5, pp. 1067-1070, 2004.
F. Szelecsenyi, G. Blessing, S. M. Qaim, "Excitation functions of proton induced nuclear reactions on enriched $^{61}Ni$ and $^{64}Ni$ : Possibility of production of no-carrier-added $^{61}Cu$ and $^{64}Cu$ at a small cyclotron," Applied Radiation and Isotopes, Vol. 44, No. 3, pp. 575-580, 1993.

상세보기
A. K. Lavrukhina, L. D. Revina, V. V. Malyshev, L. M. Satarova, "Reactions of Deep Spallation of Fe Nuclei By 150-MeV Protons," Journal of Experiment Theoret. Physics, 44, 1429-1436, 1963.
Jieun Lee, Jungran Yoon, Taeik Ro, Samyol Lee, "Measurement of the Relative Cross-section of the $^{208}Pb(p,x)Bi$ Reaction by Using a 100 MeV Proton Beam," New Physics: Sae Mulli, Vol. 65, No. 9, pp. 883-887, 2015.

상세보기
https://application.wiley-vch.de/books/info/0-471-35633-6/toi99/toi.htm
Jungran Yoon, Jieun Lee, Samyol Lee, "Measurement of $natW(p,xn)^{177,178,179}Re$ excitation function of natural tungsten by using a 100-MeV proton beam," Journal of the Korean Physical Society, Vol. 70, No. 1, pp. 47-52, 2017.

상세보기
https://www.nndc.bnl.gov/qcalc/

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