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金属材料中低能D-D核反应的实验研究

2020-12-07阅读(850)

金属材料中低能D-D核反应的实验研究

论文摘要

在天体和宇宙演化的过程中,核反应一直起着极为重要的作用。带电粒子热核反应截面是研究恒星演化进程中核能的产生和核素的合成所必需的关键核物理输入量。在天体物理感兴趣的远低于库仑势垒的能区（一般在MeV量级）,带电粒子热核反应截面随能量降低近似指数式地降低,通常的实验很难测量（通常在μb到pb量级）,而且受外部反应环境影响很大。带电粒子热核反应中的静电屏蔽效应是核天体物理学的重要课题之一。通过实验室低能带电粒子反应了解电子屏蔽效应的规律有助于正确分析恒星等离子体热核反应中的静电屏蔽效应。而且可以研究不同外部环境（载体材料中）对低能核反应的影响,分析具体的核反应过程,为核数据库提供必要的低能区数据。目前在实验和理论方面都取得了一些进展,但现有理论模型计算的屏蔽势能结果要明显小于实验结果。近年来,日本东北大学和德国鲁尔大学的几个实验小组分别研究了一系列金属、半导体和绝缘体材料中D-D核反应的屏蔽效应。得出的结果均表明,金属材料中存在着异常大的屏蔽效应。同时各个实验小组给出了一些解释这种现象的简单模型。但是不同实验小组的实验结果存在一定的差异,现有理论模型的计算结果也与实验结果出入很大。因此,为了进一步研究载体材料中低能区D-D核反应的屏蔽效应机制,以及金属材料中低能D-D核反应的动力学过程。我们在日本东北大学LNS实验室低能强流加速器上对不同材料中的D-D核反应进行了系统地实验测量,并利用Monte Carlo程序模拟了材料中的D-D核反应过程,得到的计算结果与实验结果进行了分析比较。本文的工作主要包括三部分:（1）在10≤Ed≤20 keV的能区,对金属材料Sm、Al、Dy、Ag、Be、Rh、Yb和Zr中D（d, p）T核反应的屏蔽势能进行了实验测量与分析,并结合国际原子能机构的编评数据,得到了金属材料中D（d, p）T核反应的激发函数曲线,还进一步考虑了材料中氘离子密度深度分布对实验结果的影响。应用简单的模型对实验结果给出了较合理的解释。（2）在5≤Ed≤10keV的能区,研究了特殊结构材料Pd、PdO、Pd-Re-Pd和Pd-S WCNT中D（d, p）T核反应的屏蔽效应,得出了各种材料中的屏蔽势能值。与其他实验小组结果进行比较,讨论了造成实验结果差别的原因。（3）通过测量D（d, p）T核反应产物proton/triton厚靶产额比值,研究了在10 keV～20 keV能量范围内,不同金属材料Be、Al、Zr、Rh、Pd、Ag、Sm、Dy和Yb中D（d, p）T核反应的动力学过程。并利用Monte Carlo程序模拟了金属材料中,入射的氘离子发生散射和运动速度的改变,对D（d, p）T核反应的影响。分析了实验测量结果与程序模拟结果存在差别的原因,并给出了需要进一步完善的方法。提出了D（d, p）T核反应动力学过程的改变可能是造成大屏蔽势能结果的原因。该工作从实验上系统地研究了低能区不同材料中D-D核反应的屏蔽效应以及动力学过程,并利用Monte Carlo程序对这一过程进行了理论模拟。目前,在实验数据处理过程中还存在一定的不确定性,如低能区下氘在相关材料中的阻止本领没有实验数据,只能采用理论编评结果;材料中氘离子的密度深度分布以及氘离子在材料中的扩散行为还需要进一步的研究。程序模拟过程中还有需要改进的地方,如原子间相互作用势模型的选择与改进,金属中离子散射截面随角度的变化发生改变等。为了进一步精确地研究材料中低能D-D核反应过程,无论在实验上还是理论上都需要进行更加深入的探索。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 图索引
  • 表索引
  • 第一章 绪论
  • 1.1 低能原子核反应
  • 1.2 带电粒子核反应中的电子屏蔽效应
  • 1.3 固体中低能D（d,p）T核反应
  • 1.4 本研究的目的和创新性
  • 参考文献
  • 第二章 国内外低能原子核反应的研究进展与现状
  • 2.1 低能原子核反应的反应截面
  • 2.2 电子屏蔽效应研究
  • 2.2.1 电子屏蔽效应
  • 2.2.2 电子屏蔽效应的实验和理论研究
  • 2.3 带电粒子热核反应的间接测量方法—特洛伊木马方法
  • 2.4 国内外低能原子核反应相关研究现状
  • 2.4.1 德国鲁尔大学DTL实验室D（d,p）T核反应的实验研究
  • 2.4.2 日本东北大学LNS实验室低能原子核反应的实验研究
  • 2.4.3 意大利INFN-LNS实验室低能核物理实验研究
  • 2.4.4 中国原子能科学研究院核物理研究所低能核物理实验研究
  • 参考文献
  • 第三章 金属材料中低能D（d,p）T核反应的实验研究
  • 3.1 金属材料中核反应电子屏蔽势能的异常增大
  • 3.2 日本东北大学LNS实验室低能强流加速器介绍
  • 3.2.1 低能强流加速器装置
  • 3.2.2 真空靶室
  • 3.2.3 电子学测量系统
  • 3.3 实验方法
  • 3.3.1 金属材料的离子注入
  • 3.3.2 改变能量测量D（d,p）T核反应产物的厚靶产额
  • 3.3.3 实验中出射角度的确定
  • 3.3.4 D-D核反应产物能量的确定和探测系统能量刻度
  • 3.4 数据分析
  • 3.4.1 金属中D-D核反应产物能谱
  • 3.4.2 金属中D（d,p）T核反应产物proton和triton产额的测量
  • 3.4.3 金属材料中低能D（d,p）T核反应proton/triton产额比值
  • 3.4.4 D-D核反应屏蔽势能及激发函数的得出
  • 3.4.5 D-D核反应角分布的修正
  • 3.4.6 D-D核反应立体角变化的修正
  • 参考文献
  • 第四章 实验结果及讨论
  • d≤20keV）金属材料中D（d,p）T核反应实验'>4.1 实验室系（10≤Ed≤20keV）金属材料中D（d,p）T核反应实验
  • 4.1.1 不同金属材料中D（d,p）T核反应质子的相对厚靶产额
  • 4.1.2 不同金属材料中D（d,p）T核反应的屏蔽势能
  • 4.1.3 不同金属材料中D（d,p）T核反应的激发函数曲线
  • 4.1.4 不同金属中D（d,p）T核反应屏蔽势能结果分析
  • d≤10keV）特殊材料中D（d,p）T核反应实验'>4.2 实验室系（5≤Ed≤10keV）特殊材料中D（d,p）T核反应实验
  • 4.2.1 不同材料中D（d,p）T核反应质子的相对厚靶产额
  • 4.2.2 不同材料中D（d,p）T核反应的屏蔽势能
  • 4.2.3 载体材料结构对实验结果的影响分析
  • 4.3 金属材料中低能D（d,p）T核反应proton/triton产额比值
  • 4.3.1 实验测量结果
  • 4.3.2 D（d,p）T核反应proton/triton产额比值误差分析
  • 4.3.3 蒙特卡罗方法模拟proton/triton产额比值
  • 4.3.4 结果讨论分析
  • 参考文献
  • 第五章 论文总结
  • 本人在攻读博士期间发表的文章
  • 致谢
  • 附录1:反应截面的倍增因子推导
  • 2分布及实验中屏蔽势能u,的误差推导'>附录2:x2分布及实验中屏蔽势能u,的误差推导
  • MxD'>附录3:含氖金属原子个数比的推导MxD
  • 附录4:立体角在质心系（C系）和实验室系（L系）中的转换
  • 附录5:各种金属载体材料中D一D核反应能谱图
  • 附录6:实验装置及相关仪器实物照片
  • 附录7:Monte Carlo模拟部分源代码及输入文件

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