对24Mg和27Al核在50 MeV能量范围内由氘核诱导的反应截面的系统研究

《Applied Surface Science Advances》:Systematic Study of Deuteron Induced Reaction Cross Sections on 24Mg and 27Al Nuclei up to 50 MeV

【字体: 时间:2025年11月08日 来源:Applied Surface Science Advances 8.7

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  氘核轰击24Mg和27Al的核反应截面系统研究,对比EMPIRE-3.2.3与TALYS-1.95模型在不同核激发密度模型下的预测结果,与EXFOR和TENDL数据库实验数据吻合度分析。

  
Khamrul Hasan | A.K.M. Rezaur Rahman
物理系,吉大港大学,查特戈尔姆,4331,孟加拉国

摘要:

本研究系统地研究了在50 MeV能量范围内,氘核对24Mg和27Al核的诱导反应截面。计算使用了EMPIRE-3.2.3和TALYS-1.95核代码,并采用了不同的核能级密度模型来评估(d,a)、(d,p)、(d,2p)和(d,x)反应的激发函数。理论结果与IAEA-EXFOR数据库和TENDL库中的实验数据进行了比较。为了确定每种反应最合适的能级密度模型,评估了三个统计偏差因子(F、D和R)。分析表明,核能级密度模型的选择显著影响预测的截面值,没有一种模型能够在所有反应通道中始终提供最佳一致性。对于24Mg,现象学常温和后移费米气体模型与实验数据最为吻合;而对于27Al,微观Skyrme力-Goriely模型和Gogny力模型则表现出更好的一致性。计算出的激发函数显示,(d,p)和(d,α)反应在氘核能量约为5-9 MeV时达到最大截面,而(d,2p)和(d,x)反应则在20-25 MeV范围内达到峰值。

引言

核数据在检验核反应理论方面发挥着重要作用,并为核技术的众多应用提供了基础。带电粒子诱导的反应对于探索反应机制以及评估核反应模型的准确性至关重要[1],[2],[3],[4],[5]。特别是,在ITER、IFMIF和SPIRAL-2等国际项目中,低至中等能量的氘核诱导反应起着关键作用[6]。氘核诱导反应的截面数据对于加速器技术的发展、聚变反应堆研究、空间应用(包括电子设备的抗辐射性和辐射屏蔽)、强中子源以及辐射剂量测量等都是必不可少的。此外,氘核诱导反应还用于生产放射性离子束和许多医用同位素,因为它们的产率高于其他方法[7],[8],[9],[10],[11]。
镁是自然界中第八大丰富的元素。在航空航天、航空和汽车工业中,基于镁的合金作为结构材料发挥着重要作用。此外,这些合金还用于核技术,尤其是在燃料棒和冷却材料中[12],[13]。铝是一种柔软、轻便、非磁性的金属,在地球上储量丰富。由于其高强度重量比和相对较低的活化率,铝被广泛使用。同时,铝也是月球表面物质中存在的元素之一。24Mg和27Al是核研究中的关键同位素,它们的氘核诱导反应在反应堆剂量测量和辐射屏蔽中得到了广泛应用[14],[15]。准确建模这些反应对于预测结构材料的活化、嬗变和辐射损伤至关重要,这对于IFMIF和ITER等设施的设计、材料评估和安全评估都是必不可少的[16]。
氘核的结合能非常低,这使得与之发生的核反应更为复杂。当氘核分裂时,产生的质子和中子会以复杂的方式相互作用[17]。使用EMPIRE-3.2.3[18]和TALYS-1.95[19]核代码以及不同的核能级密度模型,计算了24Mg和27Al的氘核诱导激发函数。尽管已有许多实验研究探讨了氘核对24Mg和27Al核的诱导反应,但实验数据之间存在相当大的不一致性。这些差异主要源于实验数据的局限性,包括:(1)测量中的较大或未量化的不确定性;(2)数据分析中对有限尺寸样品校正的处理不足[20]。其他导致不一致性的因素还包括探测器校准、计数效率和能量分辨率的变化[21]。与质子诱导的反应不同,氘核诱导反应的可靠实验数据非常少,尤其是在15-20 MeV以上。此前没有进行过全面的研究,现有数据也常常存在分歧[22]。
本研究的目的是系统地研究氘核诱导反应的活化截面,从而扩展核反应数据库。此外,该研究还旨在评估多种核反应模型代码的预测能力,并对其性能进行基准测试[23],[24],[25],[26],[27],[28],[29]。由于核建模提供了重要的补充截面值,因此在实验数据稀缺或不适当的情况下,这种方法变得十分必要。因此,核反应模型对于预测截面和理解不同的发射过程至关重要[30],[31],[32],[33],[34],[35]。将EMPIRE和TALYS对24Mg和27Al在50 MeV范围内的氘核诱导反应的结果与EXFOR数据库[36]和TENDL-2021理论预测[37]进行了比较。由于TENDL库是使用经过优化以再现实验数据的TALYS生成的,它为评估当前TALYS计算的一致性和准确性提供了可靠的参考[38]。

代码片段

EMPIRE-3.2.3

EMPIRE是一个强大的核反应代码,能够模拟由中子、质子、氘核、α粒子和重离子在广泛能量范围内引发的反应。最新版本EMPIRE-3.2.3在粒子诱导核反应的建模和分析方面引入了重大改进和扩展功能[39]。EMPIRE覆盖了从几keV到几GeV的广泛能量范围,适用于与核天体物理学相关的低能过程。

结果与讨论

研究了氘核在24Mg和27Al上诱导的反应中产生的质子(p和2p)、α粒子以及其他反应产物的发射。(d,α)和(d,p)反应的阈值出现在0.01–1 MeV能量范围内,而(d,2p)和(d,x)反应的阈值则在8–12 MeV之间。24Mg(d,p)、27Al(d,α)和27Al(d,p)反应的最大截面出现在5–5.5 MeV能量区间。

结论

在这项研究中,我们使用TALYS-1.95的不同现象学和微观能级密度模型以及EMPIRE-3.2.3的默认模型,理论计算了高达50 MeV的24Mg(d,p)25Mg、24Mg(d,2p)24Na、24Mg(d,α)22Na、24Mg(d,x)18F、27Al(d,p)28Al、27Al(d,2p)27Mg、27Al(d,α)25Mg和27Al(d,x)24Na反应的截面。然后将计算结果与EXFOR数据库中的实验数据以及TENDL数据库进行了比较。

CRediT作者贡献声明

Khamrul Hasan:撰写初稿、软件开发、实验研究、数据分析、概念构建。A K M Rezaur Rahman:审稿与编辑、数据可视化、验证、项目监督、资源管理、方法论设计

写作过程中生成式AI和AI辅助技术的声明

在准备本工作时,作者使用了ChatGPT来提高手稿的可读性和语言表达。使用该工具后,作者对内容进行了必要的审查和编辑,并对发表文章的内容负全责。

资金支持

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利组织的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
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