중성자 핵반응 데이터는 원자력 개발, 원자핵 물리학, 우주 물리학등의 광범위한 분야에 있어서 매우 중요하다.  원자력 개발에 있어서는 현재 활발히 연구가 진행되고 있는 고속 증식로와 핵 융합로의 핵 설계, 차폐설계 및 열 설계 모두의 기초 데이터가 된다.  원자핵 물리학에 있어서는 여러 가지 핵 반응모형 예를들면, 직접 포획 모형, 복합 핵 모형과 통계 모형등에의 적용성을 검토하는데 큰 역할을 한다.  더욱이, keV 중성자 포획 단면적과 포획 감마선 스펙트럼은 중성자 포획 과정과 핵 여기 모드에 관한 연구에 필요하다.  이러한 중성자 포획 과정과 핵 여기 모드의 깊이 있는 이해는 핵 물리학 뿐만 아니라, 핵 공학분야에서도 매우 중요하다.^[1]  우주 물리학에 있어서는, 빅뱅 모델에서의 원소합성^[2～5]과 항성내부에서의 원소합성^[6,7]에 관한 이론의 검정과 예측에 활용된다. 

  또한, 중성자 핵반응에서 발생하는 감마선에 관한 데이터는 “감마선 생성핵 데이터”라고 부른다.  현재, 감마선 생성핵 데이터 라이브러리로서는 미국의 ENDF/B-VI와 일본의 JENDL-3등이 있다.  그러나 측정 데이터가 불충분하기 때문에 그 평가치의 신뢰성은 그다지 좋지 않다.  특히, 1MeV이하의 keV중성자 영역에 대한 측정 데이터는 매우 부족한 실정이다. 이 중성자 에너지 영역에 대한 감마선은 주로 중성자 포획반응에 의해 방출되므로, 중성자 포획 감마선 스펙트럼의 측정이 간절히 요구된다.  그러나, 측정 데이터가 주로 한정된 에너지 영역에 대한 것이며, 또한 미 측정 핵종도 많고, 측정의 정밀도도 만족스럽지 못한 것이 많다. 

  그리고, 수십 keV 이상의 중성자를 이용한 중성자 포획 단면적 측정 실험은 국내에서는 중성자 생성 설비가 없기 때문에 거의 수행할 수 없다. 그러므로, 국내의 소수 관련 학자들은 국외의 설비를 이용하여 실험에 참여하고 있는 실정이다. 국외에서도, 열 중성자 및 수십 keV 이하의 중성자를 이용할 수 있는 설비는 다수 있지만, 수십 keV 이상 수백 keV 영역에서 실험할 수 있는 설비는 소수에 지나지 않는다.  이러한 설비는 양성자 가속기를 이용하여 양성자 빔을 핵 표적에 입사하여 (p,n) 핵반응에 의하여 생성된 중성자를 이용한다. 

  연구에 사용된 Dy(Dysprosium)은 열중성자로의 제어봉과 원자로의 구성재료로서 각광 받는 재료이므로, 이 원소에 대한 중성자 포획 단면적은 원자로의 설계와 발전에 대단히 중요하다.  그리고, 핵 합성이론에 의하면 질량번호가 약 60 이상인 핵들의 대부분은 중성자에 의한 반응의 결과라고 추측한다.  특히 철보다 무거운 핵들은 중성자 포획 반응이 주된 핵 합성과정이다.  중성자 포획 반응에는 중성자 포획 시간과 베타 붕괴 시간의 관계로부터 r-과정(rapid neutron capture)과 s-과정(slow neutron capture)으로 나누어진다.  Dy 동위원소들의 중성자 포획 단면적은 운석학에서 기대되는 동위원소 이상(anomaly)과 비교하기 위한 s-과정 존재형태를 정의하기 위해서 필요하다.^[8] 

  그래서, 현재까지 ¹⁶⁴Dy의 중성자 포획 단면적에 관한 연구가 진행되어 왔다.  1958년 Booth^[9], 1959년 Johnsrud^[10], 1965년 Chaubey와 Sehgal^[11], 1972년 Fawcett^[12], 1981년 Kononov^[13] 그리고, 가장 최근에는 Voss(1999년)^[14]등이 여러 에너지 영역에서의 ¹⁶⁴Dy의 중성자 포획 단면적을 측정하였다. 

  이상과 같이, ¹⁶⁴Dy의 수십 keV 이상에서의 중성자 포획 단면적 측정 결과가 발표된 것은 매우 적을 뿐 아니라, Dy 동위원소의 분말(Dy₂O₃)을 사용한 것으로 이에 함유된 산소에 의한 영향을 보정하는 문제들 때문에 오차가 매우 큰 결과들이다. 

  이 연구에서는 오차를 최소화하기 위하여 금속 박막을 시료로 사용하였고, 3.2MV 펠레트론(pelletron)가속기의 펄스 양성자 빔에 의한 ⁷Li(p,n)⁷Be 반응으로부터 발생한 펄스 중성자를 시료에 조사해서 포획 반응에 의해 방출되는 포획 감마선을 anti-Compton NaI(Tl) 검출기로 검출하였다.  시료에 입사한 중성자의 에너지 분포는 ⁶Li-glass 섬광 검출기를 사용하여 비행시간법(time of flight method)을 이용해서 구하였고, 10～80keV영역의  중성자 포획 단면적을  파고 무게법(pulse-height weighting method)을  이용하여 표준 시료 ¹⁹⁷Au에 대한 상대측정을 통해 구하였다.

  이 연구는 펠레트론 가속기(동경공업대학 원자로 공학 연구소)에 의해 가속된 펄스 양성자 빔(beam)을 중성자 발생용 Li표적에 조사하였다.  그리고, 표적에서의 ⁷Li(p,n)⁷Be반응^[15～19]으로부터 발생한 펄스 중성자를 ⁶Li-glass 섬광 검출기로 검출하였고, 이 펄스 중성자를 측정용 시료(¹⁶⁴Dy, ¹⁹⁷Au)에 입사시켜 시료의 중성자 포획 반응에 의해 방출된 감마선을 anti-Compton Nal(Tl) 검출기로 검출하였다. 본 측정에서는 중성자 검출기로써 ⁶Li-glass 섬광 검출기^[25]를 사용하여 시료에 입사하는 중성자속을 측정하였다.

- ⁶Li-glass 섬광 검출기

  ⁶Li-glass 섬광 검출기는 직경 5mm, 두께 5mm의 원주 ⁶Li-glass 섬광체에 직경 12.7mm의 광전자증배관이 붙어 있는 소형 검출기이다.  ⁶Li-glass섬광검출기의 검출효율은 상대측정과 Monte Carlo simulataion을 통해 얻었다.  시간분해능은 2nsec이다.

  펠레트론 가속기에 의해 가속된 펄스 양성자 빔을 중성자 발생용의 Li표적에 입사 시켜, ⁷Li(p,n)⁷Be 반응에 의해 펄스 중성자를 발생시켰다.  Li표적은 직경 3cm, 두께 0.4mm의 동판에 금속 Li을 진공 증착한 것이다.  Li layer의 직경은 약 2.0cm이다.

[1]  S. Mizuno, M. Igashira, K. Masuda, J. Nucl. Sci. Tech. V.36, No.6 (1999) 493

[2]  E. Written, Phys. Rev. D30 (1984) 272

[3]  J. H. Applegate and C. J. Hogen, Phys. Rev. D31 (1985) 3037

[4]  R. A. Malaney and W. A. Fowler, Astrophys. J. 333 (1990) 14

[5]  T. Kajino, G. J. Mathews and G. M. Fuller, Astrophys. J. 364 (1990)  7

[6]  Z. Y. Bao and F. Kaeppeler, Atomic Data and Nucl. Data Table 36 (1987) 411

[7]  I. Baraffe and M. F. El Eid, Astron. Astrophys. 245 (1991) 548

[8]  S. Richter, U. Ott, and F. Begemann, in Heavy Element Nucleosynthesis, edited by E. Somorjai and Zs. Fulop, Hung. Acad. of Sci.,  Budapest (1994) 44

[9]  R. Booth, W. P. Ball, M. H. MacGregor, Phys. Rev. 112 (1958) 226

[10] A. E. Johnsrud, M. G. Silbert, H. H. Barschall, Phys. Rev. 116  (1959) 927

[11] A. K. Chaubey, M. L. Sehgal, nucl. phys. 66 (1965) 267

[12] Fawcett et al.,  Nucl. Sci. and Eng. 49 (1972) 317

[13] Knonov et al., Neutron Capture Gamma Ray Spectroscopy, Grennoble (1981)

[14] F. Voss, K. Wisshak, C. Arlandini, F. Kappeler, Phys. Rev. 59 (1999) 1154