연구내용
연구멤버졸업생첨단장비논문

해외연구 
연구내용 
연구장비 
연구내역 

 

[시작][연구][연구내용]

 

서 론(Dy Isotope Neutron Capture Cross-Section 측정: by 문종성)

 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.

 

측정 장치 및 방법

  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.

중성자원

  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.

Ref.

[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

 

[시작][연구][멤버][졸업생][첨단장비][논문]