Совместная исследовательская группа добилась значительного прогресса в области измерения фотонейтронного сечения. Группа предложила метод измерения замещения, который позволяет избежать использования дорогостоящих и трудно получаемых изотопов высокой чистоты. С помощью этого метода удалось с высокой точностью измерить сечение реакции 65Cu(γ,n)64Cu.
Метод опирается исключительно на натуральную медь (natCu) и ранее измеренные данные по 63Cu, не требуя модификации параметров экспериментального оборудования. Это делает его простым, эффективным и экономичным.
Результаты соответствующего исследования опубликованы в журнале Nuclear Science and Techniques. В команду исследователей входят учёные из Хэнаньского педагогического университета, Шанхайского передового исследовательского института Китайской академии наук, Шанхайского института прикладной физики Китайской академии наук и других учреждений.
Реакция 65Cu(γ, n)64Cu имеет большое значение как для медицинских применений, так и для исследований в области ядерной физики. 64Cu, как короткоживущий радионуклид с β+ и β- свойствами излучения, широко используется в позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОЭКТ) и радионуклидной терапии опухолей, играя незаменимую роль в клинической диагностике и лечении. В ядерной физике эта реакция также предоставляет ключевые данные для изучения структуры ядра, механизмов ядерных реакций и звёздного нуклеосинтеза.
Однако традиционные измерения сечений 65Cu(γ, n)64Cu основаны на использовании изотопов высокой чистоты 65Cu, которые дорогостоящи в приготовлении и трудно доступны, что ограничивает развитие соответствующих исследований. Существующие экспериментальные данные, полученные с использованием источников тормозного излучения и аннигиляции позитронов в полёте, демонстрируют значительные расхождения, особенно в области высоких энергий, из-за систематических ошибок, таких как неправильная классификация нейтронных каналов.
Для решения этих проблем был использован метод генерации квазимоноэнергетических γ-лучей с помощью лазерного комптоновского рассеяния на SLEGS. Это позволило достичь высокого энергетического разрешения и стало идеальной платформой для устранения расхождений в данных и повышения точности измерений.
Эксперимент проводился на линии SLEGS в SSRF, где используется технология обратного комптоновского рассеяния. Электроны с энергией 3,5 ГэВ в накопительном кольце сталкиваются с фотонами лазера CO2 с длиной волны 10,64 мкм, что позволяет генерировать квазимоноэнергетические γ-лучи с регулируемой энергией от 0,66 до 21,7 МэВ и шагом регулировки энергии в 10 кэВ.
Для измерения нейтронов использовалась матрица детекторов с плоским коэффициентом полезного действия (FED), состоящая из 26 пропорциональных счётчиков. Эффективность детектора была откалибрована до 42,10 ± 1,25% с использованием источника 252Cf, что обеспечило точность статистики подсчёта нейтронов.
Целевой материал natCu, использованный в эксперименте, имел массу 3,15 г, химическую чистоту более 99,99% и изотопное содержание 69,15% для 63Cu и 30,85% для 65Cu.
В ходе обработки данных использовался метод прямого развёртывания в сочетании с матрицей отклика детектора, смоделированной в Geant4, для реконструкции спектра падающих γ-лучей. Для решения проблемы развёртывания использовался метод итеративного сложения, что позволило точно извлечь квазимоноэнергетические и монохроматические сечения.
Суть метода замещения заключается в использовании известного изотопного состава natCu и ранее измеренных сечений 63Cu(γ,n). В диапазоне перекрытия порогов однонейтронного разделения для 63Cu и 65Cu нейтроны, измеренные детектором от наткулевых мишеней, включают вклады как от реакции 63Cu(γ, n), так и от реакции 65Cu(γ, n).
Вычитая рассчитанный вклад 63Cu из общего измеренного количества нейтронов, команда получила сечение 65Cu(γ,n)64Cu. Общая неопределённость результатов измерений контролируется в разумных пределах, включая статистическую неопределённость, систематическую неопределённость (например, эффективность детектора, толщина мишени) и методологическую неопределённость (например, алгоритм извлечения данных, метод развёртывания).
Данные о монохроматическом сечении 65Cu(γ, n)64Cu, измеренные в этом исследовании, демонстрируют хорошую согласованность с общей тенденцией существующих данных, устраняя предыдущие расхождения.
Исследование также показало, что изотопное содержание 65Cu в натуральной меди существенно влияет на сечение. С увеличением содержания 65Cu сечение фотонейтронов уменьшается, и эта тенденция наиболее очевидна вблизи порогов и пиков распределения сечения. Это предполагает, что при замещающих измерениях необходимо точно определять изотопное содержание целевого материала.