Μελέτη των ενεργών διατομών των αντιδράσεων 19F(d,p)20F και 19F(d,α)17O

Abstract

Ο ποσοτικός προσδιορισμός του φθορίου σε διάφορα δείγματα είναι εξαιρετικής σημασίας για την επιστήμη των υλικών, όπως επίσης και για την ιατρική, τη βιολογία και τις περιβαλλοντικές μελέτες. Το κύριο πρόβλημα στην περίπτωση του φθορίου, όπως σε όλα τα αλογόνα, προέρχεται από το γεγονός ότι είναι εξαιρετικά δραστικό, με αποτέλεσμα να συναντάται σε πολύπλοκες μήτρες. Από τις τεχνικές ανάλυσης με δέσμης φορτισμένων σωματιδίων (IBA), μόνο η ανάλυση δεδομένων που προέρχονται από πυρηνικές αντιδράσεις (NRA) μπορεί να ποσοτικοποιήσει την παρουσία ελαφρών στοιχείων σε δείγματα, και ταυτόχρονα να δώσει αποτελέσματα για τη σε βάθος ανάλυση. Η μέθοδος r-PIGE (Resonant Photon Induced Gamma-ray Emission) μπορεί επίσης να δώσει ακριβή αποτελέσματα για την ποσοτικοποίηση και τη σε βάθος ανάλυση του στοιχείου, αλλά είναι μια χρονοβόρα μέθοδος, αυστηρά ισοτοπική και δεν παρέχει πληροφορίες για τα υπόλοιπα ελαφρά στοιχεία που βρίσκονται στο υπό μελέτη δείγμα. Στο παρελθόν έχουν πραγματοποιηθεί μετρήσεις των αντιδράσεων 19F(d,p)20F και 19F(d,α)17O, στο ενεργειακό εύρος Ed=1800-2500 keV για την πρώτη περίπτωση [Be65], και στο ενεγειακό εύρος Ed=710-2420 keV για τη δεύτερη [Be65, Ma81]. Παρόλα αυτά σ’ αυτές τις μετρήσεις μόνο μία γωνία έχει μελετηθεί (150°), και τα υπάρχοντα δεδομένα εμφανίζουν σημαντικές διακυμάνσεις, όχι μόνο στην τάξη μεγέθους (κατά ένα παράγοντα 3 στις ευνοΐκότερες περιπτώσεις), αλλά και στην μορφή. Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι η επίλυση αυτών των διαφορών, όπως επίσης και ο εμπλουτισμός της βιβλιογραφίας με καινούρια δεδομένα. Στην παρούσα εργασία, μετρήθηκαν οι διαφορικές ενεργές διατομές των δύο πρώτων γκρουπ πρωτονίων της αντίδρασης 19F(d,p)20F, όπως επίσης και τα τέσσερα πρώτα γκρουπ εκπεμπόμενων σωματιδίων α που προέρχονται από την αντίδραση 19F(d,α)17O. Οι αντιδράσεις πραγματοποιήθηκαν με δέσμη δευτερίων, στο ενεργειακό εύρος Ed=1.8-3 MeV με βήμα 25 keV. Το πείραμα πραγματοποιήθηκε στον επιταχυντή τύπου Van der Graaff Tandem μέγιστης διαφοράς δυναμικού 5.5 MV, του Ινστιτούτου Πυρηνικής Φυσικής του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε. “Δημόκριτος”.

Για τις μετρήσεις του συγκεκριμένου πειράματος κατασκευάστηκαν στόχοι φθοριούχου λιθίου 94% εμπλουτισμένο σε 6Li , τοποθετημένοι πάνω σε λεπτό στρώμα άνθρακα. Τα σωματίδια α και τα πρωτόνια ανιχνεύθηκαν σε δύο πίσω γωνίες (150° και 170°) από ανιχνευτές πυριτίου επιφανειακού φραγμού, που τοποθετήθηκαν σε θάλαμο σκέδασης (RBS chamber). Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με παλιότερα δεδομένα της βιβλιογραφίας, όπου υπάρχουν, και επαληθεύτηκαν με πειράματα (benchmarking) όπου χρησιμοποιήθηκε στόχος απείρου πάχους BaF2.

The quantitative determination of fluorine in various samples is of great importance for the material science as well for the medicine, biological and environmental studies. The main problem in fluorine’s case, like all the others halogens, coming from the fact that is higly reactive, so it is usually present in relatively complex matrices. Among Ion Beam Analysis (IBA) methods, only Nuclear Reactions Analysis (NRA) can quantify the abundance of individual light isotopes in material samples, and simultaneously can provide depth profiling data. Resonant Photon Induced Gamma-ray Emission (r-PIGE) can provide accurate quantitative and depth profiling data, but it is a time consuming method, strictly isotope and no information is provided for the other light elements present in the samples. Previous measurements of the 19F(d,p)20F and 19F(d,α)17O reactions, have been performed within the energy range Ed=1800-2500 keV for the former reaction [Be65] and within the energy range Ed=710-2420 keV for the latter [Be65, Ma81]. However in these works only one backward angle was investigated (150°) and the existing data show serious discrepancies not only at the order of magnitude (differences in the most favorable cases by a factor of 3), but also at the shape of the excitation functions. The aim of the present study was to resolve the discrepancies of the previous studies, and to add new data in the literature as well. In the present study, differential cross sections of the two first proton groups 19F(d,p)20F were measured, as well as the differential cross sections of the four first groups of α-particles emission of the reaction 19F(d,α)17O. The reactions have been measured over the deuteron energy range Ed=1.8-3 MeV in steps of 25 keV. The experiments were performed using the deuteron beam of the 5.5 MV Tandem Accelerator of N.C.S.R “Demokritos”, Athens, Greece. An isotopically enriched (94% 6Li) LiF target was evaporated in a thin carbon foil. The α-particles and the protons were detected at two backwards angles (150° and 170°) by two silicon surface barrier detectors, placed in a RBS chamber. The results are also compared to data from literature, when present, and are validated through benchmarking experiments using high purity thick BaF2 target.