Measurement and theoretical investigation of the differential cross sections of 3He-induced reactions in light nuclei for applications in Ion Beam Analysis

Abstract

In the present dissertation, a systematic study of the 3He-induced reactions and elastic scattering on 2H, 6Li, 7Li, 9Be, and 12C was carried out for the θ = 120°, 130°, 140°, 150°, 160°, and 170° backscattering detection angles and beam energies up to 6 MeV. The goal was the production of coherent differential cross-section datasets suitable for Ion Beam Analysis applications in fusion research. The study also entailed the validation of the experimentally determined datasets of 9Be and 12C through benchmarking measurements. In addition, a theoretical investigation concerning the 12C(3He,p0)14N reaction was performed via the R-Matrix theoretical framework. The aforementioned isotopes are essential for the study of the processes of erosion, deposition, and redeposition in the Plasma-Facing Components (PFCs). PFCs line the inside walls of fusion reactors and fulfill various instrumental operational roles. They typically contain or are coated with various light elements such as Li, Be, and C and their optimal condition is paramount for the safe operation of the reactors. The results of the present work will aid in the study of the Plasma – Wall interactions (PWIs) between the plasma fuel and the PFCs and can further be utilized in multiple other IBA applications. All cross-section measurements were implemented at the Tandem Dynamitron Accelerator facility of the Central Unit for Ion Beams and Radionuclides (RUBION) of the Ruhr University Bochum in Germany. The measurements for the validation of the experimental results were also carried out at the RUBION facility with some additional measurements being implemented at the Ruđer Bošković Institute in Zagreb, Croatia. With the exception of the 6Li and 7Li cases, all experimental results have been published in peer-reviewed journals. The determined cross-section datasets can be found in Appendix A. The present text provides detailed information for the motivation behind this work, the experimental setup and procedures employed as well as the data analysis methodologies that were followed for the cross-section and benchmarking measurements. Furthermore, the methodology for the theoretical investigation of the 12C(3He,p0)14N reaction along with the corresponding analytical results of the R-Matrix calculations are presented in a dedicated chapter.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή αποτελεί μια συστηματική μελέτη της ελαστικής σκέδασης και των πυρηνικών αντιδράσεων μεταξύ ιοντικής δέσμης 3He και των ελαφρών στοιχείων 2H, 6Li, 7Li, 9Be και 12C για γωνίες οπισθοσκέδασης μεταξύ 120° και 170°, και για ενεργειακό εύρος μεταξύ 1 και 6 MeV. Ο στόχος αυτής της μελέτης ήταν η μέτρηση των αντίστοιχων ενεργών διαφορικών διατομών για ενέργειες δέσμης και γωνίες ανίχνευσης κατάλληλες για εφαρμογές ιοντικών τεχνικών ανάλυσης (Ion Beam Analysis, IBA). Απώτερος σκοπός είναι η χρήση αυτών των τιμών σε εφαρμογές που επικεντρώνονται στην έρευνα σχετικά με την λειτουργία και ανάπτυξη πυρηνικών αντιδραστήρων σύντηξης. Η μελέτη αυτή περιελάμβανε επομένως την πραγματοποίηση πειραματικών μετρήσεων για τον καθορισμό των τιμών συγκεκριμένων ενεργών διαφορικών διατομών. Επιπροσθέτως, ελέγχθηκε η αξιοπιστία των εξαγόμενων πειραματικών δεδομένων για τα ισότοπα 9Be και 12C μέσω πειραμάτων στα οποία χρησιμοποιήθηκαν στόχοι μεγάλου πάχους και γνωστής στοιχειομετρίας (benchmarking). Τέλος, πραγματοποιήθηκε μια θεωρητική μελέτη της αντίδρασης 12C(3He,p0)14N μέσω του θεωρητικού πλαισίου R-Matrix. Τα εσωτερικά τοιχώματα των αντιδραστήρων σύντηξης επενδύονται με πλακίδια τα οποία ονομάζονται Plasma Facing Components, γνωστά και ως PFC, τα οποία εκπληρώνουν διάφορους λειτουργικούς ρόλους. Συνήθως αυτά περιέχουν ή επικαλύπτονται με διάφορα ελαφρά στοιχεία όπως Li, Be και C και η συντήρησή τους είναι πρωταρχικής σημασίας για την ασφαλή λειτουργία των αντιδραστήρων. Η αλληλεπίδραση όμως αυτών με το καύσιμο του αντιδραστήρα (το οποίο αποτελείται από πλάσμα δευτερίου και τριτίου) προκαλεί την διάβρωσή τους λόγω της εναπόθεσης δευτερίου σε αυτά και την ανακατανομή και επαναπόθεση των ελαφρών στοιχείων που περιέχουν. Τα ισότοπα στα οποία επικεντρώνεται η παρούσα εργασία είναι απαραίτητα για τη μελέτη αυτών των διαδικασιών διάβρωσης, εναπόθεσης και επαναπόθεσης στο εσωτερικό των αντιδραστήρων σύντηξης. Τα εξαγόμενα πειραματικά θα βοηθήσουν σε μελέτες αυτών των διαδικασιών αλλά μπορούν να χρησιμοποιηθούν και σε πληθώρα άλλων εφαρμογών ιοντικών τεχνικών ανάλυσης. Όλες οι μετρήσεις ενεργών διαφορικών διατομών πραγματοποιήθηκαν στις εγκαταστάσεις του Επιταχυντή Tandem Dynamitron του εργαστηρίου Central Unit for Ion Beams and Radionuclides (RUBION) του πανεπιστημίου του Ruhr, στο Bochum της Γερμανίας. Οι μετρήσεις για τον έλεγχο της αξιοπιστίας των πειραματικών 14 αποτελεσμάτων πραγματοποιήθηκαν κατά κύριο λόγο ξανά στις εγκαταστάσεις RUBION με ορισμένες πρόσθετες μετρήσεις να πραγματοποιούνται στο Ινστιτούτο Ruđer Bošković στο Ζάγκρεμπ της Κροατίας.Με εξαίρεση τα ισότοπα 6Li και 7Li, όλα τα πειραματικά αποτελέσματα έχουν δημοσιευθεί σε έγκριτα επιστημονικά περιοδικά. Οι τιμές όλων των ενεργών διαφορικών διατομών που μετρηθήκαν στην παρούσα εργασία δίνονται στο Παράρτημα Α. Το παρόν κείμενο παρέχει πληροφορίες για τα κίνητρα που ώθησαν αυτή την εργασία, την πειραματική διάταξη και διαδικασίες που χρησιμοποιήθηκαν καθώς και τις μεθοδολογίες ανάλυσης δεδομένων που ακολουθήθηκαν για τις μετρήσεις των ενεργών διαφορικών διατομών και για τον έλεγχο της αξιοπιστίας των εξαγόμενων τιμών. Επιπλέον, η μεθοδολογία για τη θεωρητική μελέτη της αντίδρασης 12C(3He,p0)14N παρουσιάζονται σε ειδικό κεφάλαιο μαζί με τα αντίστοιχα αναλυτικά αποτελέσματα των υπολογισμών R-Matrix.