⚛️ nuclear experiments

EBS and in-beam $\gamma$ -ray investigation of FCVA-prepared Cr $_2$ O $_3$ targets for low-energy $^{16}$ O+ $^{16}$ O fusion experiments

यह अध्ययन EBS और इन-बीम $\gamma$ -रे स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके कम-ऊर्जा $^{16}$ O+ $^{16}$ O संलयन प्रयोगों के लिए FCVA-निक्षेपित (deposited) Cr $_2$ O $_3$ लक्ष्यों को अभिलक्षित करता है, जो उनके स्टॉइकीओमेट्री (stoichiometry) और एकरूपता की पुष्टि करते हुए भविष्य के क्रॉस-सेक्शन मापन को अनुकूलित करने के लिए कार्बन-प्रेरित पृष्ठभूमि योगदानों की पहचान करते हैं।

मूल लेखक: C. Wen, X. Chen, L. Wang, Z. An, F. Bai, Y. Chen, X. Fang, Y. X. Fan, B. S. Gao, Z. Y. Guo, J. F. Han, H. T. Hu, W. P. Lin, B. Liao, S. Lin, G. Liu, X. Q. Liu, P. P. Ren, J. Su, J. H. Tan, X. D. Tang

प्रकाशित 2026-09-09

📖 5 मिनट में पढ़ें🧠 गहराई से पढ़ें

CC BY 4.0

मूल लेखक: C. Wen, X. Chen, L. Wang, Z. An, F. Bai, Y. Chen, X. Fang, Y. X. Fan, B. S. Gao, Z. Y. Guo, J. F. Han, H. T. Hu, W. P. Lin, B. Liao, S. Lin, G. Liu, X. Q. Liu, P. P. Ren, J. Su, J. H. Tan, X. D. Tang, P. Wang, S. Wang, D. H. Xie, N. T. Zhang

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

विशाल तारों के बहुत भीतर, अपने प्राथमिक ईंधन के समाप्त होने के लंबे समय बाद, एक महत्वपूर्ण रूपांतरण होता है। अब ऑक्सीजन से समृद्ध कोर इतने अत्यधिक तापमान तक पहुँच जाता है कि ऑक्सीजन नाभिक एक-दूसरे से टकराने लगते हैं। यह प्रक्रिया, जिसे ऑक्सीजन दहन (ऑक्सीजन बर्निंग) के रूप में जाना जाता है, एक तारे के जीवन का एक निर्णायक क्षण है, जो यह निर्धारित करता है कि वह कैसे विकसित होता है और अपने अंतिम पतन से पहले कितने भारी तत्वों का निर्माण करता है। इस ब्रह्मांडीय कीमिया (कॉस्मिक अल्केमी) को समझने के लिए, वैज्ञानिकों को यह सटीक रूप से जानना आवश्यक है कि इन ऑक्सीजन नाभिकों के बीच विशेष, निम्न ऊर्जाओं पर कितनी बार संलयन (फ्यूजन) होता है। हालाँकि, इसे मापना अविश्वसनीय रूप से कठिन है। प्रयोगशाला में, ऊर्जा कम होने के साथ ही दो ऑक्सीजन नाभिकों के जुड़ने की संभावना इतनी तेजी से गिरती है कि संकेत लगभग अदृश्य हो जाता है, जो अन्य अधिक सामान्य प्रतिक्रियाओं के शोर के समुद्र में दब जाता है। वास्तविक संलयन घटना की मंद चमक को देखने के लिए, शोधकर्ताओं को शुद्ध ऑक्सीजन यौगिकों से बने लक्ष्यों (टारगेट्स) की आवश्यकता होती है, जिन्हें इतनी सटीकता के साथ तैयार किया गया हो कि कोई भी अवांछित परमाणु नाजुक माप में हस्तक्षेप न कर सके।

शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन प्रयोगों के लिए एक नए प्रकार के लक्ष्य सामग्री का निर्माण और परीक्षण करके इस समस्या को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। उन्होंने क्रोमियम ऑक्साइड पर ध्यान केंद्रित किया, जो ऑक्सीजन से भरपूर एक ठोस यौगिक है, जिसे उन्होंने 'फिल्टर्ड कैथोडिक वैक्यूम आर्क डिपोजिशन' नामक एक विशेष तकनीक का उपयोग करके तैयार किया। इस विधि में आवेशित क्रोमियम परमाणुओं की एक धारा बनाना और उन्हें एक चुंबकीय फिल्टर के माध्यम से निर्देशित करना शामिल है जो एक छलनी की तरह कार्य करता है, जो बड़े, अवांछित बूंदों को हटा देता है और यह सुनिश्चित करता है कि केवल एक चिकनी, घनी फिल्म धातु के आधार पर जमा हो। लक्ष्य एक ऐसी क्रोमियम ऑक्साइड की परत बनाना था जो पूरी तरह से एकसमान और अशुद्धियों, विशेष रूप से कार्बन से मुक्त हो, जो कि इन निम्न-ऊर्जा संलयन अध्ययनों का प्राथमिक शत्रु है। कार्बन की थोड़ी सी मात्रा भी अपने स्वयं के संलयन प्रतिक्रियाओं को सक्रिय कर सकती है, जिससे गामा किरणें उत्पन्न होती हैं जो उन संकेतों की नकल करती हैं जिन्हें वैज्ञानिक खोजने का प्रयास कर रहे हैं, जिससे गलत निष्कर्ष निकल सकते हैं।

अपने कार्य को सत्यापित करने के लिए, टीम ने अपने नए लक्ष्यों को कठोर परीक्षण के अधीन रखा। सबसे पहले, उन्होंने क्रोमियम ऑक्साइड फिल्मों पर प्रोटॉन की एक बीम छोड़ी और यह मापा कि प्रोटॉन वापस कैसे उछले। यह तकनीक, जिसे 'इलास्टिक बैकस्कैटरिंग स्पेक्ट्रोमेट्री' कहा जाता है, ने उन्हें उच्च सटीकता के साथ फिल्म के भीतर परमाणुओं की गणना करने की अनुमति दी। उन्होंने पाया कि फिल्में उल्लेखनीय रूप से सुसंगत थीं, जिसमें मोटाई और रासायनिक संतुलन उनकी अपेक्षाओं के अनुरूप था। ऑक्सीजन की मात्रा सतह पर उच्च और एकसमान थी, जिसकी घनत्व लगभग 3.24 से 3.25 गुना दस की सत्रहवीं घात (10^17) परमाणु प्रति वर्ग सेंटीमीटर थी। क्रोमियम और ऑक्सीजन का अनुपात भी आदर्श रासायनिक सूत्र के बहुत करीब था, जो यह दर्शाता कि फिल्म अच्छी तरह से निर्मित थी। हालाँकि, विश्लेषण ने ऑक्साइड परत के भीतर दबे हुए कार्बन की एक छोटी लेकिन मापने योग्य मात्रा (लगभग 1.25 से 1.29 प्रतिशत) का भी खुलासा किया। इससे भी अधिक आश्चर्यजनक रूप से, उन्होंने फिल्म के नीचे स्थित धातु के आधार की सतह पर कार्बन की बहुत अधिक सांद्रता पाई, जो एक अवशेष था जिसे सफाई प्रक्रिया पूरी तरह से हटाने में विफल रही थी।

शोधकर्ताओं ने अगले सत्यापन चरण की ओर बढ़ते हुए, इन लक्ष्यों को ऑक्सीजन आयनों की एक बीम में रखा ताकि यह देखा जा सके कि वास्तविक संलयन प्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले उन्हीं कणों से बमबारी करने पर क्या होता है। उन्होंने विशिष्ट गामा विकिरण की चमक के लिए सुना जो एक सफल संलयन घटना का संकेत देती है। परिणाम सफलता और सावधानी का मिश्रण थे। डिटेक्टरों ने ऑक्सीजन-ऑक्सीजन संलयन प्रतिक्रिया के अद्वितीय हस्ताक्षरों को स्पष्ट रूप से पकड़ा, विशेष रूप से वे गामा किरणें जो परिणामी नाभिक अपनी अतिरिक्त ऊर्जा को त्यागते समय उत्सर्जित करते हैं। ये संकेत 1249, 1266, 1779 और 2235 किलोइलेक्ट्रॉन वोल्ट की ऊर्जा पर दिखाई दिए, जिससे पुष्टि हुई कि संलयन प्रक्रिया हो रही थी और इसे मापा जा सकता था। हालाँकि, स्पेक्ट्रा एल्युमीनियम और मैग्नीशियम से उत्पन्न होने वाले मजबूत संकेतों से भी हावी था, जो तब बनते हैं जब ऑक्सीजन बीम कार्बन परमाणुओं से टकराती है। क्योंकि धातु के आधार पर कार्बन का संदूषण इतना महत्वपूर्ण था, इसलिए ये पृष्ठभूमि संकेत तीव्र थे, जो प्रभावी रूप से उन विशिष्ट गामा किरणों को दबा देते थे जो कार्बन के ऑक्सीजन के साथ मिलकर उन समान तत्वों को बनाने से आतीं।

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि 'फिल्टर्ड कैथोडिक वैक्यूम आर्क' तकनीक उच्च गुणवत्ता वाले ऑक्साइड लक्ष्यों के निर्माण के लिए एक व्यवहार्य और शक्तिशाली विधि है। निर्मित फिल्में सघन, एकसमान और रासायनिक रूप से स्थिर हैं, जो भविष्य के प्रयोगों के लिए एक ठोस आधार प्रदान करती हैं। फिर भी, यह कार्य एक महत्वपूर्ण बाधा को भी उजागर करता है: जबकि फिल्म स्वयं स्वच्छ है, वह आधार जिस पर यह टिकी है, हस्तक्षेप का एक स्रोत बना हुआ है। धातु के आधार पर कार्बन का संदूषण इतना पर्याप्त है कि वह एक ऐसी पृष्ठभूमि उत्पन्न करता है जो माप को जटिल बनाती है। शोधकर्ता निष्कर्ष निकालते हैं कि अगली पीढ़ी के प्रयोगों के लिए, जिनका लक्ष्य अधिकतम सटीकता के साथ संलयन प्रतिक्रियाओं की पूरी सीमा को मैप करना है, ध्यान आधार सामग्रियों को और अधिक शुद्ध करने पर केंद्रित होना चाहिए। आधार पर मौजूद कार्बन को समाप्त करके, वैज्ञानिक अंततः दृष्टि को साफ कर सकते हैं, जिससे वे अशुद्धियों की छाया के बिना ऑक्सीजन नाभिकों की कुल संलयन दर को माप सकेंगे, जो हमें मरते हुए तारों के दहकते हृदय को समझने के एक कदम और करीब लाता है।

तकनीकी सारांश: FCVA-तैयार Cr $_2$ O $_3$ लक्ष्यों का EBS और इन-बीम $\gamma$ -किरण अन्वेषण

समस्या विवरण
निम्न-ऊर्जा $^{16}$ O+ $^{16}$ O फ्यूजन क्रॉस सेक्शन का सटीक मापन स्टेलर न्यूक्लियोसिंथेसिस (stelar nucleosynthesis), विशेष रूप से ऑक्सीजन बर्निंग और मध्यवर्ती द्रव्यमान वाले नाभिकों के उत्पादन को समझने के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है। हालाँकि, प्रयोगात्मक प्रगति सब-बैरियर ऊर्जाओं पर फ्यूजन क्रॉस सेक्शन में तेजी से होने वाली कमी और लक्ष्य गुणों से उत्पन्न महत्वपूर्ण व्यवस्थित अनिश्चितताओं के कारण बाधित है। ठोस ऑक्साइड लक्ष्यों के भीतर अशुद्धि तत्व ऑक्सीजन बीम बमबारी के तहत परजीवी परमाणु प्रतिक्रियाओं (parasitic nuclear reactions) को प्रेरित कर सकते हैं। कार्बन संदूषण को एक महत्वपूर्ण समस्या के रूप में पहचाना गया है; $^{12}$ C+ $^{16}$ O फ्यूजन प्रतिक्रिया उन्हीं अवशिष्ट नाभिकों ( $^{24}$ Mg और $^{27}$ Al) का उत्पादन करती है जो $^{16}$ O+ $^{16}$ O प्रतिक्रिया से बनते हैं, लेकिन इनका क्रॉस सेक्शन 2-3 क्रम (orders of magnitude) अधिक होता है। फलस्वरूप, यहाँ तक कि सूक्ष्म कार्बन संदूषण भी पर्याप्त $\gamma$ -किरण बैकग्राउंड उत्पन्न कर सकता है, जिससे फ्यूजन यील्ड का संभावित अति-आकलन हो सकता है। निम्न-बैकग्राउंड मापन को सक्षम करने के लिए अच्छी तरह से अभिलक्षणित स्टोइकीओमेट्री (stoichiometry) और अशुद्धि स्तरों वाले उच्च-शुद्धता ऑक्साइड लक्ष्यों की आवश्यकता है।

कार्यप्रणाली
यह अध्ययन दो-आयामी दृष्टिकोण का उपयोग करता है: फिल्टर कैथोडिक वैक्यूम आर्क (FCVA) निक्षेपण का उपयोग करके क्रोमियम ऑक्साइड (Cr $_2$ O $_3$ ) लक्ष्यों का निर्माण और उनका बाद में EBS (Elastic Backscattering Spectrometry) और इन-बीम $\gamma$ -किray स्पेक्ट्रोस्कोपी के माध्यम से अभिलक्षणन।

लक्ष्य निर्माण: बीजिंग नॉर्मल यूनिवर्सिटी में एक FCVA सिस्टम का उपयोग करके Cr $_2$ O $_3$ लक्ष्य तैयार किए गए। इस प्रक्रिया में पॉलिश किए गए Cr या Si सबस्ट्रेट्स पर एक धात्विक Cr ट्रांजिशन लेयर जमा करने के बाद, ऑक्साइड परत बनाने के लिए Cr और O का सह-निक्षेपण (co-deposition) शामिल था। मैक्रोपार्टिकल्स को हटाने के लिए एक घुमावदार चुंबकीय फिल्टर का उपयोग किया गया, जिससे घने, एकसमान फिल्म सुनिश्चित हुए।
EBS अभिलक्षणन: सिचुआन यूनिवर्सिटी में एक 3 MV टैंडेट्रॉन एक्सेलेरेटर का उपयोग करके तत्वों की संरचना, एरियाल डेंसिटी और अशुद्धि सामग्री का विश्लेषण किया गया। प्रोटॉन बीम (2.488 MeV) को लक्ष्यों पर निर्देशित किया गया, और स्कैटर किए गए आयनों को सिलिकॉन डिटेक्टरों द्वारा पता लगाया गया। डेटा का विश्लेषण SIMNRA सिमुलेशन प्रोग्राम का उपयोग करके किया गया, जिसमें O, C, Si और Cr के लिए विशिष्ट क्रॉस-सेक्शन डेटा और SRIM स्टॉपिंग पावर्स को शामिल किया गया।
इन-बीम $\gamma$ -किरण स्पेक्ट्रोस्कोपी: प्रयोगशाला ऊर्जाओं 14.9 MeV और 15.9 MeV पर $^{16}$ O $^{5+}$ बीमों से लक्ष्यों को बमबारी की गई। $\gamma$ -किरण उत्सर्जन को हाई-प्योरिटी जर्मेनियम (HPGe) डिटेक्टर का उपयोग करके मापा गया। शुद्ध Cr सबस्ट्रेट और पर्यावरणीय बैकग्राउंड के स्पेक्ट्रा की तुलना करके बैकग्राउंड योगदान का मूल्यांकन किया गया।

प्रमुख परिणाम

लक्ष्य एकरूपता और स्टोइकीओमेट्री: EBS विश्लेषण ने पुष्टि की कि FCVA-निक्षेपित Cr $_2$ O $_3$ फिल्में उत्कृष्ट स्थानिक एकरूपता और स्थिर स्टोइकीओमेट्री प्रदर्शित करती हैं। $^{16}$ O की एरियाल डेंसिटी $(3.24–3.25) \times 10^{17}$ परमाणुओं/सेमी $^2$ की सीमा में मापी गई। Cr/O परमाणु अनुपात आदर्श 2:3 मान से थोड़ा कम (लगभग 0.58–0.60) पाया गया, जो मामूली ऑक्सीजन संवर्धन का संकेत देता है, जो संभवतः निक्षेपण स्थितियों के कारण है।
अशुद्धि सामग्री: Cr $_2$ O $_3$ परत में लगभग 1.25–1.29% का कार्बन परमाणु अंश (एरियाल डेंसिटी $\sim 6.5 \times 10^{15}$ परमाणु/सेमी $^2$ ) पाया गया। हालाँकि, Cr सबस्ट्रेट की सतह पर काफी अधिक कार्बन संदूषण की पहचान की गई, जिसकी एरियाल डेंसिटी $2.55 \times 10^{17}$ परमाणु/सेमी $^2$ थी (ऑक्साइड परत की तुलना में लगभग 40 गुना अधिक)।
बैकग्राउंड विश्लेषण: इन-बीम $\gamma$ -किरण स्पेक्ट्रा ने 844, 1015 और 1369 keV पर प्रमुख ट्रांजिशन दिखाए, जो $^{27}$ Al और $^{24}$ Mg के अनुरूप हैं। शुद्ध Cr सबस्ट्रेट स्पेक्ट्रा के साथ तुलना से संकेत मिला कि ये शिखर मुख्य रूप से सबस्ट्रेट में कार्बन अशुद्धियों द्वारा प्रेरित $^{12}$ C+ $^{16}$ O फ्यूजन प्रतिक्रियाओं द्वारा संचालित होते हैं, न कि $^{16}$ O+ $^{16}$ O प्रतिक्रिया द्वारा।
फ्यूजन सिग्नेचर: बैकग्राउंड के बावजूद, $^{16}$ O+ $^{16}$ O इवेपोरेशन चैनल्स से जुड़े विशिष्ट $\gamma$ -किरण शिखर 1249, 1266, 1779 और 2235 keV (जो $^{31}$ S, $^{31}$ P और $^{28}$ Si के अनुरूप हैं) देखे गए। ये विशिष्ट ट्रांजिशन कार्बन-प्रेरित बैकग्राउंड से मुक्त पाए गए और अपेक्षित ऊर्जा निर्भरता प्रदर्शित करते हैं, जो कम बीम ऊर्जा पर तीव्रता में कमी दिखाते हैं।

महत्व और दावे
यह शोध पत्र उच्च-शुद्धता वाले ऑक्साइड लक्ष्यों के विकास और भविष्य के निम्न-बैकग्राउंड $^{16}$ O+ $^{16}$ O फ्यूजन मापन के लिए लक्ष्य विन्यास के अनुकूलन के लिए एक प्रयोगात्मक आधार प्रदान करने का दावा करता है। यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि FCVA नियंत्रित मोटाई और स्टोइकीओमेट्री के साथ Cr $_2$ O $_3$ लक्ष्य बनाने के लिए एक व्यवहार्य तकनीक है। हालाँकि, लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि जबकि ऑक्साइड परत स्वयं अपेक्षाकृत शुद्ध है, सबस्ट्रेट पर कार्बन संदूषण बैकग्राउंड शोर का एक प्रमुख स्रोत बना हुआ है।

यह निष्कर्ष निकलता है कि निम्न-ऊर्जा फ्यूजन अध्ययनों के लिए भविष्य के सुधारों को सिग्नल-टू-बैकग्राउंड अनुपात को बेहतर बनाने के लिए सबस्ट्रेट और लक्ष्य सामग्री दोनों में कार्बन संदूषण को कम करने पर ध्यान केंद्रित करना चाहिए। सभी चैनलों में कुल फ्यूजन क्रॉस सेक्शन के मापन को सक्षम करने के लिए यह कमी आवश्यक है। विशिष्ट $\gamma$ -किरण शिखरों (1249–2235 keV) की पहचान, जो कार्बन हस्तक्षेप से मुक्त हैं, $^{16}$ O+ $^{16}$ O फ्यूजन क्रॉस सेक्शन निकालने का एक मार्ग प्रदान करती है, बशर्ते सबस्ट्रेट की शुद्धता बढ़ाई जाए।

इसी तरह के और पेपर