Demonstration of inkjet-printed targets for activation cross-section measurements: deuteron-induced reactions on strontium up to 24 MeV

في عالم العلوم النووية، يحتاج الباحثون غالباً إلى فهم كيفية سلوك الذرات عندما تُصدم بجسيمات سريعة الحركة. تخيل هدفاً مصنوعاً من عنصر محدد، مثل السترونشيوم، موضوعاً في مسار حزمة من الديترونات، وهي نوع من نوى الهيدروجين الثقيلة. عندما تتصادم هذه الجسيمات، يمكنها انتزاع أجزاء من ذرات السترونشيوم أو الاندماج معها، مما يؤدي إلى إنشاء ذرات جديدة غير مستقرة تسمى النظائر المشعة. يهتم العلماء بشدة بهذه العملية لأن هذه الذرات الجديدة ليست مجرد فضول علمي؛ بل هي أدوات حيوية. فبعضها يُستخدم لعلاج السرطان عن طريق إيصال الإشعاع مباشرة إلى الأورام، بينما يعمل البعض الآخر ككواشف تسمح للأطباء بالرؤية داخل جسم الإنسان باستخدام كاميرات خاصة. ولكي يستخدموا هذه الأدوات بأمان وفعالية، يجب على العلماء معرفة مقدار كل ذرة جديدة يتم إنتاجها بدقة عند مستويات طاقة مختلفة. ويتطلب هذا قياس ما يسمى "المقطع العرضي"، وهو في الأساس وسيلة لتحديد احتمالية حدوث التصادم. ومع ذلك، فإن صنع الأهداف اللازمة لهذه التجارب أمر صعب للغاية عندما تكون المادة معدناً مثل السترونشيم، الذي يتفاعل بعنف مع الهواء والرطوبة، مما يجعل من المستحيل دحله إلى صفائح رقيقة مثل المعادن الأخرى.

لقد وجد فريق من الباحثين في معهد "ريكن" (RIKEN) في اليابان طريقة ذكية للالتفاف حول هذا العائق، حيث نجحوا في قياس احتمالات التصادم هذه لأول مرة باستخدام طريقة مبتكرة لتحضير الأهداف. فبدلاً من محاولة صهر صفيحة معدنية رقيقة، استخدموا طابعة نفث الحبر (inkjet) تجارية قياسية لترسيب قطرات صغيرة من محلول الستراتونشيوم على رقاقة ألومنيوم رقيقة. ومع جفاف السائل، ترك خلفه طبقة منتظمة من بلورات نترات الستراتونشيوم، كانت رقيقة بما يكفي لتسمح بمرور حزمة الجسيمات، وكثيفة بما يكفي لإحداث التفاعلات اللازمة. أطلق الفريق حزمة من الديترونات بطاقات تصل إلى 24 مليون إلكترون فولت على هذه الأهداف المطبوعة. ومن خلال القياس الدقيق لأشعة غاما المنبعثة من الذرات المشعة الناتجة، تمكنوا من رسم خريطة توضح بالضبط كمية اليتريوم المنتجة عند كل مستوى طاقة. وهذا العمل مهم لأنه يثبت أن الطباعة بنفث الحبر يمكن أن تكون أداة موثوقة لإنشاء أهداف عالية الجودة للفيزياء النووية، مما يفتح الباب لدراسة العناصر التي كان من الصعب التعامل معها سابقاً.

ركز الباحثون على إنشاء عدة أشكال مختلفة من اليتريوم، وهو عنصر يشبه السترونشيوم كيميائياً ولكن له خصائص إشعاعية مختلفة. ومن بين أهم النتائج كانت أول قياس على الإطلاق لكيفية إنتاج شكل محدد قصير العمر من اليتريوم، يُعرف باسم 86mY. كما قاموا بقياس إنتاج أشكال أخرى، بما في ذلك 86gY و87mY و87gY و88Y، عبر نطاق واسع من الطاقات. ولضمان دقة نتائجهم، قارنوا بياناتهم مع السجلات الموجودة والتنبؤات الحاسوبية. ووجدوا أن قياساتهم تطابقت عموماً مع الدراسات السابقة، وإن كانت أعلى قليلاً في نطاق الطاقة المنخفضة حيث تبدأ التفاعلات للتو. وعندما قارنوا نتائجهم بمكتبة TENDL-2023، وهي قاعدة بيانات رئيسية يستخدمها العلماء للتنبؤ بالسلوك النووي، اكتشفوا أن النماذج الحاسوبية تميل إلى المبالغة في تقدير كمية اليتريوم المنتجة، لا سيما عند الطاقات المنخفضة. وهذا التباين مهم لأنه يخبر صانعي قواعد البيانات أن نماذجهم تحتاج إلى ضبط دقيق لتعكس الواقع بشكل أفضل.

يعتمد نجاح هذه التجربة بشكل كبير على جودة الأهداف. استخدم الباحثون تقنية تسمى التصوير الإشعاعي (autoradiography)، والتي تتضمن وضع لوح تصوير خاص فوق الهدف لرؤية مكان ترسب المادة المشعة بدقة. وأظهر هذا التحليل أن الأهداف المطبوعة بنفث الحبر كانت منتظمة بشكل ملحوظ، مع تباينات في السمك تقل عن ثلاثة بالمائة. هذا المستوى من الاتساق أمر بالغ الأهمية لأن أي عدم انتظام في الهدف يمكن أن يشوه طاقة جسيمات الحزمة ويحرف النتائج. ومن خلال التأكد من أن النقاط المطبوعة موزعة بالتساوي وأن طاقة الحزمة ظلت مستقرة أثناء مرورها عبر مجموعة الأهداف، استطاع الفريق الوثوق بأرقامهم. كما استخدموا تفاعلاً مراقباً يتضمن النحاس للتحقق من إعدادات الحزمة، ووجدوا أن إعدادهم التجريبي كان يعمل تماماً كما هو متوقع.

إن آثار هذه القياسات تمتد إلى ما هو أبعد من مجرد ملء فجوة في جدول بيانات. فالبيانات تساعد في تحسين فهم كيفية إنتاج النظائر الطبية المحددة. فعلى سبيل المثال، يتوافق نطاق الطاقة المدروس في هذه التجربة مع الظروف المثلى لإنتاج 88Y، وهو نظير طويل العمر مفيد لمعايرة كواشف الإشعاع. أما بالنسبة للنظائر الأخرى، وبينما تُفضل الطاقات العالية غالباً للإنتاج واسع النطاق، فإن بيانات الطاقة المنخفضة المقدمة هنا تعمل كمعيار مرجعي حاسم. فهي تسمح للعلماء بالتحقق مما إذا كانت نماذجهم النظرية صحيحة، وهو أمر ضروري للتنبؤ بكمية الشوائب التي قد تُنتج جنباً إلى جنب مع النظير الطبي المطلوب. ومن خلال إثبات أن الطباعة بنفث الحبر يمكن أن تنشئ أهدافاً لمعادن تفاعلية مثل السترونشيوم، تقدم هذه الدراسة مساراً عملياً جديداً للتجارب المستقبلية، مما يضمن استمرار دقة وموثوقية البيانات النووية اللازمة للتطبيقات الطبية والعلمية.