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

In der Welt der Kernwissenschaften müssen Forscher oft verstehen, wie sich Atome verhalten, wenn sie von schnell bewegten Teilchen getroffen werden. Stellen Sie sich ein Target vor, das aus einem bestimmten Element, wie etwa Strontium, besteht und sich in einem Deuteronenstrahl befindet, bei denen es sich um eine Art schweren Wasserstoffkern handelt. Wenn diese Teilchen kollidieren, können sie Stücke aus den Strontiumatomen herauslösen oder mit ihnen verschmelzen, wodurch völlig neue, instabile Atome, sogenannte Radioisotope, entstehen. Wissenschaftler interessieren sich zutiefst für diesen Prozess, weil diese neuen Atome nicht nur bloße Kuriositäten sind; sie sind lebenswichtige Werkzeuge. Einige werden zur Behandlung von Krebs eingesetzt, indem sie Strahlung direkt an Tumore abgeben, während andere als Tracer dienen, die es Ärzten ermöglichen, mithilfe spezieller Kameras in den menschlichen Körper zu blicken. Um diese Werkzeuge sicher und effektiv nutzen zu können, müssen Wissenschaftler genau wissen, wie viel von jedem neuen Atom bei unterschiedlichen Energieniveaus erzeugt wird. Dies erfordert die Messung eines sogenannten Wirkungsquerschnitts, was im Wesentlichen eine Methode ist, um die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zu quantifizieren. Die Herstellung der für diese Experimente benötigten Targets ist jedoch oft äußerst schwierig, wenn das Material ein Metall wie Strontium ist, da es heftig mit Luft und Feuchtigkeit reagiert, was es unmöglich macht, es in dünne Bleche zu walzen.

Ein Forschungsteam am RIKEN in Japan hat einen cleveren Weg gefunden, um dieses Hindernis zu umgehen, indem es erfolgreich diese Kollisionswahrscheinlichkeiten zum ersten Mal mit einer neuartigen Methode zur Targetpräparation gemessen hat. Anstatt zu versuchen, ein dünnes Metallblatt zu schmieden, nutzte das Team einen handelsüblichen Tintenstrahldrucker, um winzige Tröpfchen einer Strontiumlösung auf eine dünne Aluminiumfolie aufzutragen. Als die Flüssigkeit trocknete, hinterließ sie eine gleichmäßige Schicht aus Strontiumnitratkristallen, die dünn genug war, um den Teilchenstrahl passieren zu lassen, aber dicht genug, um die notwendigen Reaktionen hervorzurufen. Das Team beschoss diese gedruckten Targets mit einem Deuteronenstrahl mit Energien von bis zu 24 Millionen Elektronenvolt. Durch die sorgfältige Messung der Gamma-Strahlen, die von den resultierenden radioaktiven Atomen emittiert wurden, konnten sie genau kartieren, wie viel Yttrium bei jedem Energieniveau produziert wurde. Diese Arbeit ist bedeutend, da sie beweist, dass der Tintenstrahldruck ein zuverlässiges Werkzeug zur Erstellung hochwertiger Targets für die Kernphysik sein kann, was die Tür zur Untersuchung von Elementen öffnet, die zuvor zu schwierig zu handhaben waren.

Die Forscher konzentrierten sich auf die Erzeugung verschiedener Formen von Yttrium, einem Element, das chemisch dem Strontium ähnlich ist, aber andere radioaktive Eigenschaften besitzt. Zu den wichtigsten Erkenntnissen gehörte die erste Messung darüber, wie viel von einer spezifischen, kurzlebigen Form von Yttrium, bekannt als 86mY, produziert wird. Sie maßen auch die Produktion anderer Formen, einschließlich 86gY, 87mY, 87gY und 88Y, über einen weiten Energiebereich hinweg. Um die Genauigkeit ihrer Ergebnisse zu gewährleisten, verglichen sie ihre Daten mit bestehenden Aufzeichnungen und Computervorhersagen. Sie stellten fest, dass ihre Messungen im Allgemeinen mit früheren Studien übereinstimmten, jedoch im niederenergetischen Bereich, in dem die Reaktionen gerade erst beginnen, etwas höher lagen. Als sie ihre Ergebnisse mit der TENDL-2023-Bibliothek verglichen, einer wichtigen Datenbank, die Wissenschaftler zur Vorhersage nuklearer Prozesse nutzen, entdeckten sie, dass die Computermodelle dazu neigten, die Menge des produzierten Yttiums zu überschätzen, insbesondere bei niedrigeren Energien. Diese Diskrepanz ist wichtig, da sie den Datenbankentwicklern signalisiert, dass ihre Modelle fein abgestimmt werden müssen, um die Realität besser widerzuspiegeln.

Der Erfolg dieses Experiments hängt stark von der Qualität der Targets ab. Die Forscher nutzten eine Technik namens Autoradiographie, bei der eine spezielle Bildplatte über das Target gelegt wird, um genau zu sehen, wo das radioaktive Material abgelagert wurde. Diese Analyse zeigte, dass die mittels Tintenstrahldruck erstellten Targets bemerkenswert gleichmäßig waren, mit Schwankungen in der Dicke von weniger als drei Prozent. Diese Konsistenz ist entscheidend, da jede Ungleichmäßigkeit im Target die Energie des Teilchenstrahls verzerren und die Ergebnisse verfälschen könnte. Durch die Bestätigung, dass die gedruckten Punkte gleichmäßig verteilt waren und die Strahlenergie stabil blieb, während sie den Stapel der Targets passierte, konnte das Team seinen Zahlen vertrauen. Sie verwendeten zudem eine Überreaktionsmessung mit Kupfer, um ihre Einstellung des Strahls zu überprüfen, wobei sie feststellten, dass ihr experimenteller Aufbau genau wie erwartet funktionierte.

Die Auswirkungen dieser Messungen gehen über das bloße Schließen einer Datenlücke hinaus. Die Daten helfen dabei, das Verständnis für die Produktion spezifischer medizinischer Isotope zu verfeinern. Beispielsweise entspricht der in diesem Experiment untersuchte Energiebereich den optimalen Bedingungen für die Produktion von 88Y, einem langlebigen Isotop, das zur Kalibrierung von Strahlendetektoren nützlich ist. Für die anderen Isotope dienen die hier bereitgestellten Daten im niedrigen Energiebereich – obwohl für die großtechnische Produktion oft höhere Energien bevorzugt werden – als kritischer Referenzwert. Sie ermöglichen es Wissenschaftlern zu verifizieren, ob ihre theoretischen Modelle korrekt sind, was essenziell ist, um vorherzusagen, wie viele Verunreinigungen neben dem gewünschten medizinischen Isotop entstehen könnten. Indem sie demonstrierten, dass der Tintenstrahldruck Targets für reaktive Metalle wie Strontium erzeugen kann, bietet diese Studie einen neuen, praktischen Weg für zukünftige Experimente und stellt sicher, dass die für medizinische und wissenschaftliche Anwendungen benötigten Nuklear-Daten zunehmend präziser und zuverlässiger werden.