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

En el mundo de la ciencia nuclear, los investigadores a menudo necesitan comprender cómo se comportan los átomos cuando son impactados por partículas de movimiento rápido. Imagine un blanco hecho de un elemento específico, como el estroncio, situado en un haz de deuterones, que son un tipo de núcleo de hidrógeno pesado. Cuando estas partículas colisionan, pueden desprender piezas de los átomos de estroncio o fusionarse con ellos, creando átomos completamente nuevos e inestables llamados radioisótopos. A los científicos les importa profundamente este proceso porque estos nuevos átomos no son solo curiosidades; son herramientas vitales. Algunos se utilizan para tratar el cáncer mediante la administración de radiación directamente a los tumores, mientras que otros actúan como trazadores que permiten a los médicos ver dentro del cuerpo humano utilizando cámaras especiales. Para utilizar estas herramientas de forma segura y eficaz, los científicos deben saber exactamente cuánto de cada nuevo átomo se crea a diferentes niveles de energía. Esto requiere medir algo llamado sección eficaz, que es esencialmente una forma de cuantificar la probabilidad de que ocurra una colisión. Sin embargo, la fabricación de los blancos necesarios para estos experimentos es notoriamente difícil cuando el material es un metal como el estroncio, que reacciona violentamente con el aire y la humedad, lo que hace imposible convertirlo en láminas finas como otros metales.

Un equipo de investigadores en RIKEN, Japón, ha encontrado una forma ingeniosa de sortear este obstáculo, midiendo con éxito estas probabilidades de colisión por primera vez utilizando un método novedoso de preparación de blancos. En lugar de intentar forjar una fina lámina de metal, utilizaron una impresora de inyección de tinta comercial estándar para depositar diminutas gotas de una solución de estroncio sobre una fina lámina de aluminio. A medida que el líquido se secaba, dejaba tras de sí una capa uniforme de cristales de nitrato de estroncio, lo suficientemente fina como para dejar pasar el haz de partículas, pero lo suficientemente densa como para crear las reacciones necesarias. El equipo disparó un haz de deuterones con energías de hasta 24 millones de electronvoltios contra estos blancos impresos. Al medir cuidadosamente los rayos gamma emitidos por los átomos radiactivos resultantes, pudieron mapear exactamente cuánto ytrio se produjo en cada nivel de energía. Este trabajo es significativo porque demuestra que la impresión por inyección de tinta puede ser una herramienta fiable para la creación de blancos de alta calidad, abriendo la puerta al estudio de elementos que anteriormente eran demasiado difíciles de manipular.

Los investigadores se centraron en la creación de diversas formas de ytrio, un elemento que es químicamente similar al estroncio pero que tiene propiedades radiactivas diferentes. Entre los hallazgos más importantes estuvo la primera medición de la producción de una forma específica de ytrio de vida corta, conocida como 86mY. También midieron la producción de otras formas, incluyendo 86gY, 87mY, 87gY y 88Y, a través de un amplio rango de energías. Para asegurar la exactitud de sus resultados, compararon sus datos con registros existentes y predicciones computacionales. Encontraron que sus mediciones generalmente coincidían con estudios previos, aunque fueron ligeramente superiores en el rango de baja energía donde las reacciones apenas comienzan. Al comparar sus resultados con la biblioteca TENDL-2023, una base de datos principal utilizada por científicos para predecir el comportamiento nuclear, descubrieron que los modelos computacionales tendían a sobreestimar la cantidad de ytrio producido, particularmente a energías más bajas. Esta discrepancia es importante porque indica a los creadores de bases de datos que sus modelos necesitan un ajuste fino para reflejar mejor la realidad.

El éxito de este experimento depende en gran medida de la calidad de los blancos. Los investigadores utilizaron una técnica llamada autorradiografía, que consiste en colocar una placa de imagen especial sobre el blanco para ver exactamente dónde se depositó el material radiactivo. Este análisis mostró que los blancos impresos por inyección de tinta eran notablemente uniformes, con variaciones de espesor de menos del tres por ciento. Este nivel de consistencia es crucial porque cualquier irregularidad en el blanco podría distorsionar la energía del haz de partículas y sesgar los resultados. Al confirmar que los puntos impresos estaban distribuidos uniformemente y que la energía del haz se mantenía estable al atravesar la pila de blancos, el equipo pudo confiar en sus cifras. También utilizaron una reacción de monitoreo con cobre para verificar dos veces sus ajustes del haz, encontrando que su configuración experimental funcionaba exactamente como se esperaba.

Las implicaciones de estas mediciones se extienden más allá de simplemente llenar un vacío en una tabla de datos. Los datos ayudan a refinar la comprensión de cómo producir isótopos médicos específicos. Por ejemplo, el rango de energía estudiado en este experimento corresponde a las condiciones óptimas para la producción de 88Y, un isótopo de vida larga útil para la calibración de detectores de radiación. Para los otros isótopos, aunque a menudo se prefieren energías más altas para la producción a gran escala, los datos de baja energía proporcionados aquí sirven como un punto de referencia crítico. Permite a los científicos verificar si sus modelos teóricos son correctos, lo cual es esencial para predecir cuánta impureza podría crearse junto al isótopo médico deseado. Al demostrar que la impresión por inyección de tinta puede crear blancos para metales reactivos como el estroncio, este estudio ofrece un camino práctico y nuevo para futuros experimentos, asegurando que los datos nucleares necesarios para aplicaciones médicas y científicas sean cada vez más precisos y fiables.