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

Dans le monde de la science nucléaire, les chercheurs doivent souvent comprendre comment les atomes se comportent lorsqu'ils sont frappés par des particules à mouvement rapide. Imaginez une cible faite d'un élément spécifique, comme le strontium, placée dans un faisceau de deutérons, qui sont un type de noyau d'hydrogène lourd. Lorsque ces particules entrent en collision, elles peuvent arracher des morceaux des atomes de strontium ou fusionner avec eux, créant ainsi de nouveaux atomes instables appelés radioisotopes. Les scientifiques se soucient profondément de ce processus car ces nouveaux atomes ne sont pas seulement des curiosités ; ils sont des outils vitaux. Certains sont utilisés pour traiter le cancer en délivrant des radiations directement aux tumeurs, tandis que d'autres agissent comme des traceurs qui permettent aux médecins de voir à l'intérieur du corps humain à l'aide de caméras spéciales. Pour utiliser ces outils de manière sûre et efficace, les scientifiques doivent savoir exactement quelle quantité de chaque nouvel atome est créée à différents niveaux d'énergie. Cela nécessite la mesure de ce qu'on appelle la section efficace, ce qui est essentiellement une façon de quantifier la probabilité qu'une collision se produise. Cependant, la fabrication des cibles nécessaires à ces expériences est notoirement difficile lorsqu'il s'agit d'un métal comme le strontium, qui réagit violemment avec l'air et l'humidité, ce qui rend impossible son laminage en feuilles minces comme d'autres métaux.

Une équipe de chercheurs du RIKEN au Japon a trouvé un moyen ingénieux de contourner cet obstacle, en mesurant avec succès ces probabilités de collision pour la première fois grâce à une nouvelle méthode de préparation de cible. Au lieu d'essayer de forger une mince feuille de métal, ils ont utilisé une imprimante à jet d'encre commerciale standard pour déposer de minuscules gouttelettes d'une solution de strontium sur une fine feuille d'aluminium. À mesure que le liquide séchait, il laissait derrière lui une couche uniforme de cristaux de nitrate de strontium, assez fine pour laisser passer le faisceau de particules mais assez dense pour créer les réactions nécessaires. L'équipe a projeté un faisceau de deutérons avec des énergies allant jusqu'à 24 millions d'électron volts sur ces cibles imprimées. En mesurant soigneusement les rayons gamma émis par les atomes radioactifs résultants, ils ont pu cartographier précisément la quantité d'yttrium produite à chaque niveau d'énergie. Ce travail est significatif car il prouve que l'impression à jet d'encre peut être un outil fiable pour la création de cibles de haute qualité pour la physique nucléaire, ouvrant la voie à l'étude d'éléments qui étaient auparavant trop difficiles à manipuler.

Les chercheurs se sont concentrés sur la création de plusieurs formes différentes d'yttrium, un élément chimiquement similaire au strontium mais possédant des propriétés radioactives différentes. Parmi les découvertes les plus importantes figurait la toute première mesure de la production d'une forme spécifique d'yttrium à vie courte, connue sous le nom de 86mY. Ils ont également mesuré la production d'autres formes, incluant le 86gY, le 87mY, le 87gY et le 88Y, sur une large gamme d'énergies. Pour garantir l'exactitude de leurs résultats, ils ont comparé leurs données aux enregistrements existants et aux prédictions informatiques. Ils ont constaté que leurs mesures correspondaient généralement aux études précédentes, bien qu'elles soient légèrement plus élevées dans la plage de basse énergie où les réactions commencent tout juste. Lorsqu'ils ont comparé leurs résultats à la bibliothèque TENDL-2023, une base de données majeure utilisée par les scientifiques pour prédire le comportement nucléaire, ils ont découvert que les modèles informatiques avaient tendance à surestimer la quantité d'yttrium produite, particulièrement aux énergies les plus basses. Cette divergence est importante car elle indique aux créateurs de bases de données que leurs modèles nécessitent un ajustement pour mieux refléter la réalité.

Le succès de cette expérience repose largement sur la qualité des cibles. Les chercheurs ont utilisé une technique appelée autoradiographie, qui consiste à placer une plaque d'imagerie spéciale sur la cible pour voir exactement où le matériau radioactif a été déposé. Cette analyse a montré que les cibles imprimées par jet d'encre étaient remarquablement uniformes, avec des variations d'épaisseur de moins de trois pour cent. Ce niveau de constance est crucial car toute irrégularité dans la cible pourrait fausser l'énergie du faisceau de particules et biaiser les résultats. En confirmant que les points imprimés étaient répartis uniformément et que l'énergie du faisceau restait stable en traversant l'empilement des cibles, l'équipe a pu accorder sa confiance à ses chiffres. Ils ont également utilisé une réaction de surveillance impliquant le cuivre pour vérifier leurs réglages de faisceau, constatant que leur installation expérimentale fonctionnait exactement comme prévu.

Les implications de ces mesures vont au-delà du simple remplissage d'un vide dans un tableau de données. Les données aident à affiner la compréhension de la production d'isotopes médicaux spécifiques. Par exemple, la plage d'énergie étudiée dans cette expérience correspond aux conditions optimales pour la production de l'isotope 88Y, une forme de longue durée utile pour l'étalonnage des détecteurs de radiation. Pour les autres isotopes, bien que des énergies plus élevées soient souvent préférées pour la production à grande échelle, les données de basse énergie fournies ici servent de référence critique. Elles permettent aux scientifiques de vérifier si leurs modèles théoriques sont corrects, ce qui est essentiel pour prédire la quantité d'impuretés qui pourrait être créée parallèlement à l'isotope médical souhaité. En démontant que l'impression à jet d'encre peut créer des cibles pour des métaux réactifs comme le strontium, cette étude offre une nouvelle voie pratique pour les expériences futures, garantissant que les données nucléaires nécessaires aux applications médicales et scientifiques deviennent de plus en plus précises et fiables.