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

परमाणु विज्ञान की दुनिया में, शोधकर्ताओं को अक्सर यह समझने की आवश्यकता होती है कि जब परमाणुओं से तेज़ गति वाले कण टकराते हैं तो वे कैसे व्यवहार करते हैं। कल्पना कीजिए कि स्ट्रोंटियम जैसे किसी विशिष्ट तत्व का एक लक्ष्य (target) ड्यूटेरॉन (जो भारी हाइड्रोजन नाभिक का एक प्रकार है) की एक बीम में रखा गया है। जब ये कण आपस में टकराते हैं, तो वे स्ट्रोंटियम परमाणुओं के टुकड़ों को बाहर निकाल सकते हैं या उनके साथ जुड़कर पूरी तरह से नए, अस्थिर परमाणु बना सकते हैं जिन्हें रेडियोआइसोटोप कहा जाता है। वैज्ञानिक इन नए परमाणुओं के बारे में बहुत गहराई से सोचते हैं क्योंकि ये केवल जिज्ञासा के विषय नहीं हैं; वे अत्यंत महत्वपूर्ण उपकरण हैं। कुछ का उपयोग ट्यूमर में सीधे विकिरण पहुँचाकर कैंसर के इलाज के लिए किया जाता है, जबकि अन्य 'ट्रेसर' के रूप में कार्य करते हैं जो डॉक्टरों को विशेष कैमरों का उपयोग करके मानव शरीर के भीतर देखने की अनुमति देते हैं। इन उपकरणों को सुरक्षित और प्रभावी ढंग से उपयोग करने के लिए, वैज्ञानिकों को यह सटीक रूप से जानना आवश्यक है कि विभिन्न ऊर्जा स्तरों पर प्रत्येक नए परमाणु का कितना निर्माण होता है। इसके लिए 'क्रॉस-सेक्शन' को मापना आवश्यक होता है, जो अनिवार्य रूप से टक्कर होने की संभावना को मापने का एक तरीका है। हालाँकि, जब सामग्री स्ट्रोंटियम जैसा धातु हो, तो इन प्रयोगों के लिए आवश्यक लक्ष्यों को बनाना बेहद कठिन होता है क्योंकि यह हवा और नमी के साथ हिंसक रूप से प्रतिक्रिया करता है, जिससे इसे अन्य धातुओं की तरह पतली चादरों में रोल करना असंभव हो जाता है।

जापान के RIKEN में शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस बाधा को दूर करने का एक चतुर तरीका खोजा है, और उन्होंने एक नवीन लक्ष्य तैयारी पद्धति का उपयोग करके पहली बार इन टक्कर की संभावनाओं को सफलतापूर्वक मापा है। एक पतली धातु की चादर बनाने की कोशिश करने के बजाय, उन्होंने स्ट्रोंटियम के घोल की नन्ही बूंदों को एल्युमीनियम फॉयल पर जमा करने के लिए एक मानक वाणिज्यिक इंकजက် प्रिंटर का उपयोग किया। जैसे ही तरल सूखा, इसने स्ट्रोंटियम नाइट्रेट क्रिस्टल की एक समान परत छोड़ दी, जो इतनी पतली थी कि कण की बीम इसके माध्यम से गुजर सके लेकिन इतनी घनी भी थी कि आवश्यक प्रतिक्रियाएं उत्पन्न कर सके। टीम ने इन प्रिंट किए गए लक्ष्यों पर 24 मिलियन इलेक्ट्रॉन वोल्ट तक की ऊर्जा वाले ड्यूटेरॉन की बीम छोड़ी। परिणामी रेडियोधर्मी परमाणुओं द्वारा उत्सर्जित गामा किरणों को सावधानीपूर्वक मापकर, वे इस बात का मानचित्र तैयार करने में सक्षम रहे कि प्रत्येक ऊर्जा स्तर पर कितना यिट्रियम (yttrium) उत्पन्न हुआ। यह कार्य महत्वपूर्ण है क्योंकि यह सिद्ध करता है कि इंकजက် प्रिंटिंग उच्च गुणवत्ता वाले लक्ष्यों को बनाने के लिए एक विश्वसनीय उपकरण हो सकती है, जिससे उन तत्वों के अध्ययन का मार्ग प्रशert हो गया है जिन्हें पहले संभालना बहुत कठिन था।

शोधकर्ताओं ने यिट्रियम के कई अलग-अलग रूपों को बनाने पर ध्यान केंद्रित किया, जो कि स्ट्रोंटियम के रासायनिक रूप से समान है लेकिन इसके गुण अलग हैं। सबसे महत्वपूर्ण निष्कर्षों में से एक उस विशिष्ट, अल्पकालिक यिट्रियम रूप का पहली बार मापन था, जिसे 86mY के रूप में जाना जाता है। उन्होंने 86gY, 87mY, 87gY और 88Y सहित अन्य रूपों के उत्पादन को भी ऊर्जा की एक विस्तृत श्रृंखला में मापा। अपने परिणामों की सटीकता सुनिश्चित करने के लिए, उन्होंने अपने डेटा की मौजूदा रिकॉर्ड और कंप्यूटर भविष्यवाणियों के साथ तुलना की। उन्होंने पाया कि उनके माप आम तौर पर पिछले अध्ययनों से मेल खाते थे, हालांकि कम ऊर्जा सीमा में वे थोड़े अधिक थे जहाँ प्रतिक्रियाएं अभी शुरू ही हुई थीं। जब उन्होंने अपने परिणामों की तुलना TENDL-2023 लाइब्रेरी से की, जो वैज्ञानिकों द्वारा परमाणु व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए उपयोग किया जाने वाला एक प्रमुख डेटाबेस है, तो उन्होंने पाया कि कंप्यूटर मॉडल यिट्रियम के उत्पादन की मात्रा को बढ़ा-चढ़ाकर बताते हैं, विशेष रूप से कम ऊर्जा पर। यह विसंगति महत्वपूर्ण है क्योंकि यह डेटाबेस बनाने वालों को बताती है कि उनके मॉडलों को वास्तविकता को बेहतर ढंग से दर्शाने के लिए सूक्ष्म सुधार (fine-tuning) की आवश्यकता है।

इस प्रयोग की सफलता काफी हद तक लक्ष्यों की गुणवत्ता पर निर्भर करती है। शोधकर्ताओं ने 'ऑटोरेडियोग्राफी' नामक तकनीक का उपयोग किया, जिसमें रेडियोधर्मी पदार्थ कहाँ जमा हुआ है यह देखने के लिए लक्ष्य के ऊपर एक विशेष इमेजिंग प्लेट रखी जाती है। इस विश्लेषण ने दिखाया कि इंकजက်-प्रिंटेड लक्ष्य उल्लेखनीय रूप से समान थे, जिनमें मोटाई का अंतर तीन प्रतिशत से भी कम था। निरंतरता का यह स्तर अत्यंत महत्वपूर्ण है क्योंकि लक्ष्य की किसी भी असमानता से कण बीम की ऊर्जा विकृत हो सकती है और परिणामों को गलत कर सकती है। यह पुष्टि करके कि प्रिंट किए गए बिंदु समान रूप से फैले हुए थे और लक्ष्यों के ढेर से गुजरते समय बीम की ऊर्जा स्थिर रही, टीम अपने आंकड़ों पर भरोसा कर सकी। उन्होंने अपने बीम सेटिंग्स की दोबारा जांच करने के लिए कॉपर (तांबा) के एक निगरानी प्रतिक्रिया का भी उपयोग किया, जिससे पता चला कि उनका प्रयोगात्मक सेटअप बिल्कुल उम्मीद के अनुसार काम कर रहा था।

इन मापों के निहितार्थ केवल डेटा तालिका में एक कमी को भरने से कहीं अधिक हैं। यह डेटा विशिष्ट चिकित्सा आइसोटोप के उत्पादन की समझ को परिष्कृत करने में मदद करता है। उदाहरण के लिए, इस प्रयोग में अध्ययन की गई ऊर्जा सीमा 88Y के उत्पादन के लिए इष्टतम स्थितियों के अनुरूप है, जो विकिरण डिटेक्टरों को कैलिब्रेट करने के लिए उपयोगी एक दीर्घकालिक आइसोटोप है। अन्य आइसोटोप के लिए, हालांकि बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए उच्च ऊर्जा को प्राथमिकता दी जाती है, यहाँ दिए गए निम्न-ऊर्जा डेटा एक महत्वपूर्ण बेंचमार्क के रूप में कार्य करता है। यह वैज्ञानिकों को यह सत्यापित करने की अनुमति देता है कि उनके सैद्धांतिक मॉडल सही हैं, जो वांछित चिकित्सा आइसोटोप के साथ कितनी अशुद्धियाँ बन सकती हैं, इसकी भविष्यवाणी करने के लिए आवश्यक है। यह प्रदर्शित करके कि इंकजက် प्रिंटिंग स्ट्रोंटियम जैसी प्रतिक्रियाशील धातुओं के लिए लक्ष्य बना सकती है, यह अध्ययन भविष्य के प्रयोगों के लिए एक नया, व्यावहारिक मार्ग प्रदान करता है, जिससे यह सुनिश्चित होता है कि चिकित्सा और वैज्ञानिक अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक परमाणु डेटा निरंतर अधिक सटीक और विश्वसनीय होता रहे।