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

核科学の世界において、研究者たちは、原子が高速で移動する粒子によって衝突を受けた際にどのように振る舞うかを理解する必要があることがよくあります。例えば、ストロンチウムのような特定の元素で作られた標的が、重水素の原子核の一種である重陽子のビームの中に置かれている場面を想像してみてください。これらの粒子が衝突すると、ストロンチウム原子の一部を叩き出したり、あるいはそれらと融合したりして、全く新しい不安定な原子である放射性同位体を作り出します。科学者がこのプロセスを深く重視するのは、これらの新しい原子が単なる珍しい存在ではなく、極めて重要な道具だからです。中には、腫瘍に直接放射線を届けることでがん治療に使用されるものもあれば、医師が特殊なカメラを用いて人体内部を観察することを可能にするトレーサーとして機能するものもあります。これらのツールを安全かつ効果的に使用するために、科学者は異なるエネルギーレベルにおいて、それぞれの新しい原子がどれだけ生成されるかを正確に知っておく必要があります。これには「断面積」と呼ばれるものの測定が必要であり、これは本質的に、衝突が起こる可能性を定量化する方法です。しかし、ストロンチウムのような金属の場合、その標的を作ることは非常に困難です。なぜなら、ストロンチウムは空気や水分と激しく反応するため、他の金属のように薄いシート状に圧延することが不可能だからです。

日本の理化学研究所の研究チームは、この障害を回避する巧妙な方法を見出し、新しい標的作製法を用いて、これらの衝突確率を初めて測定することに成功しました。薄い金属シートを鍛造しようとする代わりに、彼らは標準的な市販のインクジェットプリンターを使用して、ストロンチウム溶液の微細な液滴を薄いアルミニウム箔上に堆積させました。液体が乾燥すると、背後に均一な硝酸ストロンチウムの結晶層が残り、これは粒子ビームを通過させるのに十分薄く、かつ必要な反応を起こすのに十分な密度を持っていました。チームは、最大2400万電子ボルトのエネルギーを持つ重陽子ビームをこれらのプリントされた標的に照射しました。生成された放射性原子から放出されるガンマ線を注意深く測定することで、各エネルギーレベルにおいてどの程度のイットリウムが生成されたかを正確にマッピングすることができました。この研究は、インクジェット印刷が核物理学のための高品質な標的を作成するための信頼できるツールであることを証明しており、これまで扱うのが困難であった元素の研究への扉を開くものです。

研究者たちは、ストロンチウムと化学的に似ているものの、異なる放射能特性を持つ元素であるイットリウムの、いくつかの異なる形態を作成することに焦点を当てました。最も重要な発見の一つは、86mYとして知られる特定の短寿命のイットリウム形態がどれだけ生成されるかに関する初の世界初の測定でした。彼らはまた、幅広いエネルギー範囲にわたって、86gY、87mY、87gY、および88Yを含む他の形態の生成量も測定しました。結果の正確性を確保するため、彼らは既存の記録やコンピュータによる予測と比較を行いました。その結果、彼らの測定値は概ね過去の研究と一致していましたが、反応が始まる低エネルギー領域では、わずかに高い値を示しました。彼らが、核挙動を予測するために科学者が使用する主要なデータベースであるTELD-2023ライブラリと比較したところ、コンピュータモデルはイットリウムの生成量を、特に低エネルギーにおいて過大評価する傾向があることが判明しました。この不一致は重要であり、データベースの作成者に対して、現実をより正確に反映させるためにモデルの微調整が必要であることを示唆しています。

この実験の成功は、標的の品質に大きく依存しています。研究者たちは、標的の上に特殊なイメージングプレートを置いて、放射性物質がどこに堆積しているかを正確に確認するオートグラフィという技術を用いました。この分析により、インクジェット印刷された標的は極めて均一であり、厚さの変動は3パーセント未満であることが示されました。このレベルの一貫性は極めて重要です。なぜなら、標的の不均一性は粒子ビームのエネルギーを歪ませ、結果を狂わせる可能性があるからです。プリントされたドットが均一に広がっており、標的のスタックを通過する際のビームエネルギーが安定していることを確認することで、チームは自分たちの数値に信頼を置くことができました。彼らはまた、銅を用いたモニタリング反応を使用してビームの設定を再確認し、実験セットアップが期待通りに動作していることを突き止めました。

これらの測定が持つ意味は、単にデータテーブルの空白を埋めることにとどまりません。このデータは、特定の医療用アイソトープを製造する方法の理解を深めるのに役立ちます。例えば、今回の実験で研究されたエネルギー範囲は、放射線検出器の校正に有用な長寿命のアイソトープである88Yを製造するための最適条件に対応しています。他のアイソトープについては、大規模な生産にはより高いエネルギーが好まれることが多いものの、ここで提供された低エネルギーのデータは、重要なベンチマークとして機能します。これにより、科学者は理論モデルが正しいかどうかを検証することができ、これは望ましい医療用アイソトープと共にどれほどの不純物が生成されるかを予測する上で不可欠です。インクジェット印刷がストロンチウムのような反応性の高い金属の標的を作成できることを実証したことで、本研究は将来の実験に向けた新しい実用的な道筋を提示しており、医療および科学的応用のために必要な核データの精度と信頼性が今後も向上し続けることを保証するものです。