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

핵과학 분야에서 연구자들은 종종 빠른 속도로 움직이는 입자에 의해 원자가 어떻게 반응하는지 이해해야 할 필요가 있습니다. 예를 들어, 스트론튬과 같은 특정 원소로 이루어진 표적을 중수소 이온(deuterons, 무거운 수소 핵의 일종)의 빔 속에 놓았다고 가정해 봅시다. 이 입자들이 충돌할 때, 이들은 스트론튬 원자에서 조각들을 떼어내거나 그들과 융합하여 완전히 새로운 불안정한 원자인 방사성 동위원소를 생성합니다. 과학자들이 이 과정을 중요하게 여기는 이유는 이 새로운 원자들이 단순한 호기심의 대상이 아니라 필수적인 도구이기 때문입니다. 어떤 것들은 종양에 직접 방사선을 전달하여 암을 치료하는 데 사용되며, 다른 것들은 의사들이 특수 카메라를 통해 인체 내부를 볼 수 있게 해주는 추적자 역할을 합니다. 이러한 도구들을 안전하고 효과적으로 사용하기 위해서, 과학자들은 각 에너지 수준에서 각각의 새로운 원자가 얼마나 많이 생성되는지를 정확히 알아야 합니다. 이를 위해서는 '단면적(cross-section)'이라 불리는 것을 측정해야 하는데, 이는 본질적으로 충돌이 일어날 확률을 정량화하는 방법입니다. 그러나 실험에 필요한 표적을 만드는 것은 금속인 스트론튬의 경우 매우 까다로운 일인데, 왜냐하면 스트론튬은 공기 및 수분과 격렬하게 반응하여 다른 금속들처럼 얇은 판으로 펴는 것이 불가능하기 때문입니다.

일본의 RIKEN 연구팀은 이러한 장애물을 극복할 영리한 방법을 찾아냈으며, 새로운 표적 제조법을 사용하여 이 충돌 확률을 최초로 성공적으로 측정했습니다. 얇은 금속판을 주조하려고 노력하는 대신, 그들은 표준 상용 잉크젯 프린터를 사용하여 스트론튬 용액의 미세한 방울을 얇은 알루미늄 박 위에 분사했습니다. 액체가 마르면서 그 자리에 균일한 질산 스트론튬 결정층이 남게 되었는데, 이 층은 입자 빔이 통과할 수 있을 만큼 충분히 얇으면서도 필요한 반응을 일으킬 수 있을 만큼 충분히 밀도가 높았습니다. 연구팀은 최대 2400만 전자볼트의 에너지를 가진 중수소 이온 빔을 이 인쇄된 표적들에 발사했습니다. 생성된 방사성 원자들로부터 방출되는 감마선을 정밀하게 측정함으로써, 그들은 각 에너지 수준에서 유트륨이 얼마나 생성되는지를 정확하게 지도화할 수 있었습니다. 이 연구는 잉크젯 인쇄가 핵물리학을 위한 고품질 표적을 만드는 신뢰할 수 있는 도구가 될 수 있음을 증명하며, 이전에는 다루기 너무 어려웠던 원소들을 연구할 수 있는 길을 열어주었다는 점에서 매우 중요합니다.

연구진은 스트론튬과 화학적으로 유사하지만 방사성 특성이 다른 원소인 유트륨의 여러 가지 형태를 만드는 데 집중했습니다. 가장 중요한 발견 중 하나는 86mY로 알려진 특정 단수명 유트륨 형태가 얼마나 생성되는지에 대한 최초의 측정치였습니다. 또한 그들은 86gY, 87mY, 87gY, 88Y를 포함한 다른 형태들의 생성을 넓은 에너지 범위에 걸쳐 측정했습니다. 결과의 정확성을 보장하기 위해, 그들은 자신들의 데이터를 기존 기록 및 컴퓨터 예측값과 비교했습니다. 그들은 자신들의 측정값이 기존 연구와 대체로 일치하지만, 반응이 막 시작되는 저에너지 영역에서는 약간 더 높다는 것을 발견했습니다. 연구진이 핵 행동을 예측하는 데 사용되는 주요 데이터베이스인 TENDL-2023 라이브러리와 결과를 비교했을 때, 컴퓨터 모델이 유트륨 생성량을 과대평가하는 경고를 발견했는데, 특히 낮은 에너지 영역에서 그러했습니다. 이러한 불일치는 데이터베이스 제작자들에게 자신들의 모델이 현실을 더 잘 반영하도록 미세 조정이 필요하다는 점을 알려준다는 점에서 중요합니다.

이 실험의 성공은 표적의 품질에 크게 의존합니다. 연구진은 표적 위에 특수 이미징 플레이트를 배치하여 방사성 물질이 정확히 어디에 증착되었는지 확인하는 '자기 촬영법(autoradiography)'이라는 기술을 사용했습니다. 이 분석을 통해 잉크젯으로 인쇄된 표적들이 두께 변화가 3% 미만일 정도로 매우 균일하다는 것이 밝혀졌습니다. 이러한 일관성은 매우 중요한데, 표적의 불균일함이 입자 빔의 에너지를 왜곡시켜 결과를 왜곡시킬 수 있기 때문입니다. 인쇄된 점들이 고르게 퍼져 있고 빔 에너지가 표적 층을 통과할 때 안정적으로 유지됨을 확인함으로써, 연구팀은 자신들의 수치를 신뢰할 수 있었습니다. 또한 그들은 구리를 이용한 모니터링 반응을 사용하여 빔 설정을 재확인하였으며, 실험 설정이 예상대로 정확하게 작동하고 있음을 발견했습니다.

이 측정값들이 갖는 함의는 단순히 데이터 테이블의 빈칸을 채우는 것을 넘어섭니다. 이 데이터는 특정 의료용 동위원소를 생산하는 방법에 대한 이해를 정교하게 만드는 데 도움을 줍니다. 예를 들어, 이번 실험에서 연구된 에너지 범위는 방사선 검출기를 교정하는 데 유용한 장수명 동위원소인 88Y를 생산하기 위한 최적의 조건에 해당합니다. 다른 동위원소들의 경우, 대규모 생산을 위해서는 높은 에너지가 선호되기도 하지만, 여기서 제공된 저에너지 데이터는 중요한 기준점 역할을 합니다. 이는 과학자들이 자신들의 이론적 모델이 올바른지 검증할 수 있게 해주며, 이는 원하는 의료용 동위원소와 함께 얼마나 많은 불순물이 생성될지를 예측하는 데 필수적입니다. 잉크젯 인쇄가 스트론튬과 같은 반응성 금속을 위한 표적을 만들 수 있음을 보여줌으로써, 이 연구는 향가 미래의 실험들을 위한 새로운 실용적 경로를 제시하며, 의료 및 과학적 응용을 위한 핵 데이터가 계속해서 더욱 정밀하고 신뢰할 수 있게 되도록 보장합니다.