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

In de wereld van de kernwetenschap moeten onderzoekers vaak begrijpen hoe atomen zich gedragen wanneer ze worden geraakt door snel bewegende deeltjes. Stel je een doelwit voor gemaakt van een specifiek element, zoals strontium, dat zich in een bundel van deuteronen bevindt, wat een type zware waterstofkern is. Wanneer deze deeltjes botsen, kunnen ze stukjes van de strontiumatomen afslaan of ermee versmelten, waardoor er geheel nieuwe, onstabiele atomen ontstaan: radio-isotopen. Wetenschappers geven veel om dit proces omdat deze nieuwe atomen niet slechts curiositeiten zijn; ze zijn vitale instrumenten. Sommigen worden gebruikt om kanker te behandelen door straling direct naar tumoren te leveren, terwijl anderen fungeren als tracers waarmee artsen in het menselijk lichaam kunnen kijken met speciale camera's. Om deze instrumenten veilig en effectief te kunnen gebruiken, moeten wetenschappers precies weten hoeveel van elk nieuw atoom wordt geproduceerd bij verschillende energieniveaus. Hiervoor is het meten van iets dat een dwarsdoorsnede (cross-section) wordt genoemd nodig, wat in essentie een manier is om de waarschijnlijkheid van een botsing te kwantificeren. Het maken van de doelwitten die nodig zijn voor deze experimenten is echter berucht moeilijk wanneer het materiaal een metaal zoals strontium is, dat heftig reageert met lucht en vocht, waardoor het onmogelijk is om het in dunne platen te rollen zoals andere metalen.

Een team onderzoekers bij RIKEN in Japan heeft een slimme manier gevonden om dit obstakel te omzeilen, waarbij zij voor het eerst deze botsingskansen succesvol hebben gemeten met behulp van een nieuwe methode voor doelwitvoorbereiding. In plaats van te proberen een dunne metaalplaat te smeden, gebruikten zij een standaard commerciële inkjetprinter om minuscule druppeltjes van een strontiumoplossing op een dun aluminiumfolie te deponeren. Terwijl de vloeistof opdroogde, liet het een uniforme laag strontiumnitraatkristallen achter, die dun genoeg was om de deeltjesbundel door te laten, maar dicht genoeg om de noodzakelijke reacties te veroorzaken. Het team vuurde een bundel deuteronen af met energieën tot 24 miljoen elektronvolt op deze geprinte doelwitten. Door zorgvuldig de gammastraling te meten die door de resulterende radioactieve atomen wordt uitgezonden, waren zij in staat om exact in kaart te brengen hoeveel yttrium bij elk energieniveau werd geproduceerd. Dit werk is significant omdat het bewijst dat inkjetprinten een betrouwbaar hulpmiddel kan zijn voor het creëren van hoogwaardige doelwitten voor de kernfysica, wat de deur opent naar het bestuderen van elementen die voorheen te moeilijk te hanteren waren.

De onderzoekers richtten zich op het creëren van verschillende vormen van yttrium, een element dat chemisch vergelijkbaar is met strontium maar andere radioactieve eigenschappen heeft. Een van de belangrijkste bevindingen was de eerste meting van de productie van een specifieke, kortlevende vorm van yttrium, bekend als 86mY. Ze maten ook de productie van andere vormen, waaronder 86gY, 87mY, 87gY en 88Y, over een breed bereik aan energieën. Om de nauwkeurigheid van hun resultaten te waarborgen, vergeleken ze hun gegevens met bestaande records en computervoorspellingen. Ze stelden vast dat hun metingen over het algemeen overeenkwamen met eerdere studies, hoewel ze iets hoger lagen in het lage-energetische bereik waar de reacties net beginnen. Wanneer ze hun resultaten vergeleken met de TENDL-2023 bibliotheek, een belangrijke database die door wetenschappers wordt gebruikt om nucleair gedrag te voorspellen, ontdekten ze dat de computermodellen de hoeveelheid geproduceerde yttrium de neiging hadden om te overschatten, met name bij lagere energieën. Deze discrepantie is belangrijk omdat het database-makers vertelt dat hun modellen verfijning nodig hebben om de werkelijkheid beter te weerspiegelen.

Het succes van dit experiment rust zwaar op de kwaliteit van de doelwitten. De onderzoekers gebruikten een techniek genaamd autoradiografie, waarbij een speciale beeldplaat over het doelwit wordt geplaatst om precies te zien waar het radioactieve materiaal is afgezet. Deze analyse toonde aan dat de met inkjet geprinte doelwitten opmerkelijk uniform waren, met variaties in dikte van minder dan drie procent. Dit niveau van consistentie is cruciaal, omdat enige ongelijkmatigheid in het doelwit de energie van de deeltjesbundel kan verstoren en de resultaten kan vervormen. Door te bevestigen dat de geprinte puntjes gelijkmatig verdeeld waren en dat de energie van de bundel stabiel bleef terwijl deze door de stapel doelwitten trok, konden de onderzoekers hun cijfers vertrouwen. Ze gebruikten ook een monitoringsreactie met behulp van koper om hun instellingen van de bundel te controleren, waarbij ze vaststelden dat hun experimentele opstelling precies presteerde zoals verwacht.

De implicaties van deze metingen reiken verder dan alleen het opvullen van een gat in een datatabel. De gegevens helpen bij het verfijnen van het begrip over hoe specifieke medische isotopen geproduceerd kunnen worden. Zo komt het in dit experiment bestudeerde energiebereik overeen met de optimale condities voor de productie van 88Y, een langlevende isotoop die nuttig is voor het kalibreren van stralingsdetectoren. Voor de andere isotopen geldt dat, hoewel hogere energieën vaak de voorkeur genieten voor grootschalige productie, de hier gepresenteerde lage-energiegegevens dienen als een kritieke benchmark. Het stelt wetenschappers in staat om te verifiëren of hun theoretische modellen correct zijn, wat essentieel is voor het voorspellen van hoeveel onzuiverheden er naast de gewenste medische isotoop kunnen worden aangemaakt. Door aan te tonen dat inkjetprinten doelwitten kan creëren voor reactieve metalen zoals strontium, biedt deze studie een nieuwe, praktische weg voor toekomstige experimenten, waardoor wordt gewaarborgd dat de nucleaire data die nodig zijn voor medische en wetenschappelijke toepassingen steeds nauwkeuriger en betrouwbaarder worden.