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

No mundo da ciência nuclear, pesquisadores frequentemente precisam entender como os átomos se comportam quando são atingidos por partículas de alta velocidade. Imagine um alvo feito de um elemento específico, como o estrôncio, posicionado em um feixe de deutons, que são um tipo de núcleo de hidrogênio pesado. Quando essas partículas colidem, elas podem arrancar pedaços dos átomos de estrôncio ou fundir-se com eles, criando novos átomos instáveis chamados radioisótopos. Os cientistas se preocupam profundamente com esse processo porque esses novos átomos não são apenas curiosidades; eles são ferramentas vitais. Alguns são usados para tratar o câncer, entregando radiação diretamente aos tumores, enquanto outros atuam como traçadores que permitem aos médicos ver o interior do corpo humano usando câmeras especiais. Para usar essas ferramentas de forma segura e eficaz, os cientistas devem saber exatamente quanto de cada novo átomo é criado em diferentes níveis de energia. Isso requer a medição de algo chamado seção de choque, que é essencialmente uma forma de quantificar a probabilidade de uma colisão ocorrer. No entanto, a fabricação dos alvos necessários para esses experimentos é notoriamente difícil quando o material é um metal como o estrôncio, que reage violentamente com o ar e a umidade, tornando impossível laminá-lo em folhas finas como outros metais.

Uma equipe de pesquisadores do RIKEN, no Japão, encontrou uma maneira inteligente de contornar esse obstáculo, medindo com sucesso essas probabilidades de colisão pela primeira vez usando um novo método de preparação de alvos. Em vez de tentar forjar uma folha de metal fina, eles usaram uma impressora jato de tinta comercial padrão para depositar minúsculas gotas de uma solução de estrôncio sobre uma fina folha de alumínio. À medida que o líquido secava, ele deixava para trás uma camada uniforme de cristais de nitrato de estrôncio, fina o suficiente para permitir a passagem do feixe de partículas, mas densa o suficiente para criar as reações necessárias. A equipe disparou um feixe de deutons com energias de até 24 milhões de elétron-volts nesses alvos impressos. Ao medir cuidadosamente os raios gama emitidos pelos átomos radioativos resultantes, eles conseguiram mapear exatamente quanto de ítrio foi produzido em cada nível de energia. Este trabalho é significativo porque prova que a impressão a jato de tinta pode ser uma ferramenta confiável para a criação de alvos de alta qualidade para a física nuclear, abrindo as portas para o estudo de elementos que eram anteriormente difíceis demais de manipular.

Os pesquisadores focaram na criação de várias formas diferentes de ítrio, um elemento que é quimicamente semelhante ao estrôncio, mas possui propriedades radioativas diferentes. Entre as descobertas mais importantes estava a primeira medição de quanto de uma forma específica e de vida curta de ítrio, conhecida como 86mY, é produzida. Eles também mediram a produção de outras formas, incluindo 86gY, 87mY, 87gY e 88Y, através de uma ampla gama de energias. Para garantir a precisão de seus resultados, eles compararam seus dados com registros existentes e previsões de computador. Eles descobriram que suas medições geralmente coincidiam com estudos anteriores, embora fossem ligeiramente superiores na faixa de baixa energia, onde as reações apenas começam. Ao comparar seus resultados com a biblioteca TENDL-2023, um grande banco de dados usado por cientistas para prever o comportamento nuclear, eles descobriram que os modelos de computador tendiam a superestimar a quantidade de ítrio produzida, particularmente em energias mais baixas. Essa discrepância é importante porque diz aos criadores de bancos de dados que seus modelos precisam de ajustes para refletir melhor a realidade.

O sucesso deste experimento depende fortemente da qualidade dos alvos. Os pesquisadores utilizaram uma técnica chamada autorradiografia, que envolve colocar uma placa de imagem especial sobre o alvo para ver exatamente onde o material radioativo foi depositado. Esta análise mostrou que os alvos impressos por jato de tinta eram extraordinariamente uniformes, com variações de espessura inferiores a três por cento. Esse nível de consistência é crucial, pois qualquer irregularidade no alvo poderia distorcer a energia do feixe de partículas e enviesar os resultados. Ao confirmar que os pontos impressos estavam espalhados uniformemente e que a energia do feixe permaneceu estável ao passar pela pilha de alvos, a equipe pôde confiar em seus números. Eles também utilizaram uma reação de monitoramento envolvendo cobre para verificar duas vezes suas configurações de feixe, constatando que sua configuração experimental estava funcionando exatamente como o esperado.

As implicações dessas medições estendem-se além de apenas preencher uma lacuna em uma tabela de dados. Os dados ajudam a refinar a compreensão de como produzir isótopos médicos específicos. Por exemplo, a faixa de energia estudada neste experimento corresponde às condições ideais para a produção de 88Y, um isótopo de vida longa útil para calibrar detectores de radiação. Para os outros isótopos, embora energias mais altas sejam frequentemente preferidas para a produção em larga escala, os dados de baixa energia fornecidos aqui servem como um marco crítico. Eles permitem que os cientistas verifiquem se seus modelos teóricos estão corretos, o que é essencial para prever quanta impureza pode ser criada junto com o isótopo médico desejado. Ao demonstrar que a impressão a jato de tinta pode criar alvos para metais reativos como o estrôncio, este estudo oferece um novo caminho prático para futuros experimentos, garantindo que os dados nucleares necessários para aplicações médicas e científicas tornem-se cada vez mais precisos e confiáveis.