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

在核科学领域，研究人员经常需要了解原子在被高速运动的粒子撞击时的行为。想象一个由特定元素（如锶）制成的靶材，正处于氘离子束中。氘离子是重氢核的一种类型。当这些粒子发生碰撞时，它们可能会从锶原子中撞出碎片，或者与它们融合，从而产生全新的、不稳定的原子，即放射性同位素。科学家们非常关注这一过程，因为这些新原子不仅仅是奇闻异事；它们是至关重要的工具。其中一些用于通过直接向肿瘤输送辐射来治疗癌症，而另一些则作为示踪剂，让医生能够利用特殊的照相机观察人体内部。为了安全且有效地使用这些工具，科学家必须准确了解在不同能量水平下会产生多少种这样的新原子。这需要测量所谓的“截面”（cross-section），这本质上是一种量化碰撞发生概率的方法。然而，在制作此类实验所需的靶材时，如果材料是像锶这样的金属，情况会变得异常困难，因为这种金属会与空气和水分发生剧烈反应，导致无法将其压制成薄片。

日本理化学研究所（RIKEN）的一个研究小组找到了一种巧妙的方法来绕过这一障碍，首次使用一种新型靶材制备方法成功测量了这些碰撞概率。他们没有尝试锻造薄金属片，而是使用标准的商用喷墨打印机将微小的锶溶液液滴沉积在薄铝箔上。随着液体干燥，它留下了一层均匀的硝酸锶晶体，这层晶体既足够薄以允许粒子束穿过，又足够密以产生必要的反应。该团队使用能量高达 2400 万电子伏特的氘离子束射向这些打印出的靶材。通过仔细测量由此产生的放射性原子所释放出的伽马射线，他们能够精确绘制出在每个能量水平下产生的钇的量。这项工作具有重要意义，因为它证明了喷墨打印可以成为创建高质量核物理靶材的可靠工具，为研究此前难以处理的元素打开了大门。

研究人员专注于制造几种不同形式的钇，钇是一种与锶化学性质相似但放射性特性不同的元素。最重要的发现之一是，他们首次测量了已知为 $^{86\text{m}}\text{Y}$ 的特定短寿命钇同位素的产量。他们还测量了包括 $^{86\text{g}}\text{Y}$、$^{87\text{m}}\text{Y}$、$^{87\text{g}}\text{Y}$ 和 $^{88}\text{Y}$ 在内的其他形式在广泛能量范围内的产量。为了确保结果的准确性，他们将数据与现有的记录和计算机预测进行了对比。他们发现，他们的测量结果总体上与之前的研究相符，但在反应刚刚开始的低能区略高。当他们将结果与 TENDL-2023 库（一个用于预测核行为的主要数据库）进行比较时，发现计算机模型往往高估了钇的产量，特别是在较低能量范围内。这种差异非常重要，因为它告诉数据库创建者，他们的模型需要进行微调，以更好地反映现实。

实验的成功很大程度上取决于靶材的质量。研究人员使用了一种称为自显影术（autoradiography）的技术，即在靶材上放置一个特殊的成像板，以观察放射性物质究竟沉积在何处。这种分析表明，喷墨打印的靶材具有极高的均匀性，其厚度变化小于 3%。这种一致性至关重要，因为靶材的任何不均匀都可能扭曲粒子束的能量并使结果产生偏差。通过确认打印的点分布均匀，并且束流能量在穿过靶材堆时保持稳定，团队得以信任他们的数字。他们还使用了一个涉及铜的监测反应来复核他们的束流设置，发现其实验装置的表现完全符合预期。

这些测量结果的影响不仅限于填补数据表中的空白。这些数据有助于完善生产特定医用同位素的理解。例如，本实验研究的能量范围对应于生产 $^{88}\text{Y}$ 的最佳条件，$^{88}\text{Y}$ 是一种用于校准辐射探测器的长寿命同位素。对于其他同位素，虽然大规模生产通常倾向于使用更高能量，但此处提供的低能数据起到了关键基准的作用。它使科学家能够验证其理论模型是否正确，这对于预测在生产所需医用同位素的同时可能会产生多少杂质至关重要。通过证明喷墨打印可以创建针对锶这类反应性金属的靶材，这项研究为未来的实验提供了一条新的实用路径，确保用于医疗和科学应用的核数据能够持续变得更加精确和可靠。