Szabadulás az izotópcsapdából: új mérési eljárás született
A 65Cu(γ,n)64Cu reakció jelentősége nemcsak az orvosi felhasználásban, hanem a magfizikában is megkerülhetetlen. A 64Cu rövid felezési idejű radioizotóp, amely pozitron- és elektronkibocsátásra is képes, így kiválóan alkalmazható PET-ben, SPECT-ben és tumorok sugárterápiájában. Szerepet játszik a nukleáris szerkezetek és a csillagképződési folyamatok kutatásában is.
Hagyományosan a keresztmetszet megméréséhez nagy tisztaságú 65Cu izotópot használnak, amely nehezen beszerezhető és drága, ezzel pedig a kísérletezést és a továbblépést is komolyan akadályozta. Ráadásul a korábbi adatok között jelentős eltérések mutatkoztak, főképp a nagy energiájú tartományokban: ezek oka rendszerint a mérési csatornák téves besorolása, illetve a hagyományos, fékezési sugárzást alkalmazó és menet közbeni (in-flight) pozitronsugárforrások szisztematikus hibái.
Itt hoz áttörést a Shanghai Light Source SLEGS kísérleti létesítmény: a lézeres Compton-szórás révén előállított, magas energiájú és szinte monokromatikus sugárnyaláb biztosítja a precizitást, ami révén végre a mérési adathiány is megszűnhet.
Innovatív kísérleti felállás és precíz adatfeldolgozás
A kutatók a SLEGS kísérleti berendezéssel dolgoztak, amely fordított Compton-szórást alkalmaz: 3,5 GeV energiájú elektronok ütköznek 10,64 μm hullámhosszú CO2-lézerfotonokkal, amelyből 0,66–21,7 MeV-re állítható monokromatikus nyaláb jön létre, tized-MeV-es finomsággal. A neutronok méréséhez 26 proporcionális számlálóból álló He állandó hatásfokú detektorrendszert (FED) használtak, hatásfokát 42,1±1,25%-ra kalibrálták 252Cf forrással.
A természetes réz céltárgy 3,15 grammot nyomott, kémiai tisztasága 99,99% felett volt, izotóparányai pedig: 69,15% 63Cu, 30,85% 65Cu. A 11,09–17,87 MeV tartományban 44 különböző energiaponton történt a mérés – az adatelemzéshez direkt unfolding eljárást és a Geant4-gyel számított detektor-válaszmátrixot párosítottak, így a monokromatikus keresztmetszet pontosan meghatározhatóvá vált.
Az eljárás lényege, hogy a natCu izotóparányai és a korábban mért 63Cu(γ,n) keresztmetszetek alapján, azonos energiaablakban a detektált neutronokat szét lehet bontani. A számított 63Cu-hozzájárulást kivonva a teljes mérési eredményből, izolálható a 65Cu(γ,n)64Cu keresztmetszet nagy pontossággal. Ezzel a statisztikai, szisztematikus (pl. detektorhatásfok, céltárgy-vastagság), valamint módszertani (felbontás, algoritmus) bizonytalanságokat is sikerült kordában tartani.
Mérési eredmények: végre egyezés, végre pontosság
A felmért monokromatikus keresztmetszeti adatok végre összhangban vannak a korábbi, megbízhatónak tekintett mérések trendjeivel (leginkább a Fultz-féle in-flight pozitronsugárzásos eredményekkel), míg a klasszikus bremsstrahlungos kísérletektől jelentősen eltérnek. Az integrál keresztmetszeti arányok szintén az új adatok pontosságát igazolják: egy neutron emissziójához szükséges energiatartományban a Fultz-nál mért adatoktól csak 0,8%, elméleti (TENDL-2021) modellektől csupán 0,4% az eltérés.
Külön figyelmet érdemel, hogy a természetes réz 65Cu aránya erősen befolyásolja a keresztmetszetet: a 65Cu mennyiségének növekedésekor csökken a fotoneutron-keresztmetszet, különösen a küszöbértékek környékén és a maximum közelében, ami rámutat: az anyag izotóparányának pontos ismerete elengedhetetlen. Felvetődik egy új ötlet is: a még precízebb méréshez érdemes lehet dúsított izotópcélokat használni kiegészítésül.
A mért keresztmetszeti adatok alapján a kutatók a 65Cu ún. erősségfüggvényét (SF) is ki tudták számolni, ezzel optimalizálták a TALYS 2.0 modelljét, és kiszámolták a 64Cu(n,γ)65Cu reakció keresztmetszetét is – megnyitva az utat, hogy a nehezen mérhető, instabil magok (n,γ) adatait is ilyen úton becsüljük.
Sokoldalú alkalmazások: energiától gyógyászatig
Az olcsóbb, egyszerűbb szubsztitúciós mérési eljárás jóval szélesebb körben használható: kifejezetten alkalmas akkor, ha a kívánt izotóp drága, nehezen készíthető vagy instabil. Ebből adódóan jelentősen csökkennek a kísérletezés költségei és a technikai korlátok.
Az atomenergiában pontosabb keresztmetszeti adatokat ad a reaktormodellekhez és a tervezéshez; a nukleáris hulladék átalakításánál hozzájárul a transzmutáció hatékonyságának javításához; az elemanalitikában segíti az érzékenység fokozását. Az orvosi izotópok terén a 65Cu(γ,n)64Cu keresztmetszet pontos kimérése optimalizálhatja a 64Cu előállítását, csökkentheti annak költségeit, elérhetővé téve például a daganatterápiában és diagnosztikában használható radiofarmakonokat.
Kitekintés: még több nukleidot térképeznének fel
A kutatócsoport tervezi, hogy a módszert más jelentős fotoneutron-reakcióra is kiterjeszti, valamint tovább javítaná az izotóparány-korrekció, illetve az adatkinyerés technikai pontosítását, így csökkentve tovább a szisztematikus hibákat.
Végül célul tűzték ki, hogy még mélyebben vizsgálják az erősségfüggvény és a magstruktúra összefüggéseit – ezzel segítve a magszintsűrűség-modellek fejlesztését, és tökéletesítve a nukleáris reakcióelméletünket.
