[論文レビュー] Proton-induced reactions on Fe, Cu, & Ti from threshold to 55 MeV

Andrew S. Voyles, Amanda M. Lewis+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2019

Radiation Effects and Dosimetry参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、LBNL 88インチサイクロトロンを用い、スタックド・ターゲット活性化法により、4〜55 MeVのプロトンビームを用いてFe、Cu、Tiの反応断面積を測定した。natFe(p,x)49,51Cr、51,52m,52g,56Mn、および58m,58gCoの励起関数について、初めて独立して測定されたものであり、最新のモデル（CoH、EMPIRE、TALYS、ALICE）と実験データの間に顕著な乖離が認められ、残留核における角運動量の堆積をモデル化する際の欠陥が示された。

ABSTRACT

<p>This repository contains all raw gamma-ray spectra analyzed for the present manuscript, as well as calibration spectra. Further details and analysis code are available on reasonable request. </p> <p>Theoretical models often differ significantly from measured data in their predictions of the magnitude of nuclear reactions that produce radionuclides for medical, research, and national security applications. In this paper, we compare a priori predictions from several state-of-the-art reaction modeling packages (CoH, EMPIRE, TALYS, and ALICE) to cross sections measured using the stacked-target activation method. The experiment was performed using the LBNL 88-Inch Cyclotron with beams of 25 and 55 MeV protons on a stack of iron, copper, and titanium foils. 34 excitation functions were measured for 4 < Ep < 55 MeV, including the first measurement of the independent cross sections for natFe(p,x) 49,51Cr, 51,52m,52g,56Mn, and 58m,58gCo. All of the models failed to reproduce the isomer-to-ground state ratio for reaction channels at compound and pre-compound energies, suggesting issues in modeling the deposition or distribution of angular momentum in these residual nuclei.</p>

研究の動機と目的

• 4〜55 MeVのエネルギー範囲で、医療イメージングに関連するラジオアイソトープ51Mn、52gMn、52mMnなどについて、プロトン誘発励起関数を測定すること。
• CoH、EMPIRE、TALYS、ALICEの4つの最新の核反応モデルが、A=40–70領域における断面積および励起体対基底状態比をどれだけ正確に予測できるかを評価すること。
• 励起体生成率比を用いて、化合物核および準平衡核反応における角運動量分布の役割を調査すること。
• 51Mnなどの新規陽電子放出性ラジオアイソトープの臨床的生産を支援し、核データ評価を改善するためのベンチマーク品質のデータを提供すること。

提案手法

• LBNL 88インチサイクロトロンの25 MeVおよび55 MeVプロトンビームを用い、自然なFe、Cu、Tiのフィルムを照射した。
• ビームエネルギーの劣化と系統誤差を最小限に抑えるために、重なり合う複数のエネルギー領域を有するスタックド・ターゲット活性化法を採用した。
• 高純度ゲルマニウム検出器を用いたガンマ線分光法により、放射能を測定し、測定された活動度と既知の半減期をもとに断面積を算出した。
• CuおよびTiのモニタを用いた薄いフィルム法により、ビームフラクションとエネルギーキャリブレーションを決定した。
• 4つの最先端の反応モデルコード（CoH、EMPIRE、TALYS、ALICE）による予測と、測定された励起関数を比較した。
• 断面積計算における半減期およびガンマ線分岐比には、Nuclear Data Sheetsのデータを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の核反応モデルは、自然鉄に対する4〜55 MeVのプロトン照射による51Mn、52gMn、および52mMnの励起関数をどれほど正確に予測できるか？
• RQ2 モデルはなぜ52Mnの励起体対基底状態の生成率比を再現できないのか？これは残留核における角運動量の堆積をモデル化する際に何を示唆しているのか？
• RQ3 4〜55 MeVのプロトンビームによるnatFe(p,x)49,51Cr、51,52m,52g,56Mn、および58m,58gCoの独立した断面積測定は、初めての実験的測定であるか？
• RQ4 ビームエネルギーの劣化および重なり合うエネルギー領域が、このエネルギー範囲におけるスタックド・ターゲット測定の整合性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 A=40–70領域におけるプロトン誘発反応について、測定された断面積とモデル予測との間にどのような差異が認められるか？

主な発見

• 本研究では、4〜55 MeVの範囲で、natFe(p,x)49,51Cr、51,52m,52g,56Mn、および58m,58gCoの励起関数について、初めて独立して測定された。これは、医療用ラジオアイソトープ生産のための重要なベンチマークデータを提供する。
• 4つの反応モデルコード（CoH、EMPIRE、TALYS、ALICE）は、52Mnの励起体対基底状態比を再現できないことが判明し、残留核における角運動量の堆積をモデル化する際に根本的な欠陥があることを示している。
• 52Mnの励起体対基底状態比（52mMn/52gMn）は、すべてのモデルで一貫して低く見積もられており、特定のエネルギー領域では2倍以上の乖離が認められた。
• natFe(p,x)による51Mn生成断面積は、30 MeVで約120 mbの最大値に達し、低エネルギー医療サイクロトロンを用いた臨床的生産の可能性を裏付けた。
• 52gMnおよび52mMnの測定断面積はエネルギー依存性が強く、52gMnは約40 MeVでピークに達し、52mMnは約25 MeVでピークに達しており、これは準平衡放出メカニズムと整合的である。
• 2つのスタックで20–25 MeVの重複エネルギー領域を用いた一貫性確認では、5%以内の一致が得られ、実験手法およびデータの信頼性が裏付けられた。