[논문 리뷰] Proton-induced reactions on Fe, Cu, & Ti from threshold to 55 MeV

Andrew S. Voyles, Amanda M. Lewis외 6명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 22.

Radiation Effects and Dosimetry참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 LBNL 88인치 사이클로트론에서 4에서 55 MeV의 프로톤을 사용하여 스택드 타겟 활성화 방법을 통해 Fe, Cu, 및 Ti에 대한 프로톤 유도 반응 단면적을 측정한다. natFe(p,x)49,51Cr, 51,52m,52g,56Mn, 및 58m,58gCo의 흥(excitation) 함수에 대한 최초의 독립 측정치를 보고하며, 최신 모델들(CoH, EMPIRE, TALYS, ALICE)이 잔류 핵에서 각운동량 침착을 예측하는 데에서 심각한 부정확성을 드러내며, 이는 핵 반응 모델링의 한계를 드러낸다.

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>

연구 동기 및 목표

• 4에서 55 MeV 범위에서 의료 영상에 관련된 라디오누클리드 51Mn, 52gMn, 52mMn 등의 프로톤 유도 흥 함수를 측정하기 위해.
• A=40–70 질량 영역에서 현대 핵반응 모델(CoH, EMPIRE, TALYS, ALICE)이 단면적과 이소머 대 기초 상태 비율을 얼마나 정확하게 예측하는지 평가하기 위해.
• 이소머 수율 비율을 통해 복합 및 예비균형 핵반응에서 각운동량 분포의 역할을 조사하기 위해.
• 51Mn과 같은 새로운 양전자 방출 라디오누클리드의 임상적 생산을 지원하고 핵데이터 평가를 향상시키기 위해 기준 수준의 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• LBNL 88인치 사이클로트론에서 25 및 55 MeV 프로톤 비임을 사용하여 자연 상태의 Fe, Cu, Ti 필름을 조사하기 위해.
• 빔 에너지 감쇠와 체계적 오차를 최소화하기 위해 다중 겹치는 에너지 범위를 사용한 스택드 타겟 활성화 방법을 적용하기 위해.
• 고순도 Germanium 검출기를 사용한 감마선 분광법을 통해 방사능을 측정하고, 측정된 활성도와 알려진 반감기를 기반으로 단면적을 산정하기 위해.
• 빔 플루엔스 및 에너지 캘리브레이션을 위해 구리와 티타늄 모니터를 사용한 박막 방법을 적용하기 위해.
• 네 가지 최신 반응 모델링 코드(CoH, EMPIRE, TALYS, ALICE)의 예측치와 측정된 흥 함수를 비교하기 위해.
• 단면적 산정에 사용된 핵데이터는 핵데이터 시트(Nuclear Data Sheets)에서 반감기 및 감마선 분지비를 확보하기 위해 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 핵반응 모델들이 자연철에 대한 프로톤 조사에서 51Mn, 52gMn, 52mMn의 흥 함수를 얼마나 정확하게 예측하는가?
• RQ2 왜 모델들은 52Mn의 이소머 대 기초 상태 수율 비율을 재현하지 못하는가? 이는 잔류 핵에서 각운동량 침착에 대한 모델링의 어떤 결함을 시사하는가?
• RQ3 4에서 55 MeV 범위에서 natFe(p,x)49,51Cr, 51,52m,52g,56Mn, 및 58m,58gCo에 대한 최초의 실험적 독립 단면적 측정은 무엇인가?
• RQ4 빔 에너지 감쇠와 겹치는 에너지 범위가 이 에너지 범위에서 스택드 타겟 측정의 일관성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 A=40–70 질량 영역에서 프로톤 유도 반응에 대해 측정된 단면적과 모델 예측치는 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 이 연구는 4에서 55 MeV 범위에서 natFe(p,x)49,51Cr, 51,52m,52g,56Mn, 및 58m,58gCo에 대한 최초의 독립 흥 함수 측정치를 보고하며, 의료용 라디오누클리드 생산을 위한 중요한 기준 데이터를 제공한다.
• 모든 네 가지 반응 모델링 코드(CoH, EMPIRE, TALYS, ALICE)는 52Mn의 측정된 이소머 대 기초 상태 비율을 재현하지 못하며, 이는 잔류 핵에서 각운동량 침착을 모델링하는 데 근본적인 결함이 있음을 시사한다.
• 52Mn의 이소머 대 기초 상태 비율(52mMn/52gMn)은 모든 모델에서 일관되게 과소평가되며, 특정 에너지에서 2배 이상의 격차가 존재한다.
• natFe(p,x)를 통한 51Mn 생성의 측정된 단면적은 30 MeV에서 약 120 mb로 최대에 도달하며, 이는 저에너지 의료 사이클로트론을 사용한 임상적 생산의 가능성을 뒷받침한다.
• 52gMn 및 52mMn의 측정된 단면적은 에너지 의존성이 뚜렷하며, 52gMn는 약 40 MeV 근처에서, 52mMn는 약 25 MeV 근처에서 최대에 도달하여 예비균형 방출 메커니즘과 일치한다.
• 두 개의 스택에서 겹치는 에너지 범위(20–25 MeV) 간의 일관성 검증 결과 5% 이내로 일치하여 실험 방법론과 데이터 신뢰성의 타당성을 입증한다.