[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究利用伯克利劳伦斯伯克利国家实验室（LBNL）88英寸回旋加速器的堆叠靶激活法，在4至55 MeV能量范围内测量了铁（Fe）、铜（Cu）和钛（Ti）在质子照射下的反应截面。该研究首次独立测定了天然铁（natFe）(p,x)49,51Cr、51,52m,52g,56Mn和58m,58gCo的激发函数，并揭示了当前最先进的核反应模型（CoH、EMPIRE、TALYS、ALICE）在预测核残余物中同质异能态与基态比值方面存在显著偏差，表明这些模型在描述残余核中角动量沉积方面存在缺陷。

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>

研究动机与目标

• 测量4至55 MeV能量范围内，天然铁质子照射下51Mn、52gMn、52mMn等与医学成像相关的放射性核素的质子诱发激发函数。
• 评估现代核反应模型（CoH、EMPIRE、TALYS、ALICE）在A=40–70质量区间的截面及同质异能态与基态比值方面的预测准确性。
• 通过同质异能态产额比，研究角动量分布在复合核与非平衡核反应中的作用。
• 为改进核数据评价并支持新兴正电子发射核素（如51Mn）的临床生产，提供基准质量数据。

提出的方法

• 使用LBNL 88英寸回旋加速器提供的25和55 MeV质子束照射堆叠的天然铁（Fe）、铜（Cu）和钛（Ti）薄片。
• 采用堆叠靶激活法，利用多个重叠的能量区间，以最小化束流能量退化和系统误差。
• 利用高纯锗探测器进行伽马射线谱学测量，通过测得的活度和已知半衰期确定截面。
• 应用薄箔法，利用铜（Cu）和钛（Ti）监测器测定束流注量和能量校准。
• 将实测激发函数与四种最先进的反应模型代码（CoH、EMPIRE、TALYS、ALICE）的预测结果进行比较。
• 在截面计算中采用《核数据汇编》（Nuclear Data Sheets）提供的半衰期和伽马射线分支比数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前核反应模型在预测天然铁质子照射下51Mn、52gMn和52mMn的激发函数方面有多准确？
• RQ2 为何模型无法再现52Mn的同质异能态与基态产额比？这对残余核中角动量沉积的建模意味着什么？
• RQ3 本研究首次实验测得的独立截面为natFe(p,x)49,51Cr、51,52m,52g,56Mn和58m,58gCo在4至55 MeV范围内的数据是什么？
• RQ4 束流能量退化和重叠能量区间的效应在该能量范围内在堆叠靶测量中对数据一致性的影响有多大？
• RQ5 在A=40–70质量区间内，实测截面与模型预测在质子诱发核反应中的对比如何？

主要发现

• 本研究首次独立测定了4至55 MeV能量范围内natFe(p,x)49,51Cr、51,52m,52g,56Mn和58m,58gCo的激发函数，为医学放射性核素生产提供了关键基准数据。
• 所有四种反应模型代码（CoH、EMPIRE、TALYS、ALICE）均未能再现52Mn的实测同质异能态与基态比值，表明其在描述残余核中角动量沉积方面存在根本性缺陷。
• 所有模型均系统性地低估了52Mn的同质异能态与基态比值（52mMn/52gMn），在某些能量下偏差超过2倍。
• 通过natFe(p,x)反应生成51Mn的实测截面在30 MeV处达到约120 mb的峰值，支持其在低能医用回旋加速器中临床生产的可行性。
• 52gMn和52mMn的实测截面表现出强烈的能量依赖性：52gMn的产额在约40 MeV处达到峰值，而52mMn在约25 MeV处达到峰值，与非平衡发射机制一致。
• 在两个堆叠中20–25 MeV重叠能量区间的交叉一致性检查显示，结果在5%以内一致，验证了实验方法和数据的可靠性。