Nowe, najdokładniejsze pomiary czasu życia izomeru 184mRe

Zespół naukowy Departamentu Aparatury i Technik Jądrowych NCBJ wraz z ekspertami z Laboratorium Badawczego Armii USA przeprowadzili nową, udaną eksperymentalną próbę produkcji izomerów renu, wykorzystując pola neutronowe reaktora MARIA. Eksperyment zaowocował wyznaczeniem najdokładniejszej do tej pory wartości czasu życia izomeru 184mRe.

Izomery renu od lat są przedmiotem zainteresowań badaczy, w tym naukowców NCBJ. W poprzednich latach prowadzili oni już badania nad przydatnością innego izomeru, 186mRe, jako potencjalnego materiału do produkcji magazynów energii (https://old.ncbj.gov.pl/aktualnosci/izotopowe-akumulatory-energii). W najnowszych badaniach, przeprowadzanych wspólnie z naukowcami z Laboratorium Badawczego Armii USA (DEVCOM Army Research Laboratory), zespół zajmował się sposobami produkcji stanów izomerycznych renu, w tym izomeru 184mRe. W tym celu naukowcy wykorzystali możliwości napromieniania próbek w reaktorze badawczym MARIA.

Metaliczne próbki naturalnego renu były poddane działaniu strumienia neutronów termicznych w centralnych kanałach reaktora przez niemal tydzień. Po wielomiesięcznym „chłodzeniu” próbek, w celu obniżenia ich aktywności do bezpiecznego poziomu, badacze przeprowadzili serię pomiarów spektroskopowych. Ze względu na długi czas trwania eksperymentu (24-godzinne pomiary wykonywane były co najmniej co 10 dni przez okres 1 roku), możliwe było otrzymanie dokładnych wyników i na ich podstawie precyzyjne wyznaczenie czasu życia jednego z powstałych izomerów, 184mRe. „Okres półrozpadu stanu podstawowego renu-184 jest dość dokładnie zbadany, wynosi nieco ponad 35 dni. Inaczej wygląda kwestia jego stanu izomerycznego” – opisuje prof. Jacek Rzadkiewicz, Dyrektor Departamentu Aparatury i Technik Jądrowych. „Ren-184m odkryto w latach 60-tych ubiegłego wieku i od tamtej pory nie przeprowadzono nowych badań mających na celu poprawę dokładności pomiaru jego czasu życia. Warunki panujące w reaktorze MARIA pozwoliły nam na produkcję izotopów renu, w tym i izomeru 184mRe, a posiadane przez nas dedykowane stanowisko spektroskopowe zbudowane w DTJ, pozwoliło na dokładne zbadanie go metodami spektroskopii jądrowej.”

Rozpad renu-184 i jego stanu izomerycznego jest zjawiskiem skomplikowanym, mogą podczas niego zachodzić wychwyty elektronów, czy deekscytacja poprzez przemianę γ bądź emisję elektronów konwersji wewnętrznej. W celu dokładnego zbadania tego zjawiska, a więc dokładnego wyznaczania czasu życia izomeru, wszystkie te przejścia muszą zostać wzięte pod uwagę. Nie jest to proste zadanie, choćby ze względu na występowanie czasu martwego aparatury pomiarowej, którego nieprawidłowe oszacowanie może istotnie wpływać na niepewność pomiarów. „Z tego powodu zamiast intensywności danego przejścia, użyliśmy stosunku tej intensywności do innego przejścia referencyjnego” – wyjaśnia dr Łukasz Janiak, autor pracy. „Występujące w próbce zanieczyszczenia spowodowały powstanie innych izotopów, takich jak kobalt-60, czy cez-134, o dokładnie znanych czasach półrozpadu. Dzięki połączeniu kilkunastu przejść w renie, 8 linii γ izotopów referencyjnych i dwóch różnych detektorów, ostatecznie otrzymaliśmy ponad 200 niezależnych wartości czasu życia renu-184m, na podstawie których przyjęliśmy nową wartość referencyjną.”

Uzyskany nowy wynik, 177,25 ± 0,07 dnia, jest o dwa rzędy wielkości dokładniejszy od poprzedniego (168 ± 9 dni) i będzie od teraz stanowić wartość referencyjną dla tego izomeru. Badania czasu życia renu-184m były przeprowadzane w ramach projektu finansowanego przez Departament Obrony USA oraz Ministerstwo Edukacji i Nauki.

Praca naukowców została opublikowana w najnowszym wydaniu czasopisma Physical Reviev C: Half-life of the 188-keV isomer of 184Re, Ł. Janiak, M. Gierlik, G. Madejowski, R. Prokopowicz, S Wronka, J. Rzadkiewicz, J. J. Carroll, and C. J. Chiara, Phys. Rev. C 106, 044303, https://doi.org/10.1103/PhysRevC.106.044303