Проект установки для наработки ПЭТ-радиоизотопов на линейном ускорителе протонов ИЯИ РАН
Предложен проект установки для производства ПЭТ-радиоизотопов после первого резонатора начальной части линейного ускорителя протонов ИЯИ РАН. Для пучка протонов с энергией 20 МэВ и интенсивностью 25 мкА рассчитаны активности изотопов ¹⁸F, ¹³N и ¹²⁴I. Оценена радиационная обстановка вокруг мишени....
Gespeichert in:
| Datum: | 2008 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2008
|
| Schriftenreihe: | Вопросы атомной науки и техники |
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111423 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Проект установки для наработки ПЭТ-радиоизотопов на линейном ускорителе протонов ИЯИ РАН / С.В. Акулиничев, C.И. Бакланов, Ю.К. Гаврилов, В.Л. Матушко, В.М. Скоркин // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 3. — С. 184-186. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-111423 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1114232017-01-10T03:05:24Z Проект установки для наработки ПЭТ-радиоизотопов на линейном ускорителе протонов ИЯИ РАН Акулиничев, С.В. Бакланов, C.И. Гаврилов, Ю.К. Матушко, В.Л. Скоркин, В.М. Применение ускорителей Предложен проект установки для производства ПЭТ-радиоизотопов после первого резонатора начальной части линейного ускорителя протонов ИЯИ РАН. Для пучка протонов с энергией 20 МэВ и интенсивностью 25 мкА рассчитаны активности изотопов ¹⁸F, ¹³N и ¹²⁴I. Оценена радиационная обстановка вокруг мишени. Запропоновано проект установки для виробництва ПЕТ-радіоізотопів на виході з першого резонатора лінійного прискорювача протонів ІЯД РАН. Для пучку протонів з енергією 20 МеВ і інтенсивністю 25 мкА розраховані активності ізотопів ¹⁸F, ¹³N и ¹²⁴I. Оцінено радіаційну обстановку навколо мішені. The design of the facility for PET-radioisotopes production using fist resonator of the existing high-intensity INR proton linac is developed. The activities of the ¹⁸F, ¹³N, ¹²⁴I radioisotopes are calculated for the proton beam with energy of 20 MeV and current of 25 μA. The radiation conditions are estimate around target. 2008 Article Проект установки для наработки ПЭТ-радиоизотопов на линейном ускорителе протонов ИЯИ РАН / С.В. Акулиничев, C.И. Бакланов, Ю.К. Гаврилов, В.Л. Матушко, В.М. Скоркин // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 3. — С. 184-186. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111423 621.039.8.002 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Применение ускорителей Применение ускорителей |
| spellingShingle |
Применение ускорителей Применение ускорителей Акулиничев, С.В. Бакланов, C.И. Гаврилов, Ю.К. Матушко, В.Л. Скоркин, В.М. Проект установки для наработки ПЭТ-радиоизотопов на линейном ускорителе протонов ИЯИ РАН Вопросы атомной науки и техники |
| description |
Предложен проект установки для производства ПЭТ-радиоизотопов после первого резонатора начальной
части линейного ускорителя протонов ИЯИ РАН. Для пучка протонов с энергией 20 МэВ и интенсивностью
25 мкА рассчитаны активности изотопов ¹⁸F, ¹³N и ¹²⁴I. Оценена радиационная обстановка вокруг мишени. |
| format |
Article |
| author |
Акулиничев, С.В. Бакланов, C.И. Гаврилов, Ю.К. Матушко, В.Л. Скоркин, В.М. |
| author_facet |
Акулиничев, С.В. Бакланов, C.И. Гаврилов, Ю.К. Матушко, В.Л. Скоркин, В.М. |
| author_sort |
Акулиничев, С.В. |
| title |
Проект установки для наработки ПЭТ-радиоизотопов на линейном ускорителе протонов ИЯИ РАН |
| title_short |
Проект установки для наработки ПЭТ-радиоизотопов на линейном ускорителе протонов ИЯИ РАН |
| title_full |
Проект установки для наработки ПЭТ-радиоизотопов на линейном ускорителе протонов ИЯИ РАН |
| title_fullStr |
Проект установки для наработки ПЭТ-радиоизотопов на линейном ускорителе протонов ИЯИ РАН |
| title_full_unstemmed |
Проект установки для наработки ПЭТ-радиоизотопов на линейном ускорителе протонов ИЯИ РАН |
| title_sort |
проект установки для наработки пэт-радиоизотопов на линейном ускорителе протонов ияи ран |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| publishDate |
2008 |
| topic_facet |
Применение ускорителей |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111423 |
| citation_txt |
Проект установки для наработки ПЭТ-радиоизотопов на линейном ускорителе протонов ИЯИ РАН / С.В. Акулиничев, C.И. Бакланов, Ю.К. Гаврилов, В.Л. Матушко, В.М. Скоркин // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 3. — С. 184-186. — Бібліогр.: 4 назв. — рос. |
| series |
Вопросы атомной науки и техники |
| work_keys_str_mv |
AT akuliničevsv proektustanovkidlânarabotkipétradioizotopovnalinejnomuskoriteleprotonoviâiran AT baklanovci proektustanovkidlânarabotkipétradioizotopovnalinejnomuskoriteleprotonoviâiran AT gavrilovûk proektustanovkidlânarabotkipétradioizotopovnalinejnomuskoriteleprotonoviâiran AT matuškovl proektustanovkidlânarabotkipétradioizotopovnalinejnomuskoriteleprotonoviâiran AT skorkinvm proektustanovkidlânarabotkipétradioizotopovnalinejnomuskoriteleprotonoviâiran |
| first_indexed |
2025-07-08T02:09:42Z |
| last_indexed |
2025-07-08T02:09:42Z |
| _version_ |
1837042850621030400 |
| fulltext |
УДК 621.039.8.002
ПРОЕКТ УСТАНОВКИ ДЛЯ НАРАБОТКИ ПЭТ-РАДИОИЗОТОПОВ
НА ЛИНЕЙНОМ УСКОРИТЕЛЕ ПРОТОНОВ ИЯИ РАН
С.В. Акулиничев, C.И. Бакланов, Ю.К. Гаврилов, В.Л. Матушко, В.М. Скоркин
Институт ядерных исследований РАН, Москва, Россия
E-mail: skorkin@inr.ru
Предложен проект установки для производства ПЭТ-радиоизотопов после первого резонатора начальной
части линейного ускорителя протонов ИЯИ РАН. Для пучка протонов с энергией 20 МэВ и интенсивностью
25 мкА рассчитаны активности изотопов 18F, 13N и 124I. Оценена радиационная обстановка вокруг мишени.
1. ВВЕДЕНИЕ
Онкологические заболевания занимают второе
место среди причин смертности в России после сер-
дечно-сосудистых заболеваний. При этом в
большинстве случаев (до 70%) онкологическое забо-
левание выявляется на поздних стадиях, что резко
снижает вероятность излечения. В то же время, вы-
сокотехнологичные методы, например, конформная
дистанционная лучевая терапия и брахитерапия,
позволяют излечивать рак на ранних стадиях в по-
давляющем большинстве случаев.
Одно из направлений работы для улучшения сло-
жившейся ситуации – создание центров ранней диа-
гностики онкологических заболеваний, базирую-
щихся на применении позитронной эмиссионной то-
мографии в сочетании с компьютерной томографией
(ПЭТ/КТ). Это наиболее современный, надежный и
точный метод ранней диагностики и контроля ле-
чебного процесса в онкологии.
Метод ПЭТ предполагает наработку на пучке
протонов позитронно-излучающих радиоизотопов и
мечение ими туморотропных фармпрепаратов для
внутривенного введения пациентам. Визуализация
процессов накопления этих препаратов в организме
обеспечивается регистрацией аннигиляционного
гамма-излучения.
В состав современного диагностического
комплекса должны входить ускоритель ионов, ми-
шенное устройство с блоком управления, радиохими-
ческий блок для синтеза радиофармпрепаратов
(РФП), аналитическая лаборатория и ПЭТ/КТ-сканер.
Наиболее часто в ПЭТ используются короткоживу-
щие радиоизотопы 11С(20.4 мин), 13N(9.96 мин),
18F(109.8 мин).
В последнее время в мире ведётся создание техно-
логий производства перспективного диагностическо-
го радиоизотопа 124I(100.3часа). РФП, содержащие
124I, а также α- или β-излучающие радионуклиды мо-
гут быть использованы для наногибридной диагно-
стики и терапии онкологических заболеваний.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД
В настоящей работе предлагается проект уста-
новки для наработки медицинских диагностических
радиоизотопов 11С, 13N, 18F, 124I на пучке протонов
начальной части линейного ускорителя ИЯИ РАН в
Троицке. В состав начальной части ускорителя вхо-
дят два параллельных инжектора, создающих пучки
положительных и отрицательных ионов водорода с
импульсным током до 50 мА и частотой до 100 Гц, а
также первый резонатор, обеспечивающий ускоре-
ние пучков до энергии 20 МэВ.
Для наработки радиоизотопов 18F и 13N предлага-
ется использовать реакции 18O(p,n)18F и 16O(p,α)13N с
мишенями из обогащенной и природной воды, соот-
ветственно. Активность нарабатываемых радиоизото-
пов можно оценить по их выходам для мишени из
воды природного изотопного состава толщиной, со-
ответствующей полному поглощению пучка прото-
нов [1]. При облучении пучком протонов с энергией
20 МэВ мишени из природной воды (99.8% 16O и
0.2% 18O) выход 18F и 13N составляет 14.8 МБк/(мкА⋅ч)
и 8660 МБк/(мкА⋅ч), соответственно.
В качестве мишени для наработки радиоизотопа
18F предполагается использовать воду, обогащённую
до 90% изотопом 18O. С учётом разного изотопного
состава воды выход 18F составит 0.18 Ки/(мкА⋅ч), а
выход 13N − 0.234 Ки/(мкА⋅ч).
Активность радионуклидов с учетом времени об-
лучения рассчитывается по формуле:
λ
λ )exp(1 облtIBA ⋅−−
⋅⋅= , (1)
где B − выход радиоизотопа; I − ток пучка протонов;
tобл − время облучения; λ − постоянная распада радио-
изотопа. За полчаса облучения на пучке протонов с
энергией 20 МэВ и средним током 25 мкА, получим
активность для 18F − 2.05 Ки, а для 13N − 1.23 Ки.
Сделаем независимую оценку активностей этих
двух радионуклидов, используя расчеты сечений ре-
акций 16O(p,α)13N и 18O(p,n)18F с помощью програм-
мы ALICE-IPPE [2]. Результаты расчетов функций
возбуждения 18O(p,n)18F и 16O(p,α)13N реакций вбли-
зи порога представлены на Pис.1 и 2.
Скорость образования радионуклидов V в интер-
вале энергий протонов от E0 до E1 рассчитывается
через макроскопические сечения Σ (E) по формуле:
})
)(
)(exp{1(
1
0
dE
EdxdE
EIV
E
E
∫
Σ−−⋅= . (2)
Активность на конец облучения за время tобл рассчи-
тывается по формуле:
))exp(1( облtVA ⋅−−⋅= λ . (3)
Тогда, при указанных выше параметрах облуче-
ния, в интервале энергий протонов от 6 до 17 МэВ
получим активность для 18F − 0.80 Ки, а для 13N −
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2008. № 3.
Series: Nuclear Physics Investigations (49), p.184-186. 184
1.05 Ки. Ненулевая нижняя граница энергии прото-
нов необходима для того, чтобы исключить повы-
шенное энерговыделение при торможении пучка
протонов в мишени.
0
100
200
300
0 5 10 15 20
E, МэВ
Се
че
ни
е,
м
ба
рн
Рис.1. Сечение реакции 18O(p,n)18F вблизи порога
0
20
40
60
0 5 10 15 20
E, МэВ
Се
че
ни
е,
м
ба
рн
Рис.2. Сечение реакции 16O(p,α)13N
Выбранные параметры облучения мишени для
производства 18F позволяют диагностировать около
50 пациентов, что соответствует суточной загрузке
нескольких ПЭТ-томографов. Для работы одного
томографа необходимое количество радиоизотопов
может быть получено в течение получаса со сред-
ним током пучка около 5 мкА.
Наработка 11С может производиться в реакции
14N(p,α)11C на специальном мишенном с газооб-
разным азотом устройстве толщиной 10 см. За пол-
часа облучения активность 11С может составить ∼0.5
Ки.
Радиоизотоп 124I может быть получен в реакции
124Te(p,n)124I, сечение которой вблизи порога приве-
дено на Pис.3.
0
200
400
600
800
0 5 10 15 20
E, МэВ
С
еч
ен
ие
, м
ба
рн
Рис.3. Сечение реакции 124Te(p,n)124I
В качестве мишени для наработки радиоизотопа
124I можно использовать коллоидную смесь микроча-
стиц TeO2 или Al2Te3 с обогащением 124Te до 99.8%.
Выход радиоизотопа 124I из Al2Te3 мишени составит
0.23 мКи/(мкА⋅ч).
Для минимизации примеси радиоизотопа 123I ми-
шень необходимо облучать пучком протонов с энер-
гией 12,5 МэВ. Для этого перед мишенью размеща-
ется алюминиевый конвертер, уменьшающий энер-
гию пучка протонов. Тогда через сутки после облу-
чения содержание 123I в мишени будет составлять не
более 2%. При облучении в течение суток при ука-
занных выше параметрах пучка можно наработать
138 мКи 124I, что достаточно для ПЭТ-диагностиро-
вания нескольких десятков пациентов [3].
3. УСТРОЙСТВА ДЛЯ НАРАБОТКИ
Эскиз мишенного устройства для наработки ра-
диоизотопов представлен на Pис.4.
Рис.4. Мишенное устройство для наработки радио-
изотопов. 1 - облучаемая вода; 2 - мембраны корпу-
са мишени и системы охлаждения; 3 - контур охла-
ждения гелием; 4 - канал ввода облучаемой воды;
5 - канал вывода облученной воды;
6 - контур водяного охлаждения
Размер внутреннего объёма мишенного устрой-
ства, заполняемый облучаемой водой, составляет ∅
22×2,5 мм. Стальная мембрана мишени толщиной
около 150 мкм и алюминиевая мембрана гелиевого
корпуса охлаждения толщиной около 0,5 мм обеспе-
чивают замедление протонов до оптимальной энер-
гии ∼ 12,5 МэВ. В случае изотопа 124I это способ-
ствует минимизации примеси 123I до приемлемого
уровня ∼ 2%. Пучок протонов тормозится в мишени
до энергии ∼ 6 МэВ и затем поглощается в алю-
миниевой подложке мишенного устройства.
Наработка изотопов 13N и 18F может производить-
ся при импульсном токе около 8 мА и длительности
60 мкс. Как показывают расчёты [4], энерговыделе-
ние в мишени составляет при этом около 0,1°С/мкс.
Один импульс разогреет воду в мишени менее чем
на 10°С и затем её температура в интервале между
импульсами снижается за счёт охлаждения водой.
Поэтому, при наработке изотопов 13N и 18F дополни-
тельного охлаждения гелием не требуется и началь-
ная энергия пучка протонов может быть повышена
до 17 МэВ в отсутствие мембраны системы гелиево-
го охлаждения.
Мишенное устройство является основным эле-
ментом установки для наработки радионуклидов, эс-
киз которой показан на Pис.5.
Установка состоит из мишенного устройства, си-
стемы вывода облучённой воды, гелиевой и водяной
систем охлаждения, датчика положения пучка, ваку-
умного затвора и длинноходового сильфона. Облуча-
емая вода через канал ввода поступает в мишенное
устройство и удерживается аргонным замком. Си-
стема вывода обеспечивает фиксацию радиоактив-
ной воды, охлаждение и вывод её в радиохимиче-
ский блок после облучения. Вакуумный затвор и
сильфоны обеспечивают поддержание вакуума в ка-
____________________________________________________________
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2008. № 3.
Series: Nuclear Physics Investigations (49), p.184-186. 185
нале ускорения протонного пучка. Длинноходовой
сильфон позволяет выводить мишенное устройство
из пучка для беспрепятственного дальнейшего уско-
рения пучка протонов линейного ускорителя.
Рис.5. Эскиз установки для наработки радионукли-
дов: 1 - мишенное устройство; 2-трубки системы
ввода / вывода воды, контуров охлаждения;
3 - датчик положения пучка; 4 - вакуумный затвора;
5 - силфонные фланцы; 6 - длинноходовой сильфон;
7 - датчик тока пучка
4. АКТИВАЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ
В результате облучения пучком протонов ми-
шенного устройства возникает мгновенное вторич-
ное нейтронное и гамма-излучение, а также актива-
ция материалов мишенного устройства. Основными
реакциями образования нейтронов могут быть сле-
дующие: 27Al(p,n)27Si, 27Al(p,2n)26Si, 27Al(p,pn)26Al,
56Fe(p,n)56Co, 56Fe(p,2n)55Co, 56Fe(p,pn) 55Fe.
Для железа полное сечение реакции образования
вторичных нейтронов составляет ∼ 0,8 барн при
энергии около 20 МэВ. Полное сечение реакции об-
разования вторичного гамма-излучения 56Fe(p,γ)X
составляет ∼ 6 барн при энергии ниже 20 МэВ. Для
алюминия сечение образования вторичных нейтро-
нов составляет ∼ 0,1 барн.
При указанных выше параметрах пучка протонов
интенсивность образования быстрых нейтронов в
мишенном устройстве составит ∼ 1010 с–1, тепловых
нейтронов ∼ 107 с–1, гамма-излучения ∼ 1011 с–1. На
расстоянии 1 м от мишени уровень радиационного
излучения во время наработки радиоизотопов соста-
вит ∼ 0,1 Зв/ч.
Под воздействием пучка протонов происходит
активация стальной мембраны с образованием гам-
ма-излучающих радиоизотопов: 54Mn (303 дня), 55Fe
(2,6 года), 55Co (18,2 ч), 56Co (77,3 дня). Сечение об-
разования радиоизотопов составляет (0,1…0,5) барн.
Активность стальной мембраны в конце облучения
будет 106 Бк.
В алюминиевой мембране и подложке под воз-
действием протонов и вторичных нейтронов образу-
ются короткоживущие радионуклиды, а также гам-
ма-излучающие изотопы 24Na (15 ч) и 27Mg (9,5 мин).
Сечение образования этих изотопов равно
∼ 0,01 барн и ∼ 0,1 барн, соответственно. Актив-
ность алюминиевой подложки после облучения со-
ставит ∼ 106 Бк.
На поверхности мишенного устройства уровень
наведённого гамма-излучения сразу после нара-
ботки ПЭТ-радиоизотопа достигает 0,1 мЗв/ч. Через
полчаса уровень наведённого гамма-излучения
вблизи установки снизится до 10 мкЗв/ч, позволяю-
щего временную работу персонала категории «А».
ЛИТЕРАТУРА
1. П.П. Дмитриев. Выходы радиоизотопов в реак-
циях с протонами, дейтронами, альфа-части-
цами и гелием-3. М.: «Энергоатомиздат», 1986,
с.40-45.
2. A.I. Dityuk, A.Yu. Konobeyev, V.P. Lunev,
Yu.N. Shubin. New Advanced Version of Comput-
er Code ALICE // IPPE. IAEA, INDC(CCP)-410,
Distr.: G.
http://www.ippe.ru/podr/cjd/indc(ccp)/indc
ccp-410.pdf.
3. E.J. Knust, K. Dutschka and R. Weinreich. Prepara-
tion of 124I solutions after thermodistillation of irra-
diated 124TeO2 targets // Appl Radiat Isot (52). 2000,
p.181-184.
4. G.D. Robinson, Jr. and R.W. Hamm. Status of the
AccSys PULSAR™ System // Proc. 6th Workshop
on Targetry and Target Chemistry, Vancouver,
B.C., Canada, Aug. 1995, р.33-36.
DESIGN OF THE FACILITY FOR PET-RADIOISOTOPES PRODUCTION AT INR PROTON LINAC
S.V. Akulinichev, S.I. Baklanov, Yu.K. Gavrilov, V.L. Matushko, V.M. Skorkin
The design of the facility for PET-radioisotopes production using fist resonator of the existing high-intensity
INR proton linac is developed. The activities of the 18F, 13N, 124I radioisotopes are calculated for the proton beam
with energy of 20 MeV and current of 25 μA. The radiation conditions are estimate around target.
ПРОЕКТ УСТАНОВКИ ДЛЯ НАРОБІТКУ ПЕТ-РАДІОІЗОТОПІВ НА ЛІНІЙНОМУ ПРИСКОРЮ-
ВАЧІ ПРОТОНІВ ІЯД РАН
С.В. Акулінічев, C.І. Бакланов, Ю.К. Гаврилов, В.Л. Матушко, В.М. Скоркін
Запропоновано проект установки для виробництва ПЕТ-радіоізотопів на виході з першого резонатора
лінійного прискорювача протонів ІЯД РАН. Для пучку протонів з енергією 20 МеВ і інтенсивністю 25 мкА
розраховані активності ізотопів 18F, 13N и 124I. Оцінено радіаційну обстановку навколо мішені.
186
http://www.ippe.ru/podr/cjd/indc(ccp)/indc%0Bccp-410.pdf
http://www.ippe.ru/podr/cjd/indc(ccp)/indc%0Bccp-410.pdf
Проект установки для НАРАБОТКИ ПЭТ-РАДИОИЗОТОПОВ НА ЛИНЕЙНОМ УСКОРИТЕЛЕ ПРОТОНОВ ИЯИ РАН
DESIGN OF THE FACILITY FOR PET-RADIOISOTOPES PRODUCTION AT INR PROTON LINAC
|