Argon activation in air at medical cyclotron RDS ECLIPSE during production of ¹⁸F
Medical cyclotrons are widely used to produce positron emitting isotopes for positron emission tomography. High
 level of air activation is possible due to high neutron flux as a result of ¹⁸O(p, n) ¹⁸F reaction. Reaction ⁴⁰Ar(n, γ) ⁴¹Ar with radioactive nuclide argon-41 gives main contr...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Datum: | 2009 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Englisch |
| Veröffentlicht: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2009
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96426 |
| 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: | Argon activation in air at medical cyclotron RDS ECLIPSE during production of ¹⁸F / O.A. Bezshyyko, L.O. Golinka-Bezshyyko, I.M. Kadenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 5. — С. 37-39. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860239044944855040 |
|---|---|
| author | Bezshyyko, O.A. Golinka-Bezshyyko, L.O. Kadenko, I.M. |
| author_facet | Bezshyyko, O.A. Golinka-Bezshyyko, L.O. Kadenko, I.M. |
| citation_txt | Argon activation in air at medical cyclotron RDS ECLIPSE during production of ¹⁸F / O.A. Bezshyyko, L.O. Golinka-Bezshyyko, I.M. Kadenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 5. — С. 37-39. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | Medical cyclotrons are widely used to produce positron emitting isotopes for positron emission tomography. High
level of air activation is possible due to high neutron flux as a result of ¹⁸O(p, n) ¹⁸F reaction. Reaction ⁴⁰Ar(n, γ) ⁴¹Ar with radioactive nuclide argon-41 gives main contribution in total activity of air. Value of this activity depends from neutron spectrum and geometry of cyclotron equipment. We considered various approaches for estimation of ⁴¹Ar production and calculated concentration of argon-41 in vault air for cyclotron facility with inner shield containing boron carbide. FLUKA code was used for these calculations.
Медичнi циклотрони широко використовуються для виробництва iзотопiв для позитронно емiсiйної
томографiї. При напрацюваннi 18F можливий високий рiвень активацiї повiтря бункеру циклотрону
нейтронами, якi утворюються в результатi реакцiї ¹⁸O(p,n)¹⁸F. Основний внесок при цьому дає реакцiя
⁴⁰Ar(n,γ) ⁴¹Ar, в результатi якої утворюється радiоактивний аргон-41. Величина цього внеску залежить
вiд спектру нейтронiв та геометричних факторiв обладнання циклотрону. Ми розглянули рiзнi пiдходи
для оцiнки кiлькостi ⁴¹Ar i розрахували концентрацiю аргону-41 в повiтрi внутрiшнiх порожнин циклотрону, який має спецiальний захист iз вмiстом бору. Для розрахункiв використовувався програмний
пакет FLUKA.
Медицинские циклотроны широко используются для производства изотопов для позитронно эмиссионной томографии. При наработке ¹⁸F возможен высокий уровень активации воздуха в бункере циклотрона нейтронами, которые образуются в результате реакции ¹⁸O(p,n)¹⁸F. Основной вклад при этом
дает реакция ⁴⁰Ar(n,γ)
⁴¹Ar, в результате которой образуется радиоактивный аргон-41. Величина этого вклада зависит от спектра нейтронов и геометрических факторов оборудования циклотрона. Мы
рассмотрели различные подходы для оценки количества ⁴¹Ar и рассчитали концентрацию аргона-41
в воздухе внутренних полостей циклотрона, который имеет специальную защиту с содержанием бора.
Для расчетов использовался программный пакет FLUKA.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:27:47Z |
| format | Article |
| fulltext |
ARGON ACTIVATION IN AIR AT MEDICAL CYCLOTRON
RDS ECLIPSE DURING PRODUCTION OF 18F
O.A. Bezshyyko ∗, L.O. Golinka-Bezshyyko, I.M. Kadenko
Taras Shevchenko National University of Kyiv, 03022, Kyiv, Ukraine
(Received July 30, 2008)
Medical cyclotrons are widely used to produce positron emitting isotopes for positron emission tomography. High
level of air activation is possible due to high neutron flux as a result of 18O(p, n)18F reaction. Reaction 40Ar(n, γ)41Ar
with radioactive nuclide argon-41 gives main contribution in total activity of air. Value of this activity depends from
neutron spectrum and geometry of cyclotron equipment. We considered various approaches for estimation of 41Ar
production and calculated concentration of argon-41 in vault air for cyclotron facility with inner shield containing
boron carbide. FLUKA code was used for these calculations.
PACS: 87.57.uk, 29.20.dg
1. INTRODUCTION
Positron emission tomography (PET) is one of the
most effective and informative diagnostic methods in
nuclear medicine. PET method is very useful for on-
cology, cardiology and brain studies. Production of
positron emitting isotopes with short half-life times
(18F , 11C, 13N , 15O and others) is needed for PET
technology. Medical cyclotrons are the most ap-
propriate for this purpose. Fluorine-18 is currently
widely used and being obtained often due to reaction
18O(p, n)18F . Neutrons emitted in such reaction have
high energy and neutron fluence may be large enough.
Therefore it is important to take into account both in
design and operation periods of medical cyclotron fa-
cilities the activation, induced not only for construc-
tive parts of cyclotrons, but also activation of air com-
ponents. Nuclide 41Ar gives major contribution to
the total activity of air for cyclotrons with not very
high energy of protons (within 10...20 MeV ). Esti-
mation of 41Ar concentration in the cyclotron vault
air is an important part of full scope radiation sur-
veillance system.
2. UPPER-BOUND ESTIMATES OF 41Ar
YIELD
Argon-41 is the product of reaction 40Ar(n, γ)41Ar,
induced by secondary neutrons emitted from reaction
18O(p, n)18F . The natural concentration of Argon-40
in the air is 0.93% (volume part). Argon-41 mainly
emits β-particles with maximum energy 1198 keV
and gamma rays of 1294 keV with 109.3 minutes half-
life. The cross-section of neutron capture by 40Ar is
equal 0, 66 barn for thermal neutrons and quickly falls
down with increase of neutron energy up to dozens
of microbarns. In the energy range between 10 keV
and 1.5 MeV this cross-section has complex reso-
nance structure. For cyclotrons without own shield
some part of neutrons can be efficiently thermalized
by concrete walls of cyclotron vault. These neutrons
can produce in large air volume of vault the dan-
gerous concentrations of argon-41. As a rule, sim-
ple upper-bound estimates are used for calculation
of 41Ar yield, where all neutrons are considered as
thermal and cross section of neutron capture is large
[1]. According to this approach specific activation (in
Bq · cm−3) due to neutrons emitting is given by:
S = φ · NA
A
· f · ρ · σ , (1)
where ρ is the density of air, f is the weight frac-
tion composition of air of parent nuclide, φ is thermal
neutron fluence rate, NA - Avogadro’s number, A -
atomic weight of element, σ is cross section of neu-
tron capture by 40Ar. φ is defined as thermal neutron
fluence rate inside a concrete vault:
φ =
1.25 ·QF
Sν
,
where QF is yield of fast neutrons and Sν is an inter-
nal surface area of vault. Other form of equation (1)
is used also widely:
S = QF · r · NA
V · VA
· fV · σ , (2)
where r is radius of the sphere (approximation of
vault volume by sphere), V is volume of vault, VA
- molar volume, fV - is the volume argon concen-
tration in air. Calculations with using formulae (1)
and (2) give values of 41Ar mean concentrations ap-
proximately 106 Bq ·m−3 for medical cyclotrons with
proton beam current (40...100)µA and for radius of
∗Corresponding author. E-mail address: obezsh@univ.kiev.ua
PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY, 2009, N5.
Series: Nuclear Physics Investigations (52), p.37-39.
37
vault volume nearly 2 m. Mean concentration of 41Ar
amount can reach (107...108) Bq ·m−3 for small vol-
umes (with radius 0.3...0.5 m) close to H18
2 O water
target . However these calculated values do exceed
experimental estimations more than tenfold. This
discrepancy results from the fact that only small part
of all neutrons is thermalized by vault and cyclotron
materials.
3. CONTRIBUTION OF NONTHERMAL
NEUTRONS IN PRODUCING
RADIOACTIVE ARGON
Some modern constructions of medical cyclotrons
use built-in complex shield consisting of lead, con-
crete and polyethylene with boron admixtures. As
an example this shield is used by Siemens cy-
clotrons of RDS ECLIPSE series [2]. Boron-10 has
large cross-section values for thermal neutrons cap-
ture. It leads to significant suppression of ther-
mal neutrons fluence in the air volume and using
formulae (1) or (2) is incorrect in this case. Cy-
clotron vendor supposes level of argon activation
as negligibly small, but resonance increase of cross-
section in the region within 10 keV...1.5 MeV (see
Fig.1) [3] and cross section of fast neutrons can
give essential contribution to total argon activation.
Fig.1. Estimated neutron capture cross section for
41Ar from database ENDF/B-VII.0 [3]
This addition can dramatically depend from cy-
clotron and vault geometry and material composi-
tion. Monte Carlo simulations are needed for correct
modeling of these processes. We estimated the contri-
bution to argon activation of neutrons in various en-
ergy regions for cyclotron configurations with built-in
shield using FLUKA code for ionizing particles trans-
port [4]. Estimated cross section of 18O(p, n)18F
reaction from IAEA database for medical applica-
tions [5] was used (see Fig.2). Values of dE/dx for
accelerated protons are shown in Fig.3. We used sim-
ple model of cyclotron built-in complex shield (see
Fig.4). Volume of H18
2 O water target is 2.5 ml. Air
volume around target is 50 liters. Next layer consists
of thick high-density core cast fabricated of a mixture
of lead, epoxy with admixture of boron carbide. The
thickness of this layer is approximately 25 cm. Next
layer of borated polyethylene has width 16 cm and
Fig.2. Estimated cross section of 18O(p, n)18F re-
action from IAEA database for medical applications
Fig.3. Values of dE/dx in water for accelerated
protons
Fig.4. Simple model of cyclotron built-in complex
shield
thickness of last layer with boron carbide loaded con-
crete is 60 cm. H2O water target was 93 % enriched
by 18O. Proton current was 60 µA with energy of
protons 11 MeV . Argon concentration (volume part)
in air was supposed as 0.00934. As a result the calcu-
lated concentration of 41Ar in the inner shield volume
has value not exceeding 6 · 104 Bq ·m−3. Estimation
of 41Ar concentration for same volume of air near the
38
target using formula (2) comes up with much higher
value - nearly 107 Bq ·m−3.
4. CONCLUSIONS
In this paper we considered various approaches for
estimation of 41Ar production and calculated con-
centration of argon-41 in the vault air of medical cy-
clotron facility for 18F production with inner shield
containing boron carbide. FLUKA code was used for
these calculations. Result shows that concentration
of 41Ar in air near cyclotron target for such case is
not negligible and consists of nearly 0.5% (saturation
activity 6 · 104 Bq · m−3) of yield (saturation activ-
ity 107 Bq ·m−3) for very conservative approximation
of thermal neutron fluence produced by proton beam
with current 100 µA due to reaction 18O(p, n)18F .
References
1. Radiation protection for particle accelerator fa-
cilities. NCRP Report. 2003, N144, p.499.
2. G.S Pant, S.Senthamizhchelvan. Initial experi-
ence with an 11 MeV self-shielded medical cy-
clotron on operation and radiation safety // J.
Med Phys. 2007, v. 32, p. 118-123.
3. http://www.nndc.bnl.gov/exfor/ endf00.htm.
4. A.Fasso, A.Ferrari, J.Ranft, P.R.Sala. FLUKA:
a multi-particle transport code. CERN 2005-
10, 2005. INFN/TC 05/11, SLAC-R-773;
http://www.fluka.org/.
5. http://www-nds.iaea.org/medical/positron
emitters.html.
АКТИВАЦИЯ АРГОНА В ВОЗДУХЕ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ 18F НА МЕДИЦИНСКОМ
ЦИКЛОТРОНЕ RDS ECLIPSE
О.А. Бесшейко, Л.А. Голинка-Бесшейко, И.Н. Каденко
Медицинские циклотроны широко используются для производства изотопов для позитронно эмисси-
онной томографии. При наработке 18F возможен высокий уровень активации воздуха в бункере цик-
лотрона нейтронами, которые образуются в результате реакции 18O(p,n)18F. Основной вклад при этом
дает реакция 40Ar(n,γ)41Ar, в результате которой образуется радиоактивный аргон-41. Величина это-
го вклада зависит от спектра нейтронов и геометрических факторов оборудования циклотрона. Мы
рассмотрели различные подходы для оценки количества 41Ar и рассчитали концентрацию аргона-41
в воздухе внутренних полостей циклотрона, который имеет специальную защиту с содержанием бора.
Для расчетов использовался программный пакет FLUKA.
АКТИВАЦIЯ АРГОНА В ПОВIТРI ПРИ ВИРОБНИЦТВI 18F НА МЕДИЧНОМУ
ЦИКЛОТРОНI RDS ECLIPSE
О.А. Безшийко, Л.О. Голiнка-Безшийко, I.М. Каденко
Медичнi циклотрони широко використовуються для виробництва iзотопiв для позитронно емiсiйної
томографiї. При напрацюваннi 18F можливий високий рiвень активацiї повiтря бункеру циклотрону
нейтронами, якi утворюються в результатi реакцiї 18O(p,n)18F. Основний внесок при цьому дає реакцiя
40Ar(n,γ)41Ar, в результатi якої утворюється радiоактивний аргон-41. Величина цього внеску залежить
вiд спектру нейтронiв та геометричних факторiв обладнання циклотрону. Ми розглянули рiзнi пiдходи
для оцiнки кiлькостi 41Ar i розрахували концентрацiю аргону-41 в повiтрi внутрiшнiх порожнин цик-
лотрону, який має спецiальний захист iз вмiстом бору. Для розрахункiв використовувався програмний
пакет FLUKA.
39
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-96426 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T18:27:47Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Bezshyyko, O.A. Golinka-Bezshyyko, L.O. Kadenko, I.M. 2016-03-16T19:53:54Z 2016-03-16T19:53:54Z 2009 Argon activation in air at medical cyclotron RDS ECLIPSE during production of ¹⁸F / O.A. Bezshyyko, L.O. Golinka-Bezshyyko, I.M. Kadenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2009. — № 5. — С. 37-39. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 87.57.uk, 29.20.dg https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96426 Medical cyclotrons are widely used to produce positron emitting isotopes for positron emission tomography. High
 level of air activation is possible due to high neutron flux as a result of ¹⁸O(p, n) ¹⁸F reaction. Reaction ⁴⁰Ar(n, γ) ⁴¹Ar with radioactive nuclide argon-41 gives main contribution in total activity of air. Value of this activity depends from neutron spectrum and geometry of cyclotron equipment. We considered various approaches for estimation of ⁴¹Ar production and calculated concentration of argon-41 in vault air for cyclotron facility with inner shield containing boron carbide. FLUKA code was used for these calculations. Медичнi циклотрони широко використовуються для виробництва iзотопiв для позитронно емiсiйної
 томографiї. При напрацюваннi 18F можливий високий рiвень активацiї повiтря бункеру циклотрону
 нейтронами, якi утворюються в результатi реакцiї ¹⁸O(p,n)¹⁸F. Основний внесок при цьому дає реакцiя
 ⁴⁰Ar(n,γ) ⁴¹Ar, в результатi якої утворюється радiоактивний аргон-41. Величина цього внеску залежить
 вiд спектру нейтронiв та геометричних факторiв обладнання циклотрону. Ми розглянули рiзнi пiдходи
 для оцiнки кiлькостi ⁴¹Ar i розрахували концентрацiю аргону-41 в повiтрi внутрiшнiх порожнин циклотрону, який має спецiальний захист iз вмiстом бору. Для розрахункiв використовувався програмний
 пакет FLUKA. Медицинские циклотроны широко используются для производства изотопов для позитронно эмиссионной томографии. При наработке ¹⁸F возможен высокий уровень активации воздуха в бункере циклотрона нейтронами, которые образуются в результате реакции ¹⁸O(p,n)¹⁸F. Основной вклад при этом
 дает реакция ⁴⁰Ar(n,γ)
 ⁴¹Ar, в результате которой образуется радиоактивный аргон-41. Величина этого вклада зависит от спектра нейтронов и геометрических факторов оборудования циклотрона. Мы
 рассмотрели различные подходы для оценки количества ⁴¹Ar и рассчитали концентрацию аргона-41
 в воздухе внутренних полостей циклотрона, который имеет специальную защиту с содержанием бора.
 Для расчетов использовался программный пакет FLUKA. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Ядернo-физические методы и обработка данных Argon activation in air at medical cyclotron RDS ECLIPSE during production of ¹⁸F Активацiя аргона в повiтрi при виробництвi ¹⁸F на медичному циклотронi RDS ECLIPSE Активация аргона в воздухе при получении ¹⁸F на медицинском циклотроне RDS ECLIPSE Article published earlier |
| spellingShingle | Argon activation in air at medical cyclotron RDS ECLIPSE during production of ¹⁸F Bezshyyko, O.A. Golinka-Bezshyyko, L.O. Kadenko, I.M. Ядернo-физические методы и обработка данных |
| title | Argon activation in air at medical cyclotron RDS ECLIPSE during production of ¹⁸F |
| title_alt | Активацiя аргона в повiтрi при виробництвi ¹⁸F на медичному циклотронi RDS ECLIPSE Активация аргона в воздухе при получении ¹⁸F на медицинском циклотроне RDS ECLIPSE |
| title_full | Argon activation in air at medical cyclotron RDS ECLIPSE during production of ¹⁸F |
| title_fullStr | Argon activation in air at medical cyclotron RDS ECLIPSE during production of ¹⁸F |
| title_full_unstemmed | Argon activation in air at medical cyclotron RDS ECLIPSE during production of ¹⁸F |
| title_short | Argon activation in air at medical cyclotron RDS ECLIPSE during production of ¹⁸F |
| title_sort | argon activation in air at medical cyclotron rds eclipse during production of ¹⁸f |
| topic | Ядернo-физические методы и обработка данных |
| topic_facet | Ядернo-физические методы и обработка данных |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/96426 |
| work_keys_str_mv | AT bezshyykooa argonactivationinairatmedicalcyclotronrdseclipseduringproductionof18f AT golinkabezshyykolo argonactivationinairatmedicalcyclotronrdseclipseduringproductionof18f AT kadenkoim argonactivationinairatmedicalcyclotronrdseclipseduringproductionof18f AT bezshyykooa aktivaciâargonavpovitriprivirobnictvi18fnamedičnomuciklotronirdseclipse AT golinkabezshyykolo aktivaciâargonavpovitriprivirobnictvi18fnamedičnomuciklotronirdseclipse AT kadenkoim aktivaciâargonavpovitriprivirobnictvi18fnamedičnomuciklotronirdseclipse AT bezshyykooa aktivaciâargonavvozduhepripolučenii18fnamedicinskomciklotronerdseclipse AT golinkabezshyykolo aktivaciâargonavvozduhepripolučenii18fnamedicinskomciklotronerdseclipse AT kadenkoim aktivaciâargonavvozduhepripolučenii18fnamedicinskomciklotronerdseclipse |