Концепция мультиизотопного производства на базе

КОНЦЕПЦИЯ МУЛЬТИИЗОТОПНОГО
ПРОИЗВОДСТВА
НА БАЗЕ УСКОРИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОНОВ
А.Н.Довбня, В.И.Никифоров, В.Л.Уваров
(ННЦ ХФТИ, Харьков, Украина)
uvarov@kipt.kharkov.ua
1.ВВЕДЕНИЕ
1.1.Проблемы с обеспечением радионуклидной продукцией.
1.2.Дефицит Тс-99m.
1.3.Фотоядерные методы
238U(,f)99Mo99mTc
100Mo(,n)99Mo99mTc
1.4.Cu-67, Tc-95g, Pt-193m,195m и др.
1.5.Сечения, выходы целевых изотопов и примесей
Таблица 1.
Основные реакции получения Сu-67
Таблица 2.
Сравнительные характеристики методов производства Сu-67
2.Этапы разработки фотоядерной технологии
I. Получение исходных ядерно-физических данных.
Предварительная оценка выхода целевого изотопа и примесей.
II. Разработка оборудования и технологических режимов для
генерации и выделения изотопов
• разработка методов расчета фотоядерного выхода изотопов
в технологических мишенях;
• моделирование и оптимизация состава выходных устройств;
• создание специализированного ускорителя электронов;
• создание выходных устройств и систем диагностики излучения.
III. Синтез и испытания РФП.
IV. Лицензирование РФП.
3. Разработка методов расчета фотоядерного
выхода изотопов в технологических мишенях
7
7
6
6
5
5
Depth (cm)
Depth (cm)
3.1. МС моделирование на основе программной системы PENELOPE
• прямое моделирование событий
• SBSM метод
4
3
4
3
2
2
1
1
0
-3
-2
-1
0
1
Width (cm)
2
a
3
0
-3
-2
-1
0
1
Width (cm)
Рис.1.Распределение ядер 67Cu в мишени при ее облучении:
а – прямым пучком электронов, b – тормозным излучением
2
3
b
250
Experiment
Calculation
16
14
12
10
Total activity
Experiment 291±29 Ci
Calculation 280 Ci
8
6
4
2
Experiment
Calculations
4
3
Activity (Ci / 1.5875 mm)
Activity (Ci / 1.5875 mm)
18
0
200
Total activity
Experiment 2432±243 Ci
Calculations: 1- 2377 Ci, d=75 mm
2- 3052 Ci, d=40 mm
3- 3560 Ci, d=20 mm
4- 3996 Ci, d=0 mm
2
150
1
100
Penelope-2001
50
0
0
5
10
15
20
25
Thickness (mm)
30
35
0
a
10
20
30
40
50
60
Thickness (mm)
18
160
16
140
14
Activity (Ci / 1.5875 mm)
Activity (Ci / 1.5875 mm)
Рис.2.Распределение активности в цинковой мишени при облучении:
а – прямым пучком электронов, b – тормозным излучением (SBSM метод)
12
10
8
6
BSBSMY method ,time 46 sec
DSE method ,time 97 hours
4
2
BSBSMY method ,time 15 sec
DSE method,time 87 hours
120
100
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
Thickness (mm)
25
30
35
a
0
10
20
30
40
Thickness (mm)
Рис.3. Иллюстрация адекватности и эффективности DSE и SBSM методов:
а –пучок электронов, b – тормозное излучение
50
b
b
3.1. Аналитический метод оценки фотоядерного
выхода изотопов

C
n
n
e
T
R
e
n
z
n
d
a
H

Рис.4. Конфигурация основных элементов для фотоядерного производства изотопов
yi   T  nT  dV
V
E0




  ( r ,  ) i ( )d  ,
(1)
i , th
N ,1
1 1 
( E0 , d , )  2 ( E0 , d )    ,

  E0 
(2)
а также для выхода «эффективных» фотонов (min< E0)

  
N  ,1 ( E0 , d , min )  2 ( E0 , d )   min  ln  min   1 .
 E0  
 E0
(3)
Таблица 3.
Выход «эффективных» фотонов при разной толщине W-конвертера (min=7.2МэВ)
Таблица 4. Выход «эффективных» фотонов для разных реакций (W-конвертер, d=4мм)
  ,r ( E0 , d , z )   e  k ( E0 )  d
3
2
 ( z  d )  tg ( E0 , d ) .
2
(


)
i
 i ( )   imax  2
,
2 2
2
(  i )  (i )
(4)
(5)
где Гі – ширина сечения на полувысоте, i – энергия фотонов, соответствующая
max
максимуму сечения  i .
yi  2 T  T
где

  1  exp    (i )  H 
R2
 Si ,1 ( E0 ) , (6)
1  exp   2
  

(
d

a

H
/
2)

(

)
i
  ,r
 

 ( E0 , d )   imax  N A 
A
(i ) 2
Si ,1 ( E0 )  
( 2  i2 ) 2  (i ) 2
i ,th
E0

  d
 1   
.
 E0  
(7)
Как следует из формулы (6), размеры фотоядерной мишени Rr(d+a+H/2), H  -1(i)
являются близкими к оптимальным. Действительно, при их увеличении выход изотопа
несколько возрастает, однако резко снижается удельная активность мишени. Вместе с
тем оказывается, что при этих размерах мишени с ней взаимодействует лишь ~30%
тормозных фотонов, имеющих энергию выше порога реакции.
Таблица 5.
Значения Si,1(E0)-фактора
Таблица 6.
Фотоядерный выход изотопов (цилиндрическая мишень 2 х 2, см)
Мишень-сателлит 1
Выпускное Конвертер
Мишень-сателлит 2
окно
Мишень
e-
a
e-
b
12 3 4
5 67 8
9
10
Рис.5. Конфигурация основных элементов для фотоядерного производства изотопов
1,0
1,0
0,8
max
0,6
0,6
dN/dN
dP/dP max
0,8
0,4
0,4
0,2
1,0
0,0
-1,0
0,5
-0,5
0,2
0,0
0,0
0,5
X (c
m)
-0,5
1,0
1,5
-1,0
)
cm
(
Y
0,0
28
30
32
34
36
38
Energy (MeV)
Рис.6. Нормированный профиль пучка (а) и энергетический спектр
ускорителя КУТ-30 (b) – сплошная кривая соответствует
экспериментальным данным, а пунктирная - моделируемым
40
42
68
500
193
8
Cross section (mb)
400
300
200
12
11
C(ga,n) C
Threshold 18.72 MeV
T1/2=20.45 min
6
4
2
100
0
0
8
10
12
14
16
18
10
Photon energy (MeV)
65
58
55
50
15
20
25
30
35
40
45
Photon energy (MeV)
24
57
Ni(ga,p) Co
Threshold 8.17 MeV
T1/2=271 days
60
58
57
Ni(ga,n) Ni
Threshold 12.22 MeV
T1/2=1.5 days
22
20
18
Cross section (mb)
45
Cross section (mb)
Cross section (mb)
192
Ir(ga,n) Ir
Threshold 7.71 MeV
T1/2=73.8 days
67
Zn(ga,p) Cu
Threshold 9.99 MeV
T1/2=2.58 days
10
40
35
30
25
20
16
14
12
10
8
15
6
10
4
5
2
0
0
10
15
20
25
30
35
40
Photon energy (MeV)
45
50
55
60
10
15
Рис.7. Сечения реакций
20
25
Photon energy (MeV)
30
35
40
7
6
Absorbed power (kW/mA)
Absorbed power (kW/mA)
20
19
18
17
5
4
3
2
a
b
16
28
30
32
34
36
38
40
42
44
46
28
E0 (MeV)
0,70
30
32
34
36
40
42
44
46
E0 (MeV)
0,70
0,65
0,65
Absorbed power (kW/mA)
0,60
Absorbed power (kW/mA)
38
0,75
0,55
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
0,60
0,55
0,50
0,45
0,40
0,35
0,30
c
0,25
28
30
32
34
36
38
E0 (MeV)
40
42
44
46
d
0,25
28
30
32
34
36
38
E0 (MeV)
40
42
44
46
Рис.8. Поглощенная мощность излучения в конвертере (а), основной мишени (b),
сателлите-1 (c) и сателлите-2 (d)
Таблица 7. Суммарная активность наработанных изотопов
(mCi/100mkA·hour)
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
При использовании для фотоядерного производства изотопов одной
мишени с размерами, оптимизированными по соотношению ее общей и
удельной активности, бóльшая часть надпороговых тормозных фотонов не
участвует в процессе активации. Эффективность технологии можно повысить
путем применения выходного устройства в виде последовательности
мишеней, первой из которых является конвертер. В нем, в зависимости от
материала, можно производить 181W, 180Ta, 193m,195mPt, 192Ir и др. За основной
мишенью можно разместить дополнительные мишени. В каждом случае
состав мишеней и режим их активации целесообразно оптимизировать
методом моделирования с учетом сечения реакции и периода полураспада
целевого изотопа. Так, в рассмотренном варианте выходного устройства при
его облучении в режиме (40 МэВ, 200мкА), характерном для ускорителя КУТ30 ННЦ ХФТИ, в основной мишени из природного цинка массой 45 г за 60
часов можно нарабатывать до 240 мКи изотопа 67Сu. Этой активности
достаточно для терапии 10-12 пациентов. Дополнительно можно произвести
до 27 Ки 192Ir в конвертере (за 74 дня), а также до 2 Ки 57Со (270 суток) и
200 мКи 11С (20 мин.) в мишенях-сателлитах. Выхода 11С, в частности,
достаточно для обеспечения работы позитрон-эмиссионного томографа. При
использовании в качестве сателлита-2 газовой мишени можно также
нарабатывать 18F, 15O и 13N для ПЭТ.
СПАСИБО
ЗА
ВНИМАНИЕ!