СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ДВУХ РАЗЛИЧНЫХ РАДИОАКТИВНЫХ ИЗОТОПОВ Российский патент 2015 года по МПК G21G1/10 

Изобретение относится к способу и устройству для производства двух различных радиоактивных изотопов. Такие радиоактивные изотопы часто используют в области медицинской интроскопии, например ПЭТ и ОФЭКТ интроскопии.

Радионуклиды для ПЭТ изображений изготавливают часто вблизи больниц, например при помощи производственных устройств типа циклотрона.

В патентной публикации US 6433495 описана конструкция облучаемой мишени, которую используют в циклотроне для производства радионуклидов для ПЭТ изображений.

В патентном документе WO 2006/074960 описан способ для производства радиоактивных изотопов, которые производят в результате облучения пучком частиц.

В патентной публикации US 6130926 раскрыт способ производства радионуклидов при помощи циклотрона и мишенного устройства с вращающейся фольгой.

В японском патентном документе JP 1254900 (А) описан способ, в котором заряженным пучком частиц облучают целевую камеру с содержащимся в ней газом для производства радиоактивных изотопов.

Для ОФЭКТ интроскопии используемые радионуклиды генерируют по большей части в ядерных реакторах, причем с этой целью часто используют высокообогащенный уран, например, для производства ⁹⁹Мо/^99mTc. Но в связи с международными соглашениями в будущем использовать реакторы с высокообогащенным ураном будет все сложнее, что может привести к дефициту в поставках радионуклидов для ОФЭКТ интроскопии.

Задача изобретения состоит в том, чтобы предложить способ и устройство для производства по меньшей мере двух различных радиоактивных изотопов, которые позволят экономически выгодно производить радиоактивные изотопы, в частности, для медицинской интроскопии, а также обеспечат их децентрализованное изготовление на месте.

Задача решается за счет независимых пунктов формулы изобретения. Предпочтительные варианты усовершенствования содержатся в признаках дополнительных пунктов формулы изобретения.

В заявляемом в изобретении способе производства первого радиоактивного изотопа и второго радиоактивного изотопа при помощи ускоренного пучка частиц реализуются следующие стадии:

- направление ускоренного пучка частиц на первый исходный материал и производство первого радиоактивного изотопа из первого исходного материала в результате первой ядерной реакции, которая инициируется взаимодействием ускоренного пучка частиц с первым исходным материалом,

- направление ускоренного пучка частиц на второй исходный материал и производство второго радиоактивного изотопа из второго исходного материала в результате второй ядерной реакции, которая инициируется взаимодействием ускоренного пучка частиц со вторым исходным материалом,

при этом эффективное сечение для инициирования первой ядерной реакции взаимодействием ускоренного пучка частиц с первым исходным материалом показывает первый пик в первом энергетическом уровне частиц, и при этом эффективное сечение для инициирования второй ядерной реакции взаимодействием ускоренного пучка частиц со вторым исходным материалом показывает второй пик во втором энергетическом уровне частиц, который ниже первого энергетического уровня частиц,

и при этом первый исходный материал и второй исходный материал помещают последовательно друг за другом в направлении пучка частиц, так что ускоренный пучок частиц вначале облучает первый исходный материал, вследствие чего инициируется первая ядерная реакция, пучок частиц теряет вследствие этого энергию и затем облучает второй исходный материал, следствие чего инициирует вторую ядерную реакцию.

Частицы, например протоны, ускоряются при помощи блока ускорителя и формируются в пучок.

Взаимодействие ускоренного пучка частиц с первым исходным материалом генерирует первый радиоактивный изотоп, который может быть произведен из первого исходного материала посредством различных известных способов.

Заторможенный пучок частиц, который взаимодействует со вторым исходным материалом, генерирует второй радиоактивный изотоп, который может быть произведен, в свою очередь, из второго исходного материала.

Таким образом, на основе пучка частиц производят и получают два различных радиоактивных изотопа путем одноразового ускорения частиц в пучке частиц, так что обеспечивается экономически выгодное производство двух различных радиоактивных изотопов. Ускорение частиц нуждается обычно лишь в одном блоке ускорителя средней величины, который может быть введен в действие и установлен in situ. Оба радиоактивных изотопа могут быть произведены описанным способом in situ, вблизи или в пределах желаемого места его использования, например в пределах больницы.

Прежде всего, это имеет особое преимущество при производстве радионуклидов для ОФЭКТ интроскопии, так как в отличие от обычных, не местных, методов производства на больших установках, например в ядерных реакторах, и связанной с этим проблемой распределения изготовление на месте решает многие проблемы. Отделения ядерной медицины могут планировать свой объем работы и документопоток независимо друг от друга, и они не связаны дорогостоящей логистикой и инфраструктурой.

Первый исходный материал и второй исходный материал помещают по отдельности и последовательно друг за другом в направлении пучка. Пучок частиц с определенной первой энергией облучает первый исходный материал, при этом первая энергия превышает вторую энергию, с которой пучок частиц облучает затем второй исходный материал. В частности, пучок частиц требуется ускорять, таким образом, лишь на первый энергетический уровень. Необходимая для облучения второго исходного материала энергия достигается, по меньшей мере частично, вследствие затормаживания пучка частиц при облучении первого материала.

В частности, толщина первого исходного материала может быть выполнена таким образом и согласована для последующей ядерной реакции пучка частиц со вторым исходным материалом, что при пронизывании его пучком частиц пучок частиц тормозится на уровень энергии частиц, который находится в диапазоне, позволяющем в результате взаимодействия заторможенного пучка частиц со вторым исходным материалом инициировать ядерную реакцию, пригодную для производства и наработки второго радиоактивного изотопа.

В этой форме осуществления толщина первого исходного материала обеспечивается в достаточной степени низкой, так что выходящий пучок частиц после выхода из первого исходного материала обладает достаточно высокой энергией, чтобы привести к желаемому взаимодействию во втором исходном материале. С другой стороны, толщина может быть в достаточной степени большой, чтобы затормозить пучок частиц в потребном диапазоне взаимодействия, так что больше не требуются дополнительные модуляторы энергии перед вторым исходным материалом.

В частности, пучок частиц перед облучением первого исходного материала может быть ускорен по меньшей мере на энергию 15 МэВ, в частности по меньшей мере 25 МэВ, и даже на энергию свыше 50 МэВ. Таким образом, обеспечивается, что первая ядерная реакция происходит в энергетическом диапазоне, который позволяет произвести изотоп, используемый для ОФЭКТ интроскопии, например произвести из подходящего материала ^99mTc.

После прохода первого исходного материала и перед облучением второго исходного материала пучок частиц может иметь энергию меньше 15 МэВ. Этим гарантируется, что энергия пучка частиц находится в диапазоне, в котором эффективное сечение взаимодействия позволяет инициировать ядерную реакцию для производства радионуклида для ПЭТ интроскопии, в частности для производства ¹¹С, ¹³N, ¹⁸F или ¹⁵O из подходящего известного материала.

Первый исходный материал, соответственно второй исходный материал, в зависимости от желаемого, намеченного к производству изотопа, может представлять собой металл, быть химическим соединением, находиться в твердой форме или в жидкой форме. Например, может использоваться жидкий раствор, в котором находятся встречающиеся в природе или обогащенные изотопы, которые затем в результате облучения производят желаемый радиоактивный изотоп.

Заявляемое в изобретении устройство для производства первого радиоактивного изотопа и второго радиоактивного изотопа при помощи ускоренного пучка частиц содержит:

- блок ускорителя для создания пучка частиц, в частности пучка протонов,

- первую мишень облучения, которая содержит первый исходный материал и на которую направлен ускоренный пучок частиц, при этом из первого исходного материала посредством первой ядерной реакции, которая инициируется взаимодействием ускоренного пучка частиц с первым исходным материалом, производят первый радиоактивный изотоп, и при этом пучок частиц при облучении первого исходного материала затормаживается,

- расположенную в направлении пучка позади первой мишени облучения вторую мишень облучения, при этом из второго исходного материала посредством второй ядерной реакции, которая инициируется взаимодействием заторможенного ускоренного пучка частиц со вторым исходным материалом, производят второй радиоактивный изотоп,

при этом эффективное сечение взаимодействия для первой ядерной реакции находится на более высоком энергетическом уровне частиц, чем эффективное сечение взаимодействия для второй ядерной реакции.

Первый радиоактивный изотоп может представлять собой пригодный для ОФЭКТ интроскопии радионуклид, в частности ^99mTc. Второй радиоактивный изотоп может представлять собой пригодный для ПЭТ интроскопии радионуклид, в частности ¹¹С, ¹³N, ¹⁸F или ¹⁵O.

Блок ускорителя может быть выполнен для ускорения пучка частиц перед облучением первого исходного материала по меньшей мере на энергию 15 МэВ, в частности по меньшей мере 25 МэВ.

Предшествующее и последующее описание отдельных признаков, их преимуществ и их воздействий относится в равной мере как к категории устройства, так и к категории способа, причем это особо не упоминается отдельно в каждом случае; раскрытые при этом отдельные признаки могут быть существенными для изобретения также в других, как и в показанных комбинациях.

Ниже поясняются более детально формы осуществления изобретения с предпочтительными вариантами исполнения, согласно признакам зависимых пунктов формулы изобретения, на основе следующего чертежа, и вместе с тем не ограничиваясь ими. Показаны:

фиг.1 - схематичный вид конструкции устройства для производства двух различных радиоактивных изотопов,

фиг.2 - диаграмма, иллюстрирующая различные сечения для различных ядерных реакций с различными исходными материалами,

фиг.3 - диаграмма для иллюстрации стадий способа, которые могут быть осуществлены при реализации способа.

На фиг.1 показан общий вид устройства для производства двух различных радионуклидов, один из них для ОФЭКТ интроскопии и другой для ПЭТ интроскопии.

Пучок протонов 11 создается блоком ускорителя 13, например циклотроном, и имеет вначале первую энергию порядка от 15 МэВ до 50 МэВ.

Затем пучок протонов направляют на первый мишенный блок 15, который содержит пакет исходного материала, который в результате взаимодействия с пучком частиц в ядерной реакции производит используемый для ОФЭКТ интроскопии ⁹⁹Мо/^99mTc. При помощи выводного устройства 17 изготовленный в пакете первый радиоактивный изотоп 19 извлекается и собирается, так что он подготовлен для дальнейшего использования.

При этом мишенный материал для производства ^99mTc может представлять собой ¹⁰⁰Мо, так что ^99mTc из ядерной реакции получается как ¹⁰⁰Мо (p, n) ⁹⁹Tc.

В результате прохода через мишенный блок 15 пучок протонов 11 затормаживается на энергетическом уровне, который находится ниже 15 МэВ.

Затем пучок протонов 11 направляют на второй мишенный блок 21, в котором находится пачка второго исходного материала, который взаимодействием с пучком протонов 11 в другой ядерной реакции производит радионуклид для ПЭТ интроскопии.

Второй радиоактивный изотоп может представлять собой, например, ¹¹С, ¹³N, ¹⁸F или ¹⁵O. Второй радиоактивный изотоп 25 также выделяется и собирается при помощи другого выводного устройства 23 из второго мишенного блока 21, так что он подготовлен к дальнейшему использованию.

Следующая таблица дает общее представление о мишенных материалах и ядерных реакциях, посредством которых могут быть изготовлены ПЭТ радионуклиды.

Радионуклид Ядерная
реакция Энергетический
Диапазон, МэВ Расчетный выход,
MBq/μA h Мишень Образующийся
в мишени
продукт ¹¹C ¹⁴N(p, α) 13→3 3820 N₂(O₂) ¹¹СО, ¹¹CO₂ ¹³N ¹⁶ O(p, α) 16→7 1665 H₂ ¹⁶O ¹³NO₂ ^- , ¹³NO₃ ^{- 15}O ¹⁴N(d, n)
¹⁵N(p, n) 8→0
10→0 2368
2220 N₂(O₂)
¹⁵N₂(O₂) ¹⁵OO
¹⁵OO ¹⁸F ¹⁸O(p, n)
¹⁴Ne(d, α) 16→3
14→0 2960
1110 H₂ ¹⁸O
¹⁸0₂/(F₂)
Ne(F₂) ¹⁸F_aq ^-
[¹⁸F]F₂
[¹⁸F]F₂

На фиг.2 показана очень схематическая диаграмма, на которой представлено зависящее от энергии Е пучка частиц эффективное сечение σ для ядерной реакции. Первая кривая 31 сечения обозначает первую ядерную реакцию, которую инициирует пучок частиц в первом исходном материале. Вторая кривая 33 сечения обозначает вторую ядерную реакцию, которую инициирует пучок частиц во втором исходном материале.

Следует обратить внимание на то, что пик для второго сечения находится при очевидно более высоком энергетическом уровне, чем пик для второго сечения при более низком энергетическом уровне. Это обстоятельство используется в устройстве, соответственно в способе, поскольку это позволяет использовать один и тот же пучок частиц, чтобы вызвать последовательно одну за другой желаемые ядерные реакции. При этом возникающее в первой ядерной реакции торможение пучка частиц является желательным, так как он попадает, таким образом, в благоприятный для второй ядерной реакции энергетический диапазон.

На фиг.3 показано схематичное изображение стадий способа в одной из форм осуществления способа.

Вначале формируют пучок частиц. Это может быть достигнуто при помощи циклотрона, который создает пучок частиц постоянно при одной и той же конечной энергии (стадия 41).

Затем пучок частиц направляют на мишень, которая содержит первый исходный материал (стадия 43). Посредством взаимодействия пучка частиц с первым исходным материалом инициируется первая ядерная реакция, в которой производят первый радиоактивный изотоп. Произведенный радиоактивный изотоп получают посредством известного способа выделения (стадия 45).

Наконец, заторможенный пучок частиц направляют на вторую мишень, которая содержит второй исходный материал (стадия 47). Во второй ядерной реакции формируется второй радиоактивный изотоп, который затем нарабатывают посредством известного способа выделения (стадия 49).

Перечень позиций к чертежу

11 Пучок протонов 13 Блок ускорителя 15 Первый мишенный блок 17 Первое выводное устройство 19 Первый радиоактивный изотоп 21 Второй мишенный блок 23 Другое выводное устройство 25 Второй радиоактивный изотоп 31 Первая кривая сечения ядерной реакции 33 Вторая кривая сечения ядерной реакции 41 Стадия 41 43 Стадия 43 45 Стадия 45 47 Стадия 47 49 Стадия 49

Изобретение относится к средствам производства изотопов при помощи ускоренного пучка частиц. В заявленном способе ускоренный пучок частиц (11) направляют на первый исходный материал, содержащийся в мишенном блоке (15), в котором производят первый радиоактивный изотоп (19) посредством первой ядерной реакции. Таким образом пучок частиц затормаживают, далее пучок направляют на второй исходный материал, содержащийся в мишенном блоке (21), и производят второй радиоактивный изотоп (25) посредством второй ядерной реакции, при этом эффективное сечение для инициирования первой ядерной реакции показывает первый пик на первом энергетическом уровне частиц, эффективное сечение для инициирования второй ядерной реакции взаимодействием ускоренного пучка частиц со вторым исходным материалом показывает второй пик во втором энергетическом уровне частиц, имеющий значение ниже первого энергетического уровня частиц. Заявленное устройство содержит блок (13) ускорителя, первую мишень облучения с первым исходным материалом и расположенную за ней вторую мишень облучения со вторым исходным материалом. Техническим результатом является уменьшение потерь энергии на ускорение за счет возможности одноразового ускорения частиц, а также совмещение производства различных изотопов, требующего различных условий. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.

1. Способ производства первого радиоактивного изотопа (19) и второго радиоактивного изотопа (25) при помощи ускоренного пучка частиц (11), в котором реализуются следующие стадии:
- направление ускоренного пучка частиц (11) на первый исходный материал и производство первого радиоактивного изотопа (19) из первого исходного материала в результате первой ядерной реакции, которая инициируется взаимодействием ускоренного пучка частиц (11) с первым исходным материалом,
- направление ускоренного пучка частиц (11) на второй исходный материал и производство второго радиоактивного изотопа (25) из второго исходного материала в результате второй ядерной реакции, которая инициируется взаимодействием ускоренного пучка частиц (11) со вторым исходным материалом,
при этом эффективное сечение для инициирования первой ядерной реакции (31) взаимодействием ускоренного пучка частиц (11) с первым исходным материалом показывает первый пик на первом энергетическом уровне частиц, и при этом эффективное сечение для инициирования второй ядерной реакции (33) взаимодействием ускоренного пучка частиц (11) со вторым исходным материалом показывает второй пик на втором энергетическом уровне частиц, который ниже первого энергетического уровня частиц,
и при этом первый исходный материал и второй исходный материал помещают последовательно друг за другом в направлении пучка частиц (11), так что ускоренный пучок частиц вначале облучает первый исходный материал, вследствие чего инициируется первая ядерная реакция, пучок частиц теряет вследствие этого энергию и затем облучает второй исходный материал, что приводит к инициированию второй ядерной реакции.

2. Способ по п.1, в котором толщина первого исходного материала выполнена таким образом, что при пронизывании его пучком частиц (11) пучок частиц (11) тормозится на энергетическом уровне частиц, который находится в диапазоне, позволяющем в результате взаимодействия заторможенного пучка частиц (11) со вторым исходным материалом инициировать ядерную реакцию, пригодную для производства и наработки второго радиоактивного изотопа (25).

3. Способ по любому из пп.1-2, в котором пучок частиц, в частности, пучок протонов (11), перед облучением первого исходного материала ускоряется, по меньшей мере, на энергию 15 МэВ, в частности, по меньшей мере, 25 МэВ.

4. Способ по п.1, в котором пучок частиц, в частности, пучок протонов (11), перед облучением второго исходного материала имеет энергию меньше 15 МэВ.

5. Способ по п.1, в котором первый радиоактивный изотоп (19) представляет собой пригодный для ОФЭКТ интроскопии радионуклид, в частности ^99mTc.

6. Способ по п.1, в котором второй радиоактивный изотоп (25) представляет собой пригодный для ПЭТ интроскопии радионуклид, в частности ¹¹C, ¹³N, ¹⁸F или ¹⁵О.

7. Способ по п.1, в котором первый исходный материал или второй исходный материал представляет собой металл или химическое соединение и, в частности, находится в жидком растворе или в газообразном состоянии.

8. Устройство для производства первого радиоактивного изотопа (19) и второго радиоактивного изотопа (25) при помощи ускоренного пучка частиц (11), которое содержит:
- блок ускорителя (13) для создания пучка частиц (11), в частности, пучка протонов,
- первую мишень облучения (15), которая содержит первый исходный материал и на которую направлен ускоренный пучок частиц (11), при этом из первого исходного материала посредством первой ядерной реакции, которая инициируется взаимодействием ускоренного пучка частиц (11) с первым исходным материалом, производят первый радиоактивный изотоп (19), и при этом пучок частиц (11) при облучении первого исходного материала затормаживается,
- расположенную в направлении пучка позади первой мишени облучения (15) вторую мишень облучения (21), при этом из второго исходного материала посредством второй ядерной реакции, которая инициируется взаимодействием заторможенного ускоренного пучка частиц (11) со вторым исходным материалом, производят второй радиоактивный изотоп (25),
при этом эффективное сечение взаимодействия для первой ядерной реакции (31) находится на более высоком энергетическом уровне частиц, чем эффективное сечение взаимодействия для второй ядерной реакции (33).

9. Устройство по п.8, в котором первый радиоактивный изотоп (19) представляет собой пригодный для ОФЭКТ интроскопии радионуклид, в частности содержит ^99mTc, и/или при этом второй радиоактивный изотоп (25) представляет собой пригодный для ПЭТ интроскопии радионуклид, и в частности содержит ¹¹C, ¹³N, ¹⁸F или ¹⁵О.

10. Устройство по любому из пп.8-9, в котором блок ускорителя (13) выполнен для ускорения пучка частиц (11) перед облучением первого исходного материала, по меньшей мере, на энергию 15 МэВ, в частности, по меньшей мере, 25 МэВ.