Corso acceleratori per la produzione di radioisotopi:

Corso acceleratori per la

produzione di radioisotopi:

Progetto impianto produzione radioisotopi

Gabriele Chiodini

Istituto Nazionale di Fisica Nucleare di Lecce

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Progetto di ricerca e formazione Rif. PON01_03054

“R.A.I.S.E. Reasearch, Application, Innovation, SErvices in Bioimaging”

Lezioni

1. Produzione di radioisotopi con un ciclotrone 2. Descrizione di un ciclotrone commerciale: 


PETtrace 800

3. Progetto di un impianto di produzione di radioisotopi

4. Utilizzo codice open source SRIM per valutazione Range e Perdita di Energia del fascio nel bersaglio

2/14/14 G. Chiodini - Acceleratori per produzione radioisotopi: PET Race 800 2/12

2/14/14 G. Chiodini - Progetto impianto produzione radioisotopi 3/12

Progetto impianto produzione di radioisotopi


Sommario

1. Scelta radioisotopo da produrre

2. Bombardamento e produzione radioisotopo 3. Criteri di progetto del bersaglio

4. Scelta del ciclotrone

5. Radiochimica e recupero materiali 6. Layout di un impianto

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Introduzione

La progettazione di un impianto di produzione di radioisotopi basato su un ciclotrone è discusso.

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Il caso di studi sarà l'isotopo più utilizzato in medicina nucleare, cioè il tallio 201, un agente di imaging cardiaco.

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Il tallio-201, analogamente al potassio, viene facilmente assorbito nel tessuto muscolare del cuore, cioè dal miocardio. 


Imaging del tallio-201 è usato per dimostrare il flusso di sangue all'interno del muscolo cardiaco di un paziente a riposo e sotto sforzo. Tessuto ischemico e infarto possono essere identificate utilizzando tecniche tomografiche 3D.

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Passi nella progettazione

• Scelta radioisotopo e suo impiego

• Scelta materiale primario isotopicamente arricchito

• Scelta energia iniziale e finale di bombardamento

• Scelta corrente e sezione del fascio

• Progetto del target e sua geometria

• Scelta del ciclotrone

• Scelta delle modalità di trasferimento

• Scelta dei processi chimici di sintesi

• Recupero materiali

• Progetto layout impianto

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Caratteristiche del Tallio-201

Tallio-201 è uno dei più complicati isotopi per la produzione.

Le caratteristiche di questo materiale radiofarmaceutico sono:

- L'energia della radiazione gamma è sufficientemente elevata per penetrare il tessuto, ma ancora abbastanza basso per il rilevamento efficiente gamma camera, ossia circa 50 → 250 keV.

- Impurità radionuclidice devono di solito essere inferiore al 1-2%

degli isotopi a più lungo tempo di dimezzamento perché contribuiscono ad aumentare la dose di radiazioni al paziente ed a sfocare le immagini.

- Tempi di dimezzamento di circa 3 giorni sono un periodo di tempo conveniente per la fabbricazione, consegna e somministrazione del materiale al paziente.

- La specifica attività dell'isotopo deve essere sufficientemente alta per produrre eventi sufficienti per essere utilizzati dal sistema di imaging a camera gamma.

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Isotopi arricchiti di produzione

La reazione di produzione preferita per la produzione di tallio - 201 è Tallio - 203 ( p , 3n ) Lead -201 → tallio -201

Il Tallio è costituito da due isotopi principali

Tallio - 203 ( abbondanza naturale 29,5 % ) Tallio - 205 ( abbondanza naturale 70,5 % ),

Il materiale grezzo iniziale per il target del ciclotrone è l'isotopo stabile arricchito - tallio - 203 . Isotopi arricchiti sono prodotti generalmente da grandi separatori elettromagnetici situati all'interno di stabilimenti controllati dai governi, principalmente la produzione di uranio- 235 per il carburante e armi nucleari.

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Reazioni nucleari competitive per 201Tl

• La reazione nucleare utilizzata per la produzione di 201Tl è 


203Tl (p, 3n) 201Pb seguita dal decadimento 201Pb (T1/2 = 9.33 h) 201Tl (T1/2 = 76.03 h)

• Nel grafico è mostrata la sezione d’urto vs energia per le reazioni 203Tl (p, 2n) 202Pb, 203Tl (p, 3n) 201Pb e 203Tl (p, 4n) 200Pb

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Energia del fascio nel bersaglio

L’impurità radionuclide piombo-200 dalla reazione (p, 4n) ha un prodotto figlia Tl-200 con un tempo di dimezzamento di 26 ore e raggi gamma di alta energia. Ciò aumenterebbe la dose assorbita dal paziente notevolmente se la percentuale di impurità fosse maggiore di 1%.

L’energia massima di protoni per la produzione di tallio a 28,5 MeV.

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L’impurità di radionuclide piombo-202 creato dalla reazione (p, 2n) ha un prodotto figlia Tl-202 con un tempo di dimezzamento di 12 giorni e una emissione γ di 1 MeV.

L'energia minima all'uscita del materiale Tl-203 arricchito è similmente a prima fissata a 22 MeV.

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Range e stopping power in Tallio

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Energia[MeV] Energia[MeV]

dE/dx Range[mm]

Progettazione bersaglio

Un sottile strato di isotopo arricchito Tl-203, viene depositato su una base raffreddata più spessa di rame inclinata di un certo angolo rispetto alla direzione del fascio di protoni .

Il calcolo di A0 prevede anche i livelli di impurità per gli altri radionuclidi ed il livello di produzione di Zn-65 (tempo di dimezzamento 265 giorni ) prodotto dalla reazione Cu-65(p,n)Zn-65 che crea un problema di smaltimento rifiuti a causa del raggio gamma 1.12 MeV.

Il calcolo dello stopping power si fa non solo per il Tallio ma anche per il Rame in modo di assicurarsi che il fascio si fermi nel rame e non arrivi al fluido di raffreddamento altrimenti lo attiverebbe.

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Produzione del bersaglio

In generale, per bersagli solidi i materiali sono placcati su basi i n m e t a l l o , c o n b u o n e caratteristiche di conduzione, come il rame, l'argento o alluminio

Metodi di elettrodeposizione p r o p r i e t a r i s o n o s p e s s o utilizzati per garantire che le materie prime di partenza sono c o n f o r m i a l l e c o n d i z i o n i stabilite nel Drug File Master, cioè i protocolli di produzione autorizzati.

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Corrente del fascio

• Nella produzione commerciale di isotopi con ciclotrone il parametro chiave è la corrente del fascio .

• L'attuale gamma di correnti su bersaglio è 150-400 µA.

• Assumiamo una corrente di fascio fino a 200 µA incidente su un bersaglio statico.

• Il problema del trasferimento di calore è affrontato regolando l’angolo nel range 4°-15°

per un bersaglio statico.

• Ciclotroni disponibili in commercio attuali sono in grado di produrre fasci esterni con un buon controllo emittanza.

• Tipica emittanza del fascio è dell'ordine del 5x10π mm.mrad che si traduce in dimensioni del fascio dell'ordine di 3 - 20 mm in altezza o larghezza.

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Temperature del bersaglio

!17 La temperatura del bersaglio deve essere sempre inferiore al punto di fusione. 


Un’innalzamento di temperatura fino a 150 gradi è accettabile.

Calcolo conducibilità termica fatto tenendo conto della natura composta del target ed una corrente di 400uA

Calcolo conducibilità termica fatto tenendo conto solo del rame ed una corrente di 200uA

Trasferimento bersaglio

Due approcci sono oggi utilizzati :

- Trasferimento bersaglio con azionamento pneumatico.

- Trasferimento ferroviario del bersaglio.

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Scelta ciclotrone

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Radiochimica e recupero materiale

!20 EOB=End Of Beam

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Estrazione acida prodotto primario piombo-201 da prodotto iniziale tallio-203 e rame.

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Estrazione con scambio ionico prodotto secondario tallio-201 dal prodotto primario piombo-201.

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- Rimozione del zinco-65 radioattivo dal rame poiché costituisce un grave problema di smaltimento dei rifiuti radioattivi.

Layout del impianto

1. Ciclotrone

2. Una o piu’ linee di fascio 3. Linee di trasferimento

sostanza radiochimiche 4. Unità di processamento

radiochimico

5. Unità di smaltimento materiali radioattivi 6. Unità di preparazione

radiofarmaci

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