CC BY
20УДК 544.58: 661.12 DOI 10.52928/2070-1624-2022-38-4-69-80
НАКОПЛЕНИЕ РАДИОНУКЛИДОВ В СМЕННЫХ ДЕТАЛЯХ И ВОДНОЙ МИШЕНИ ЦИКЛОТРОНА
А. Н. КИЙКО
(Белорусский государственный институт метрологии, Минск); канд. физ.-мат. наук, доц. С. А. ВАБИЩЕВИЧ, Н. В. ВАБИЩЕВИЧ (Полоцкий государственный университет); канд. физ.-мат. наук Д. И. БРИНКЕВИЧ (Белорусский государственный университет, Минск)
Рассмотрено накопление нежелательных долгоживущих радионуклидов при производстве радиофармпрепаратов на основе 18F с использованием циклотрона IBA Cyclone 18/9 HC. С помощью спектрометрии гамма-излучения высокого разрешения с детекторами HPGe проведена идентификация радионуклидов и оценка активности в активируемых компонентах (стриппер, входное окно мишени) «медицинского» 18-Мэв циклотрона IBA Cyclone 18/9. В регенерированной воде идентифицированы более 20 нежелательных радионуклидов. Описаны различные механизмы попадания долгоживущих радионуклидов в облученную воду. Полученные результаты имеют важное значение для оптимизации методов обращения с радиоактивными отходами при производстве радиофармпрепаратов и, как следствие, минимизации дозовых нагрузок персонала.
Ключевые слова:радиофармпрепараты, радионуклиды, циклотрон, обогащенная 18О вода, протонное облучение.
Введение. В настоящее время коммерческие циклотроны, ускоряющие отрицательные ионы водорода и дейтерия в диапазоне энергий от 10 до 30 МэВ, широко используются для производства медицинских и промышленных изотопов [1]. Медицинские изотопы применяются в различных отраслях медицины (нейрологии, кардиологии, онкологии и т.д.) для диагностики ряда заболеваний, а также для терапии злокачественных новообразований [2]. Большинство изотопов, используемых в медицинской практике, нарабатывается путем бомбардировки жидких, газовых или твердых мишеней пучками ускоренных протонов. Чаще всего медицинские изотопы являются продуктами (p, n), (p, 2n) или (p, а) реакций. В литературе такие циклотроны часто называют «медицинскими».
Ежегодно в мире выполняется 37-40 млн диагностических процедур ядерной медицины и 7,5 млн радиотерапевтических процедур, а спрос на радиоизотопы ежегодно увеличивается на 5%, что примерно соответствует общему приросту оборудования и исследований. Данный показатель существенно зависит от страны и в отдельных случаях может составлять 15-20% прироста в год и более. По оценке МАГАТЭ, в отделениях ядерной медицины во всем мире работает более 100 тыс. человек, при этом в последние годы наблюдается значительный рост количества исследований при относительно стабильном количестве персонала, что приводит к увеличению интенсивности труда и, как следствие, может приводить к увеличению лучевой нагрузки [3].
В медицинской диагностике обычно используются короткоживущие изотопы с периодом полураспада в несколько часов. Они должны быть использованы в течение небольшого промежутка времени после облучения мишени и получения радиофармпрепарата (РФП). Чтобы обеспечить цикл производства таких препаратов, циклотроны и лаборатории по производству размещаются на месте использования РФП -в больницах, центрах по распределению медицинских препаратов, диагностических центрах и т.п. Это обстоятельство обуславливает резкое ужесточение требований по радиационной безопасности и обращению с радиоактивными отходами.
Наиболее распространенными РФП, применяющимися при позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ), являются препараты на основе 18F, который образуется по реакции 18O (p, n) 18F при бомбардировке водной мишени, обогащенной 18O (> 95%), протонами с энергией 9-18 МэВ. Образующиеся в этой реакции вторичные нейтроны активируют компоненты циклотрона, а также бетонные стены, создавая радиологические опасности во время периода обслуживания или вывода из эксплуатации циклотрона [4-7]. Помимо наработки целевого радионуклида 18F, в результате протонной и нейтронной активации мишени циклотрона происходит накопление в облучаемой воде [18O]H2O побочных радиоактивных продуктов с достаточно высокими уровнями активности. Состав и уровни активности побочных радионуклидов сильно зависят от конструкционных параметров используемого циклотрона и условий облучения [8; 9].
Побочные радионуклиды (ПРН) провоцируют целый ряд нежелательных последствий. С одной стороны, попадая с облученной водой непосредственно в реактор, они снижают выход РФП [10-15]. С другой стороны, накопление ПРН в расходных материалах радиохимического синтеза (флаконы с регенерированной
водой [18O]H2O, одноразовые кассеты, картриджи твердофазной экстракции и стерилизующие фильтры), а также в незаменяемых элементах модуля синтеза, существенно увеличивает дозовые нагрузки на радиохимический персонал при выполнении ежедневного обслуживания, дезинфекционной обработки и подготовки горячих камер к производству. Так, мощности эквивалентной дозы (МЭД) на расстоянии 10 см от флакона с регенерированной водой [18O]H2O (объемом до 10 мл) после трех дней выдержки по мере активации мишени возрастали с 5 до 250 мкЗв/ч. При этом внутри горячей камеры с установленными в ней модулями Synthera (IBA, Бельгия) МЭД через сутки после синтеза превышала 80 мкЗв/ч и мало изменялась после поверхностной дезактивации оборудования [13].
Кроме того, загрязнение расходных материалов радиохимического синтеза ПРН приводит к увеличению номенклатуры и объемов жидких и твердых радиоактивных отходов (РАО), требующих выдержки до достижения необходимых МЗА в течение нескольких лет [8; 9; 12], и, соответственно, обуславливает увеличение дозовых нагрузок для персонала, ответственного за дозиметрию, учет и контроль РАО. При интенсивном ежедневном производстве РФП (до 3 синтезов в день) в ПЭТ-центре накапливается большое количество жидких радиоактивных отходов (ЖРО), которые в основном представляют собой регенерированную воду [18O]H2O и, в меньшей степени, растворы для дезактивации оборудования [14].
Одна из наиболее важных проблем использования (и вывода из эксплуатации) «медицинских» циклотронов связана с высокой активностью, индуцированной в компонентах циклотрона, в частности в теле мишени. Перечень радионуклидов, образующихся в различных частях циклотрона, в основном определяется взаимодействием с его частями протонного пучка или вторичных нейтронов, образующихся в мишени [6-12; 15]. Эта проблема актуальна в связи с необходимостью радиационной защиты операторов при техническом обслуживании циклотрона с заменой его компонентов (стриппера, деталей мишени и т.д.), которое приходится проводить не реже 1-2 раз в год. До радиоактивного распада извлеченные компоненты обычно хранятся в свинцовом контейнере. Перед закладкой на хранение необходимо знание величин остаточной активности наиболее важных радионуклидов, присутствующих в извлеченном компоненте. Это также необходимо для оценки степени облучения персонала при техническом обслуживании.
В настоящее время в мире работают более двух тысяч циклотронов. Основным предназначением более 70% из них является производство медицинских радионуклидов [5]. Интерес к исследованию накопления нежелательных радионуклидов при работе «медицинских» циклотронов и производстве РФП резко возрос в последние десятилетия [9; 10; 15-21]. Активность и состав радионуклидов в облученной воде определяются условиями конкретного производства (тип циклотрона, материал входного окна и тела мишени, интенсивность и длительность облучения и т.д.) и могут варьировать в широких пределах. В последние годы были выполнены исследования накопления радионуклидов на различных «медицинских» циклотронах (GE PET trace, Siemens ECLIPSE RDS-11, CYPRIS HM18, CYPRIS MINI trace и TR 19/9) с разными типами мишеней (серебряными, титановыми и танталовыми) [9-11; 15; 20; 22-27]. Эти исследования обычно проводятся перед запуском ПЭТ-центров или на начальном этапе их работы. Влияние длительного интенсивного рабочего цикла на накопление ПРН ранее не исследовалось. Кроме того, ощущается недостаток информации по циклотрону Cyclone 18/9 HC.
Идентификацию у-излучающих радионуклидов и определение их активности выполняли с использованием спектрометра на особо чистом германии: детекторная система GEM40-83/DSPEC jr 2.0; энергетический диапазон 14,5-2911,4 кэВ; разрешение 0,182 кэВ/канал. Идентификацию ПРН проводили посредством соотнесения энергий у-квантов, определенных экспериментально, со справочными значениями. Из-за высокой активности образцов измерения проводили не менее, чем через двое суток после последнего облучения на калибраторе активности Isomed 2010 (MED Nuklear - Medizintechnik Dresden Gmb, Германия).
Контроль содержания ß-излучающих радионуклидов проводился с использованием автоматического жидкостного сцинтилляционного спектрометра с TDCR регистрацией HIDEX 300 SL и гамма-бета-спектрометра МКС-АТ1315. Для HIDEX 300 SL энергетический диапазон составил 0-2 МэВ по ß-части-цам, интервал - 0,182 кэВ/канал, эффективность - более 26% (для трития), более 95% (для 14C). Средний фон для ß-частиц - 9 имп/мин. Для МКС-АТ1315 диапазон энергий бета-излучения - 0,15-3,5 МэВ. Средний фон для ß-частиц - 270 имп/мин, чувствительность для 90Sr в геометрии 0,03 л - 3,5-10-3 имп-л/(с-Бк). Использован жидкий сцинтиллятор на основе толуола. Пробы объемом 1 мл разводились в 10 мл жидкого сцинтиллятора. Время измерения ß-спектра - 1000 с.
Накопление радионуклидов в сменных деталях циклотрона. В этом разделе приведены экспериментальные данные по оценке активности и идентификации радионуклидов в активированных компонентах мишени (входные окна мишени из фольги Havar и титановой фольги) и стриппера (вилки съемника и углеродная фольга) «медицинского» 18-Мэв циклотрона IBA Cyclone 18/9, находящихся на пути протонного пучка и обычно заменяемых каждые полгода, а по мере необходимости и чаще. Исследование проводилось с помощью спектрометрии гамма-излучения высокого разрешения с детекторами HPGe. Основные мишенные компоненты обычно заменяются (за исключением сбоев или аномалий) после ~200 ч облучения. Так, типична замена входного окна мишени из сплава Havar при интегрированном мишенном токе
~2000 мкА-ч [22]. Замененные детали должны храниться в свинцовом контейнере толщиной не менее 5 см, потому что уровень возникающей дозы примерно в 100 раз превышает мощность дозы амбиентного фона.
Стриппер в циклотронах медицинского назначения представляет собой тонкую пленку пиролити-ческого графита, использующуюся в устройствах вывода протонного пучка. В них отрицательно заряженные ионы Н- теряют электроны и трансформируются в положительно заряженные протоны, вследствие чего направление отклонения ионного пучка в магнитном поле изменяется на противоположное и он может быть легко выведен на облучаемую мишень.
Стриппер облучался дозами до 5000 мкА- ч циклами длительностью по 100-120 мин при плотности ионного тока ~100 мкА- см-2 со средним временным промежутком между циклами ~22 ч. Величина мощности дозы на расстоянии 10 см от стриппера через 2 дня после замены была около 50 мкЗв ч-1.
В у-спектрах облученного стриппера через неделю после последнего облучения наблюдались линии радионуклидов (РН) никеля 57№, кобальта 55Со, 56Со, 57Со, 58Со, марганца 54Мп, хрома 51Сг (таблица 1) и низкоактивного 657п. Доминирующим радионуклидом является 51Сг с периодом полураспада 27,7 суток. Указанные радионуклиды образуются в результате ядерных реакций с протонами стабильных изотопов железа (56Бе, 57Ре, 58Ре), хрома (52Сг, 53Сг, 54Сг) и никеля (58№) [28]. Это указывает на присутствие перечисленных изотопов в качестве примесей в пиролитическом графите либо на попадание этих элементов на поверхность стриппера в результате испарения из других деталей циклотрона. Радионуклидов, обусловленных взаимодействием протонов со стабильными изотопами углерода, не обнаружено. Вероятнее всего, это обусловлено короткими периодами полураспада (г1/2 от десятков секунд до нескольких минут) указанных радионуклидов.
Отметим, что полученные нами методом спектрометрии данные хорошо коррелируют с данными [29]. Единственное исключение составляют более низкие, чем в нашем случае, значения активности 51Сг и 57Со, что может быть обусловлено отличием в условиях облучения (малая 2,2 мл мишень, средний ток 32 мкА в ~3 раза меньше нашего) и применением при измерении коллимационного устройства со свинцовой стенкой с целью сокращения мертвого времени.
Таблица 1. - Активности у-излучающих радионуклидов в фольге стриппера
РН t1/2, дней Активность после 2 дней хранения, кБк Активность после полугода хранения, кБк Реакции образования
51Cr 27,7 23 1 52Cr (p,pn) 51Cr
54Mn 312,3 1,2 - 53Cr (р,у) 54Mn 52Cr (p,n) 54Mn
55Co 0,73 1,5 - 54Fe (р,у) 55Co 58Ni (p,d) 55Co
56Co 77,7 8 - 56Fe (p,n) 56Co 57Fe (p,2n) 56Co
57Co 271,8 3 3 56Fe (p,Y) 57Co 57Fe (p,n) 57Co
58Co 70,9 2,8 - 57Fe (p,Y) 58Co 58Fe (p,n) 58Co
57Ni 1,48 3,4 - 58Ni (p,pn) 57Ni
После хранения в течение полугода величина мощности дозы на расстоянии 10 см от стриппера снижается до значений < 1 мкЗв ч-1 и он может выведен из состава РАО. При этом в у-спектрах наблюдались линии 57Co, 51Cr и 65Zn с активностью, близкой к пределу детектирования.
Входное окно мишени. Непосредственно после облучения детали входного окна мишени (Havar-фольга и титановое окно) имеют высокую удельную активность, что приводит к большому мертвому времени измерения даже при очень больших использованных расстояниях от детектора. Так, по данным [29] при измерении активности деталей входного окна водной мишени 18 МэВ циклотрона Cyclone 18/9 НС значение мощности дозы, измеренное ионизационной камерой TOL/F на расстоянии 10 см от фольги Havar, составляло около 6 мЗв/ч примерно через 25 дней после последнего облучения (или 41 мкЗв/ч на расстоянии 1 м).
В таблице 2 приведены основные идентифицированные радионуклиды с оценкой активности после последнего облучения. Отметим, что наибольшую активность имела Havar-фольга. Причем наибольший вклад в активность вносят радионуклиды с периодом полураспада около 70 дней. Это означает, что через ~2 года (10 периодов полураспада), общая активность будет снижена до значений, близких к 1 мкЗв ч-1 и может быть рассмотрен вопрос вывода указанных компонент мишени из состава РАО.
Таблица 2. - Активности у-излучающих радионуклидов в Иауаг-фольге и титановом окне, скорректированные на момент окончания облучения [29]
РН t1/2, дней Havar-фольга, МБк Титановое окно, кБк Реакции образования
51Cr 27,7 0,45 - 52Cr (p,pn) 51Cr
54Mn 312,3 0,8 - 53Cr (р,у) 54Mn 52Cr (p,n) 54Mn
52Mn 5,591 29 - 52Cr(p,n)52Mn
56Co 77,7 24 0,031 56Fe (p,n) 56Co 57Fe (p,2n) 56Co
57Co 271,8 0,4 0,00064 56Fe (p,Y) 57Co 57Fe (p,n) 57Co
58Co 70,9 65 - 57Fe (p,y) 58Co 58Fe (p,n) 58Co
46Sc 83,83 - 0,74 46Ti(n,p) 46Sc
48V 15,976 - 30,2 48Ti(p,n)48V 49Ti(p,2n)48V
В деталях входного окна серебряной водной мишени 9,6 МэВ циклотрона MINI trace были обнаружены следующие радионуклиды: в фольге Havar - изотопы кобальта 60Co, 56Co, 57Co, 58Co, марганца 54Mn, технеция 95Tc, кадмия 109Cd и рения 183Re; в титановой фольге - 56Co, 57Co, 46Sc, 48V, 51Cr и 75Se с более низкой активностью; а в уплотнении Helicoflex - только три РН 60Co, 58Co и 51Cr. Эти результаты хорошо коррелируют с данными работы [29], приведенными выше.
Накопление нежелательных у-излучающих радионуклидов в водной мишени. В таблице 3 представлены результаты наших исследований процессов накопления нежелательных радионуклидов, образующихся в воде [18O]H2O, обогащенной по кислороду 18О до 97%, и проведено их сравнение с имеющимися литературными данными. Исследования проводились в течении 3 лет интенсивной работы циклотрона Cyclone 18/9 HC. Использовали ниобиевую мишень Nirta Fluor объемом 3,2 мл с входным окном из сплава Havar толщиной 25 мкм. Время облучения мишени за один производственный цикл составляло 100-130 мин, ионный ток на мишени - 75-80 цА. Мощность, выделяемая на мишени, при этих условиях облучения составляет ~1,45 кВт. Средняя интенсивность работы циклотрона составляла от 5 до 9 циклов облучения в неделю.
В облученной воде нами были идентифицированы более 20 нежелательных радионуклидов. В таблице 3 представлены возможные реакции их образования и основные ядерно-физические характеристики [8]. Существенное влияние на активность и набор радионуклидов в облученной воде оказывает ранее накопленная мишенью доза. Так, при накопленной на мишени дозе свыше 2000 ^A-ч содержание РН в облученной воде возрастает на порядок и увеличивается набор детектируемых нежелательных радионуклидов [18], что обусловлено радиационно-индуцированной коррозией мишени [8; 30]. Содержание ПРН также зависело от режима, длительности и периодичности облучения мишени, содержания химических примесей в воде и ряда других факторов.
Таблица 3. - Основные характеристики идентифицированных нежелательных радионуклидов, образующихся при облучении на циклотроне Cyclone 18/9 водной ниобиевой мишени с входным окном из сплава Havar
РН Возможная реакция получения Тип и энергия излучения изотопа Период полураспада,
и ее пороговая энергия (кэВ) схема распада
1 2 3 4
55Co 58Ni(p,a)55Co; 1,36 МэВ 54Fe(p,y)55Co Y, 931,3; 477,2; 1408,4; 1316,4; 3253,41 в+ (76 %); КЗ(24 %) 17,5 ч 55Co^55Fe^55Mn
56Co 56Fe(p,n)56Co; 5,44 МэВ 68Ni(p,t)56Co Y, 846,77; 1238,28; 2598,45; 1771,36; 3253,41 КЗ (81 %); Р+ (19 %) 77,27 сут 56Co^56Fe
57Co 56Fe(p,Y)57Co 57Fe(p,n)57Co; 1,65 МэВ 58Ni(p,2p)57Co 58Ni(n,d)57Co; 6,05 МэВ 58Ni(p,2p)57Co; 8,31 МэВ 60Ni(p,a)57Co; 0,27 МэВ Y, 122,06; 136,47; 14,41; 692,03 КЗ 271,8 сут 57Co^57Fe
58Co 57Fe(p,Y)58Co 58Fe(p,n)58Co; 3,14 МэВ 58Ni(n,p)58Co; 0 МэВ 60Ni(p,t)58Co 59Co(n,2n)58Co 59Co(n,pn)58Co Y, 810,76; 863,96; 1674,73 КЗ Р+(14,5 %) 70,92 сут 58Co^58Fe
Окончание таблицы 3
1 2 3 4
51Cr 50Cr(n,y)51Cr; 0 МэВ 54Fe(n,a)51Cr 52Cr (p,np)51Cr; 12,3 МэВ Y, 320,08 КЗ 27,7 сут 51Cr—51V
52Mn 52Cr(p,n)52Mn; 5,6 МэВ 54Fe(n,p2n) 52Mn Y, 744,23; 935,54; 1333,65; 1434,07 КЗ 5,59 сут 52Mn—52Cr
54Mn 53Cr(p,y)54Mn 54Cr(p, n)54Mn; 2,2 МэВ 58Ni(n,pa)54Mn; 6,42 МэВ Y, 834,85 КЗ 312,3 сут 54Mn—54Cr
57Ni 58Ni(p,pn)57Ni; 10,17 МэВ 58Ni(n,2n)57Ni; 12,41 МэВ Y, 1757,5; 127,2; 1919,5; 1377,6 КЗ; P+(53 %) 35,6 ч 57Ni—57Co—57Fe
7Be 7Li(p,n)7Be 10B(p,a)7Be uB(p,na)7Be Y, 477,60 КЗ 53,29 сут 7Be—7Li
65Zn 65Cu(p,n)65Zn 64Zn(n,Y)65Zn Y, 1115,55 КЗ 244,3 сут 65Zn—65Cu
92mNb 93Nb(n,2n)92mNb; 8,9 МэВ 93Nb(Y,n)92mNb Y, 934,46; 912,73; 1847,27 КЗ; P+ 10,15 сут 92mNb—92Zr
95Nb 98Mo(p,a)95Nb 95Mo(n,p)95Nb Y, 204,12; 561,67; 765,8 P- 34,98 сут 95Nb—95Mo
95mNb 98Mo(p,a)95mNb 95Mo(n,p)95mNb Y, 204,12; 582,08; 786,2; 820,62 ИП (94,4 %) P- (5,6 %) 86,6 ч 95mNb—95Mo
96Nb 96Mo(n,p)96Nb Y, 778,2; 568,8; 459,88; 849,93 P- 23,35 ч 96Nb—96Mo
95Tc 94Mo(p,Y)95Tc; 95Mo(p,n)95Tc; 2,5 МэВ 96Mo(p,2n) 95Tc Y, 765,79; 947,67; 1073,7; 869,6 КЗ 20,0 ч 95Tc—95Mo
95mTc 94Mo(p,Y)95mTc; 95Mo(p, n)95mTc; 2,5 МэВ 96Mo(p,2n) 95Tc Y, 204,12; 582,1; 786,2; 835,15; 1036,3 КЗ (96,1%), ИП (3,9 %) 61 сут 95mTc—95Mo
96Tc 95Mo(p,Y)96Tc; 96Mo(p,n)96Tc; 3,8 МэВ Y, 778,22; 812,58; 849,93; 1126,97 КЗ 4,28 сут 96Tc—96Mo
181Re 182W(p,2n)181Re; 10,65 МэВ Y, 365,6; 360,7; 639,3; 953,42 КЗ 19,9 ч 181Re—181W— —181Ta
182Re 182W(p,n)182Re; 3,6 МэВ Y, 1221,4; 229,3; 67,75; 1121,3 КЗ 64 ч 182Re—>182"W
183Re 182W(p,Y)183Re 183W(p,n)183Re; 1,35 МэВ Y, 46,48; 162,32; 291,72; 208,80 КЗ 70,0 сут 183Re—183W
184Re 183W(p,Y)184Re 184W(p,n)184Re; 2,23 МэВ Y, 111,21; 792,07; 894,76; 903,28 КЗ 38,0 сут 184Re—184W
184mRe 183W(p,Y)184mRe 184W(p,n)184mRe; 2,23 МэВ Y, 161,27; 216,55; 252,85; 920,93 КЗ (24,6 %) ИП (75,4 %) 169 сут 184Re—184W
182Ta 182W(n,p)182Ta Y, 1189,05; 67,75; 1121,3; 1221,4 в- 114,4 сут 182Ta—182W
183Ta 183W(n,p)183Ta Y, 107,93; 246,06; 353,99; 161,35 P- 5 сут 183Ta—183W
Доминирующими радионуклидами при облучении водной мишени циклотрона Cyclone 18/9 HC с ни-обиевой мишенью и входным окном из сплава Havar являются изотопы кобальта (55Co, 56Co, 57Co, 58Co), хрома (51Cr), марганца (52Mn, 54Mn), никеля (57Ni) и бериллия (7Be). Радиоизотопы ниобия, технеция и рения имели значительно более низкие активности. Отметим, что другими исследователями при использовании циклотронов разных типов (GE PET trace [9; 10; 15; 23; 24,], CYPRIS HM18 [20], CYPRIS MINI trace [27; 31] и TR 19/9 [11; 22]) с входным окном из сплава Havar вне зависимости от материала мишени (серебра [9; 23; 24; 27; 31; 32], ниобия [10; 11], тантала [26] или титана [20]) присутствие радиоизотопов Co, Cr, Ni и Mn в облученной воде наблюдается практически всегда. Исключение составляет облучение на циклотроне CYPRIS MINI trace с энергией 9,6 МэВ. В этом случае в у-спектрах отсутствует линия 320 кэВ, обусловленная радиоизотопом 51Cr. Доминирующей реакцией образования этого изотопа во входном окне водяной мишени является 52Cr(p, np)51Cr с пороговой энергией 12,3 МэВ, превышающей энергию протонов в циклотроне CYPRIS MINI trace. Реакции на нейтронах менее продуктивны. Так, сечение реакции 54Fe(n,a)51Cr, протекающей на резонансных нейтронах, по данным [33] не превышает 2 мбарн. Реакция 50Cr(n,y)51Cr имеет достаточно высокое сечение реакции 15 барн, но она протекает на тепловых нейтронах.
Для ее протекания необходимо торможение нейтронов, поэтому вероятность ее протекания в мишени невелика. Кроме того, доля изотопа 50Cr в естественной смеси составляет 4,3%. Указанные обстоятельства и обуславливают отсутствие 51Cr в облученной воде CYPRIS MINI trace.
Активность каждого из радионуклидов в регенерированной воде [18O]H2O на момент окончания синтеза (таблица 4) варьирует в широких пределах - от единиц до сотен тысяч Бк - в зависимости от накопленной мишенью дозы, а также, в меньшей степени, от длительности облучения и тока на мишени. Активность РН 7Be определялась в основном партией [18O]H2O воды и сроками ее хранения, а для одной партии линейно зависела от длительности облучения в производственном цикле. Для остальных РН активности определялись в основном накопленной мишенью дозой, причем минимальные значения активности этих РН, приведенные в таблице 4, характерны для «чистой» (предварительно не облучавшейся) мишени, а максимальные - для мишеней с накопленной дозой свыше 4000 мкА-ч.
Таблица 4. - Диапазон измеренных активностей долгоживущих ПРН в воде [180]И20 на момент окончания облучения
Радионуклид Активность, кБк
7Be 0,01 - 12
51Cr 0,041 - 84
52Mn 0,05 - 17
54Mn 0,119 - 5,5
55Co 15,3 - 92
56Co 1,95 - 41,9
57Co 1,08 - 19,7
58Co 10,4 - 141
57Ni 9,73 - 7,41
92Nb + 95Nb 0,03 - 0,20
95Tc + 96Tc 0,02 - 12,9
183Re + 184Re 0,05 - 0,61
182Ta + 183Ta 0 - 0,18
Радиоизотопы технеция, ниобия, рения и тантала, как правило, имеют активность на три порядка ниже, чем радионуклиды кобальта, хрома и марганца. Так, суммарная активность нуклидов Тс, Яе не превышает 1-5% от суммарной активности радиоизотопов кобальта. В ряде экспериментов активность указанных радионуклидов была ниже предела обнаружения (~5-10 Бк) использовавшейся методики у-спек-трометрии. Тем не менее, присутствие именно радиоизотопов технеция, ниобия, рения наблюдалось в готовой лекарственной форме РФП [18Б]ФДГ и [18РЩаР [18; 21; 34], причем их активность резко возрастала при облучении мишеней с накопленной дозой свыше 2500-3000 ц А-ч [18].
Основным механизмом попадания РН в облучаемую воду [180]И20 является вымывание продуктов активации из окна мишени. Отметим, что вымывание происходит в жестких химических условиях при облучении: постоянное точечное воздействие высокоэнергетического (18 МэВ) протонного пучка, рабочее давление ~25-30 атм., разогрев мишени до температур свыше 220 °С. Сплав Иауаг содержит ряд хорошо активирующихся элементов: кобальт (42%), хром (19,5%), железо (18,1%), никель (13,7%), вольфрам (2,7%), молибден (2,2%), марганец (1,6%) и углерод (0,2%)1. Все указанные выше элементы в составе фольги (кроме углерода) являются эффективными источниками РН. Как отмечалось в [29], радиоизотопы 51Сг, 56Со, 57Со, 58Со и 54Мп обнаруживаются в облученной Иауаг-фольге даже через 400 дней после последнего облучения. Большинство из нежелательных РН образуются в Иауаг-окне в результате реакций на протонах и, в меньшей степени, на нейтронах. Сравнение расчетных и экспериментальных данных [15; 35] показывает, что вследствие коррозии/эрозии из входного окна мишени в облучаемую воду вымываются от 10-2 до 10-5% изотопов 51Сг, 56Со, 57Со, 58Со, 52Мп, 54Мп и 57№.
Следует отметить, что циклотронные мишени для производства медицинских радионуклидов страдают от двух основных проблем: коррозии из-за облученной протонами воды и охрупчивания жидкими металлами. Материал входного окна мишени должен отвечать следующим требованиям: обрабатываемость или простота конструкции, высокая температура плавления, высокие характеристики теплообмена, отличная химическая инертность, высокая прочность, позволяющая выдерживать давление свыше 30 атм. и т.д. [30].
1 Havar. Technical Data Sheet [Electronic resource], Hamilton Precision Metals, Lancaster, PA. URL: https://www.hpmet-als.com/-/media/ametekhpmetals/files/technical-data/ni-base-corrosion-resistant/havar.pdf.
Соответствуя в наибольшей степени всем этим условиям, сплав Иауаг является основным материалом для изготовления входных окон водных мишеней циклотронов, несмотря на то, что представляет собой, как отмечено выше, основной источник нежелательных ПРН в облученной воде. В настоящее время ведутся работы по созданию входных окон из Иауаг-пленок, защищенных химически стойкими антикоррозионными покрытиями на основе нанесенными магнетронным напылением [11; 22; 30]. Это позволяет снизить содержание ПРН в облученной воде: примеси Со - в 25 раз, N1 и Мп - на порядок, Сг, Бе и Мо - в 2 раза [11].
Как отмечалось выше, при возрастании накопленной мишенью дозы > 2000 ^А-ч концентрация в облученной воде нежелательных ПРН возрастает почти на порядок. Это может быть объяснено следующими обстоятельствами. С ростом накопленной дозы входное окно мишени аморфизируется. Наиболее интенсивно этот процесс протекает на границах зерен. Аморфные участки в процессе облучения распыляются быстрее [36], что способствует усилению коррозии мишени. Действие обоих указанных факторов приводят к возрастанию концентрации нежелательных РН в облученной воде [180]И20.
Ниобиевая мишень является источником только одного радионуклида 92т№, активность которого невелика (обычно не превышает 100 Бк). Он преимущественно образуется в результате реакции 93№(п,2п)92т№ с пороговой энергией 8,9 МэВ и довольно высоким сечением реакции ~1,4 барн в диапазоне энергий нейтронов 12-18 МэВ. Возможно также протекание фотоядерной реакции 93№(у,п)92т№ [37]. Не следует исключать и образование долгоживущих радионуклидов (ДРН) 182,183Та и 95,96№ из примесей вольфрама и молибдена в ниобиевой мишени по (п,р) реакции. Однако для изготовления мишеней используется ниобий очень высокой чистоты (свыше 99% [21]), поэтому такой механизм образования радионуклидов тантала и ниобия маловероятен. Следует отметить, что при использовании входного окна из ниобия на ниобиевой мишени [21] основными ДРН в облученной воде являются 93тМо и 92ш№>. Эти же радионуклиды наблюдались и при облучении входного окна из сплава Иауаг с пленкой № толщиной 188 нм, нанесенной магнетронным напылением [22], причем наиболее активный из них 93тМо (период полураспада г1/2 = 6,85 часа) нарабатывался во входном окне по реакции 93№>(р,п)93тМо с участием протонов и, следовательно, в наших экспериментах не наблюдался.
Заметим, что с точки зрения накопления РН ниобиевая мишень является наиболее приемлемой. Активность образующегося при ее облучении радионуклида 92т№ пренебрежимо мала (ниже на 3-4 порядка) по сравнению с активностью РН, обусловленных активацией входного окна мишени из сплава Иауаг (см. таблицу 4). Для мишеней из других материалов ситуация хуже. Так, для наиболее часто применяемых серебряных мишеней основными РН являются 109С(1 и 110А§, образующиеся по реакциям 109Ag(p,n)109Cd и 109А§(п,у)110А§. Причем их активность часто превышает суммарную активность от ДРН, образующихся в Иауаг-окне [9; 15; 27]. В титановой мишени образуются 48У (возможные реакции 48Т1(р,п)48У и 49Т1(р,2п)48У) и 468с по реакции 46Т1(п,р)468с, причем удельная активность в воде радиоизотопа 48У превышает 1 кБк/г и немногим уступает активности доминирующего 51Сг [20].
Особняком среди всех РН стоит 7Ве. Он наблюдался в качестве одного их основных в облученной воде многими исследователями на разных мишенях (ниобиевой, серебряной, титановой) с различными входными окнами (Иауаг и ниобий) [10; 21; 27; 38]. Однако механизм его формирования не определен, причем в большинстве работ он вообще не обсуждается. Мы наблюдали сильную зависимость активности 7Ве от используемой партии воды - она изменялась при смене флакона с водой [180]И20. Кроме того, нами была установлена жесткая корреляция активности указанного РН с длительностью облучения. Полученные экспериментальные данные позволяют однозначно утверждать, что рассматриваемый изотоп образуется в процессе активации примесей бора и, вероятно, лития, содержащихся в [18О]И20, под действием высокоэнергетических протонов. Так, согласно сертификату качества производителя, обогащенная вода содержит бор в концентрации до 0,00011 мг/л, а Ы - до 0,000065 мг/л. Кроме того, концентрации бора и щелочных металлов могут увеличиваться при длительном хранении воды во флаконах из боросиликатного стекла. По нашему мнению, именно активация указанных примесей в [18О]И20 воде по реакциям 7Ы(р,п)7Ве и 10В(р,а)7Ве является источником образования 7Ве. Аналогичного мнения придерживаются и авторы [10], полагающие, что источником радиоизотопа 7Ве является примесь бора в облучаемой [18О]И20 воде.
Схожее поведение было характерно и для радионуклида 657п [39]. Его активность также не зависела от набранной мишенью дозы и изменялась лишь при смене флакона с водой [180]И20, поэтому мы полагаем, что и его предшественником являются стабильные изотопы в составе воды. В частности, 657п может образовываться при активации изотопов меди или цинка, которые присутствуют в [180]И20 и могут попадать в нее, например, из теплообменного оборудования в процессе обогащения и/или в процессе нормализации по тритию.
Полученные нами экспериментальные данные по осаждению РН на анионно-обменном картридже [8; 13] свидетельствуют о том, что в условиях наработки [18Б]фторида происходит образование не только истинного раствора, содержащего ионы примесных ПРН, но и коллоидно-дисперсной фазы. По нашим данным до 30% кобальта и марганца, а также ~7% хрома находятся в составе твердых частиц размерами > 5 мкм, вымытых из входной фольги мишени циклотрона, причем доля коллоидно-дисперсной фазы увеличивается с ростом накопленной мишенью дозы. В то же время бериллий находился в основном в виде
истинного раствора и механическими фильтрами не задерживался. Аналогичное поведение характерно и для РН ниобия и технеция, которые являются основными радионуклидными примесями в радиофармпрепаратах на основе 18F при облучении мишеней с большой накопленной дозой (> 4000 мкА-ч).
Подтверждением наличия дисперсной фазы в облученной воде [18O]H2O являются результаты, опубликованные в [23]. В этой работе приведены данные по осаждению ДРН на мишенных PAT-фильтрах с порами диаметром 10 мкм. По данным [23] на мишенных PAT-фильтрах осаждалось ~7% от суммарной активности ДРН, однако поведение конкретных радионуклидов сильно отличалось. Так, на механическом фильтре осаждалось ~25% радионуклидов кобальта, до 11-15% марганца и хрома, а радиоизотопы Tc и Re практически не осаждались (до 1-3%). Это хорошо согласуется с полученными нами данными.
Основной источник накопления нежелательных РН в облученной воде - это входное окно мишени из сплава Havar, который представляет собой поликристалл с размерами кристаллитов от 10 мкм и выше. Кристаллиты состоят в основном из атомов кобальта, хрома, железа и никеля, которые являются источниками радионуклидов 51Cr, 56Co, 57Co, 58Co, 52Mn, 54Mn и 57Ni (см. таблицу 3). Вольфрам и молибден, являющиеся источником РН технеция, ниобия, тантала и рения (см. таблицу 3), преимущественно входят в состав межкристаллитной аморфной фазы. Одним из наиболее вероятных механизмов образования частиц с размером более 5 мкм является межкристаллитная коррозия фольги Havar - преимущественное вымывание металла из аморфной фазы между более стойкими к коррозии кристаллитами. Этот процесс, хорошо известный в атомной энергетике для аустенитных сталей [40], может протекать в жестких условиях производства 18F - при бомбардировке фольги протонами с энергией 18 МэВ и ее контакте с водой при температуре свыше 220 °С и давлении ~30 атм. При облучении высокоэнергетичными ионами поликристаллической мишени (в нашем случае входного окна из сплава Havar) наблюдается также преимущественное испарение аморфной межкристаллитной фазы [36]. В результате этого, а также ускоренного вымывания аморфной фазы, связи между отдельными кристаллитами на поверхности фольги ослабляются, вследствие чего кристаллиты могут вымываться как единое целое. Взвешенными дисперсными частицами в таком случае будут выступать микрокристаллиты из сплава Havar, содержащие в себе продукты активации материала окна мишени (преимущественно 51Cr, 56Co, 57Co, 58Co, 52Mn, 54Mn и 57Ni). РН ниобия и технеция попадают в воду из аморфной фазы, поэтому не входят в состав коллоидно-дисперсной фазы и не задерживаются механическими фильтрами. Радионуклид 7Be, как отмечалось выше, образуется в процессе активации примесей бора и лития, содержащихся в [180]H20. По этой причине в облученной воде он находится в виде истинного раствора и механическими фильтрами не задерживается.
Нельзя также исключить и возможности образования дисперсной фазы с включениями РН в результате окислительно-восстановительных процессов вследствие реакции материала мишени с радикальными продуктами радиолиза воды. При радиолизе воды с равными выходами образуются как ОН-радикалы, активно окисляющие поверхность металлов, так и сольватированные электроны, восстанавливающие ионы металлов в растворе вплоть до степени окисления 0. Образовавшиеся в ходе высокотемпературного радиолиза отдельные свободные атомы металлов при этом способны агрегировать в коллоиды, размеры которых могут достигать нескольких микрон.
Заключение. Проанализированные в настоящей работе процессы и механизмы попадания нежелательных долгоживущих радионуклидов имеют важное значение для оптимизации методов обращения с радиоактивными отходами при производстве радиофармпрепаратов и, как следствие, минимизации до-зовых нагрузок персонала.
ЛИТЕРАТУРА
1. Папаш, А. И. Коммерческие циклотроны / А. И. Папаш, Ю. Г. Аленицкий. // Физика элементарных частиц и атомного ядра. - 2008. - Т. 39, Вып 4. - Ч. 1 : Коммерческие циклотроны в диапазоне энергий от 10 до 30 МэВ для производства изотопов. - С. 1150-1214.
2. Кодина, Г. Е. Методы получения радиофармацевтических препаратов и радионуклидных генераторов для ядерной медицины / Г. Е. Кодина, Р. Н. Красикова. - М. : МЭИ, 2014. - 282 с.
3. Рыжов, С. А. К вопросу о безопасности персонала в отделении ядерной медицины /С. А. Рыжов, А. В. Водватов, Ю. В. Дружинина // Актуальные проблемы разработки, производства и применения радиофармацевтических препаратов: сб. тез. докл. IV Междунар. науч.-практ. конф. «РАДИ0ФАРМА-2021», М., 30 сент. - 3 окт. 2021 г. / ФГБУ ГНЦ ФМБЦ им. А. И. Бурназяна ФМБА России ; под ред. Г. Е. Кодиной, А. А. Лабушкиной. - М., 2021. - С. 54.
4. Позитронно-эмиссионная томография Ч. 1: Характеристика метода. Получение радиофармпрепаратов / С. Д. Брин-кевич [и др.] // Медико-биологические проблемы жизнедеятельности. - 2013. - № 2 - С. 129-137.
5. Consideration, measurements and logistics associated with low-energy cyclotron decommissioning / J. J. Sunderland
[et al.] // 14th Intern. Workshop on Targetry and Target Chemistry. AIP Conf. Proc. - 2012. - Vol. 1509. - Р. 16-20. -
DOI: 10.1063/1.4773931.
6. Brinkevich, D. I. Activation of the cooling circuit water of the Cyclone 18/9-HC cyclotron during the production of 18F / D. I. Brinkevich, A. Ya. Maliborski, S. D. Brinkevich // Physics of atomic nuclei. - 2019. - Vol. 82, № 12. - P. 17141720. - DOI: 10.1134/S1063778819120044.
7. Measurements of residual radioactivity of machine elements and concrete on the cyclotron decommissioning / T. Shiomi [et al.] // J. Nuclear Science Technology. - March 2000. - S. 1. - P. 357-361.
8. Бринкевич, С. Д. Активационные радионуклиды при облучении ниобиевой мишени на циклотроне Cyclone 18/9 HC / С. Д. Бринкевич, Д. И. Бринкевич, А. Н. Кийко // Ядерная физика и инжиниринг. - 2019. - Т.10. - № 6. - С.574-580.
9. Radionuclide impurities in proton-irradiated [18O]H2O for the production of 18F-: Activities and distribution in the [18F]FDG synthesis process / L. Bowden [et al.] // Applied Radiation and Isotopes. - 2009. - Vol. 67. - P. 248-255.
10. Distribution and separation of metallic and radionuclidic impurities in the production of 18F-fluorodeoxyglucose / K. Kilian [et al.] // J. of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. - 2016. - Vol. 307, № 2. - P. 1037-1043.
11. Avila-Rodriguez, M. A. A quantitative and comparative study of radionuclidic and chemical impurities in water samples irradiated in a niobium target with Havar vs niobium-sputtered Havar as entrance foils / M. A. Avila-Rodriguez, J. S. Wilson, S. A. McQuarrie // Applied Radiation and Isotopes. - 2008. - Vol. 66, № 12. - P. 1775-1780.
12. Schlyer, D. J. Impurities in the [18O]water target and their effect on the yield of an aromatic displacement reaction with [18F]fluoride / D. J. Schlyer, M. L. Firouzbakht, A. P. Wolf // Applied Radiation and Isotopes. - 1993. - Vol. 44, № 12. -P. 1459-1465.
13. Разделение долгоживущих радионуклидов на анионообменном картридже QMA light при производстве радиофармпрепаратов на основе 18F / В. О. Крот [и др.] // Радиохимия. - 2021. - Т. 63, № 2. - С. 193-200.
14. Переработка облученной воды [18O]H2O в условиях ПЭТ-центра / С. Д. Бринкевич [и др.] // Радиохимия. - 2019. -Т .61, № 4. - С. 344-350.
15. Monte Carlo simulation and radiometric characterization of proton irradiated [18O]H2O for the treatment of the waste streams originated from [18F]FDG synthesis process / R. Remetti [et al.] // Applied Radiation and Isotopes. - 2011. -Vol. 69. - P. 1046-1051.
16. Activation of air and concrete in medical isotope production facilities. / A. C. Dodd [et al.] // AIP Conference Proceedings. - 2017. - Vol. 1845. - DOI: 10.1063/1.4983537.
17. Обращение с водными радиоактивными отходами при производстве радиофармпрепаратов на основе 18F / В. О. Крот [и др.] // Вестн. Полоц. гос. ун-та. Сер. С, Фундам. науки. - 2018. - № 4. - C. 128-134.
18. Долгоживущие радионуклиды при производстве [18Р]фторхолина для ПЭТ-диагностики / П. В. Тылец [и др.] // Изв. НАН Беларуси. Сер. химических наук. - 2018. - № 3. - С. 359-368.
19. Quantification of the activity of tritium produced during the routine synthesis of 18F fluorodeoxyglucose for positron emission tomography / C. Marshall [et al.] // J. Radiological Protection. - 2014. - Vol. 34. - P. 435-444. - DOI: 10.1088/0952-4746/34/2/435.
20. Measurement of the induced radionuclides in production of radiopharmaceuticals for positron emission tomography (PET) / S. Mochizuki [et al.] // J. Nuclear Science and Technology. - 2006. - Vol. 43, № 4. - Р. 348-353.
21. Radionuclide impurities in [18F]F- and [18F]FDG for positron emission tomography / M. Kohler [et al.] // Applied Radiation and Isotopes. - 2013. - Vol. 81. - P. 268-271.
22. Niobium sputtered Havar foil for the high-power production of reactive [18F]fluoride by proton irradiation of [18O]H2O targets / J. S. Wilson [et al.] // Applied Radiation and Isotopes. - 2008. - Vol. 66. - P. 565-570.
23. Assessment of radionuclidic impurities in 2-[18F]fluoro-2-deoxy-d-glucose ([18F]FDG) routine production / M. Marengo [et al.] // Applied Radiation and Isotopes. - 2008. - Vol. 66, № 3. - P. 295-302.
24. Measurement of long lived radioactive impurities retained in the disposable cassettes on the Tracerlab MX system during the production of [18F]FDG / D. Ferguson [et al.] // Appl. Radiat. Isotopes. 2011. - Vol. 69, № 10. - P. 1479-1485. -DOI: 10.1016/j.apradiso.2011.05.028.
25. Measurement of the residual radioactivity induced in the front foil of a target assembly in a modern medical cyclotron / R. C. O'Donnell [et al.] // Applied Radiation and Isotopes. - 2004. - V. 60, № 2-4. - P. 539-542.
26. Radionuclidic purity tests in 18F radiopharmaceuticals production process / T. Dziel [et al.] // Applied Radiation and Isotopes. -2016. - Vol. 109, № 2. - P. 242-246.
27. Radioactive byproducts in [18O]H2O used to produce 18F for [18F]FDG synthesis / S. Ito [et al.] // Applied Radiation and Isotopes. - 2006. - Vol. 64, № 3. - P. 298-305.
28. Пленки пиролитического графита, облученного ионами водорода Н- / С. А. Вабищевич [и др.] // Взаимодействие излучений с твердым телом : материалы 13 междунар. конф., Минск, 30 сент. - 3 окт. 2019 г. / Белорус. гос. ун-т ; редкол.: В. В. Углов (отв. ред.) [и др.]. - Минск, 2019. - С. 43-45.
29. Gamma-ray spectrometric characterization of waste activated target components in a PET cyclotron / P. Guarino [et al.] // Cyclotrons and Their Applications-2007: Eighteenth International Conference (01-05.10.2007). Giardini Naxos, Italy. - P. 295-297.
30. Influence of the microstructure on the diffusion barrier performance of Nb-based coatings for cyclotron targets / V. Pal-mieri [et al.] // J. Vacuum Science & Technology. - 2019. - Vol. 37, № 5. - DOI: 10.1116/1.5098168.
31. Measurement of activation products generated in the [18F]FDG production by a 9.6 MeV cyclotron / J. C. Chavez [et al.] // Radiation Physics and Chemistry. - 2016. - Vol. 126. - P. 32-36. - DOI: 10.1016/j .radphyschem. 2016.05.006.
32. Long-lived contaminants in cyclotron-produced radiopharmaceuticals: measurement and dosimetry / R. L. Metzger [et al.] // J. Radioanalytical and Nuclear Chemistry. - 2018. - Vol. 318. - P. 7-10. - DOI: 10.1007/s10967-018-5970-6.
33. Сечение реакции 54Fe(n,a)51Cr на тепловых нейтронах / С. П. Макаров [и др.] // Атомная энергия. - 1991. - Т. 70, № 3. - С. 194-106.
34. Долгоживущие радионуклиды в производстве 2-[18Е]фтордезоксиглюкозы / Д. И. Бринкевич [и др.] // Медицинская физика. - 2018. - № 1(77). - С. 80-88.
35. Alloni, D. Experimental and Monte Carlo characterization of radionuclidic impurities originated from proton irradiation of [lsO]H2O in a modern medical cyclotron / D. Alloni, M. Prata, B. Smilgys // Applied Radiation and Isotopes. - 2019. -V. 146. - P. 84-89. - DOI: 10.1016/j .apradiso.2019.01.026.
36. Исследование воздействия ионов криптона с энергией 305 MeV на высокоориентированный пиролитический графит / А. Ю. Дидык [и др.] // Письма в ЖТФ. - 2000. - Т. 26, N 17. - C. 1-5.
37. Using a clinical linac to determine the energy levels of 92mNb via the photonuclear reaction / M. Aygun [et al.] // Applied Radiation and Isotopes. - 2016. - Vol. 115, № 1. - P. 97-99.
38. Gillis, J. M. Analysis of metal radioisotope impurities generated in [18O]H2O during the cyclotron production of flu-orine-18 / J. M. Gillis, N. Najim, J. Zweit // Applied Radiation and Isotopes. - 2006. - Vol. 64, № 3. - P. 431-434.
39. Очистка [18Е]фторида от долгоживущих радионуклидов при производстве [18Е]фтордезоксиглюкозы / А. А. Ива-нюкович [и др.] // Медицинская физика. - 2018. - № 4(80). - С. 59-65.
40. Иванов, С. Н. Влияние высокодозного нейтронного облучения на склонность к межкристаллитной коррозии аустенитной нержавеющей стали 12Х18Н9Т / С. Н. Иванов, С. И. Поролло, А. М. Дворяшин // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Материаловедение и новые материалы. - 2006. - № 2. - С. 222-228.
REFERENCES
1. Papash, A. I., & Alenitskii, Yu. G. (2008). Kommercheskie tsiklotrony. Chast' 1. Kommercheskie tsiklotrony v diapazone energii ot 10 do 30 MeV dlya proizvodstva izotopov [Commercial cyclotrons. Part 1. Commercial cyclotrons in the energy range from 10 to 30 MeV for isotope production]. Fizika elementarnykh chastits i atomnogo yadra [Physics of Elementary Particles and Atomic Nuclei]: Vol. 39, iss 4 (1150-1214). (In Russ.).
2. Kodina, G. E., & Krasikova, R. N. (2014). Metody polucheniya radiofarmatsevticheskikh preparatov i radionuklidnykh generatorov dlya yadernoi meditsiny [Methods for obtaining radiopharmaceuticals and radionuclide generators for nuclear medicine]. Moscow: MEI. (In Russ.).
3. Ryzhov, S. A., Vodvatov, A. V., & Druzhinina, Yu. V. (2021). K voprosu o bezopasnosti personala v otdelenii yadernoi meditsiny. [On the issue of personnel safety in the nuclear medicine department]. In G. E. Kodina & A. A. Labushkina (Eds.) Aktual'nye problemy razrabotki, proizvodstva i primeneniya radiofarmatsevticheskikh preparatov: sb. tez. dokl. [Actual problems of development, production and use of radiopharmaceuticals] (54). Moscow: EMBC - EMBA. (In Russ.).
4. Brinkevich, S. D., Sukonko, O. G., Chizh, G. V., & Naumovich, A. S. (2013). Pozitronno-emissionnaya tomografiya. Chast' 1 : Kharakteristika metoda. Poluchenie radiofarmpreparatov [Positron emission tomography. Part 1 : Method description. Production of radiopharmaceuticals]. Mediko-biologicheskie problemy zhiznedeyatel'nosti [Medical and Biological Problems of Life Activity], (2), 129-137. (In Russ., abstr. in Engl.).
5. Sunderland, J. J., Erdahl, C. E., Bender, B. R., Sensoy, L., & Watkins, G. L. (2012). Consideration, measurements and logistics associated with low-energy cyclotron decommissioning. 14th Intern. Workshop on Targetry and Target Chemistry. AIP Conf. Proc: V. 1509. (16-20). DOI: 10.1063/1.4773931.
6. Brinkevich, D. I., Maliborski, A. Ya., & Brinkevich, S. D. (2019). Activation of the cooling circuit water of the Cyclone 18/9-HC cyclotron during the production of 18E. Physics of atomic nuclei, 82(12), 1714-1720. DOI: 10.1134/S1063778819120044.
7. Shiomi, T., Azeyanagi Y., Yamadera, A., & Nakamura, T. (2000). Measurements of residual radioactivity of machine elements and concrete on the cyclotron decommissioning. J. Nuclear Science Technology, (1), 357-361.
8. Brinkevich, S. D., Brinkevich, D. I., & Kiiko A. N. (2019). Aktivatsionnye radionuklidy pri obluchenii niobievoi misheni na tsiklotrone Cyclone 18/9 HC [Activation radionuclides during irradiation of a niobium target at the Cyclone 18/9 HC cyclotron]. Yadernaya fizika i inzhiniring [Nuclear Physics and Engineering], 10(6), 574-580. (In Russ., abstr. in Engl.).
9. Bowden, L., Vintro, L. L., Mitchell, P. I., O4Donnell, R. G., Seymour, A. M., & Duffy G. J. (2009). Radionuclide impurities in proton-irradiated [18O]H2O for the production of 18E-: Activities and distribution in the [18E]EDG synthesis process. Applied Radiation and Isotopes: Vol. 67. (248-255).
10. Kilian, K., Pegier, M., Pecal, A., & Pyrzynska, K. (2016). Distribution and separation of metallic and radionuclidic impurities in the production of 18E-fluorodeoxyglucose. J. of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 307(2), 1037-1043.
11. Avila-Rodriguez, M. A., Wilson, J. S., & McQuarrie S. A. (2008). A quantitative and comparative study of radionuclidic and chemical impurities in water samples irradiated in a niobium target with Havar vs niobium-sputtered Havar as entrance foils. Applied Radiation and Isotopes, 66(12), 1775-1780.
12. Schlyer, D. J., Eirouzbakht, M. L., & Wolf, A. P. (1993). Impurities in the [18O]water target and their effect on the yield of an aromatic displacement reaction with [18E]fluoride. Applied Radiation and Isotopes, 44(12), 1459-1465.
13. Krot, V. O., Brinkevich, S. D., Brinkevich, D. I., & Ivanyukovich, A. A. (2021). Razdelenie dolgozhivushchikh radi-onuklidov na anionoobmennom kartridzhe QMA light pri proizvodstve radiofarmpreparatov na osnove 18E [Separation of long-lived radionuclides on a QMA light anion exchange cartridge in the production of radiopharmaceuticals based on 18E]. Radiokhimiya [Radiochemistry], 63(2), 193-200. (In Russ., abstr. in Engl.).
14. Brinkevich, S. D., Krot, V. O., Brinkevich, D. I., Tugai, O. V., Edimecheva, I. P., & Ivanyukovich, A. A. Pererabotka obluchennoi vody [18O]H2O v usloviyakh PET-tsentra [Processing of irradiated water [18O]H2O in a PET center]. Radiokhimiya [Radiochemistry], 61(4), 344-350.
15. Remetti, R., Burgio, N. T., Maciocco, L., Arcese, M., & Eilannino, M. A. (2011). Monte Carlo simulation and radiometric characterization of proton irradiated [18O]H2O for the treatment of the waste streams originated from [18E]EDG synthesis process. Applied Radiation and Isotopes, 69, 1046-1051.
16. Dodd, A. C., Shackelton, R. J., Carr, D. A., & Ismail, A. (2017). Activation of air and concrete in medical isotope production facilities. AIP Conference Proceedings: Vol. 1845. DOI: 10.1063/1.4983537.
17. Krot, V. O., Tugai, O. V., Brinkevich, D. I., Brinkevich, S. D., Chizh, G. V., & Vabishchevich, S. A. (2018). Obrashchenie s vodnymi radioaktivnymi otkhodami pri proizvodstve radiofarmpreparatov na osnove 18F [Handling of aqueous radioactive waste in the production of radiopharmaceuticals based on 18F]. Vestnik Polotskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya C, Fundamental'nye nauki [Herald of Polotsk State University. Series C. Fundamental sciences], (4), 128-134.
18. Tylets, P. V., Tugai, O. V., Krot, V. O., Ivanyukovich, A. A., Soroka, S. A., Brinkevich, D. I., ... Chizh, G. V. (2018). Dolgozhivushchie radionuklidy pri proizvodstve [18F]ftorkholina dlya PET-diagnostiki [Long-lived radionuclides in the production of [18F]fluorocholine for PET-diagnosis]. Izvestiya Natsional'noi akademii nauk Belarusi. Seriya khimich-eskikh nauk [Proceedings of the National Academy of Sciences of Belarus, Chemical Series], 54(3), 359-368. DOI: 10.29235/1561-8331-2018-54-3-359-368.
19. Marshall, C., Talboys, M. A., Bukhari, S., & Evans, W. D. (2014). Quantification of the activity of tritium produced during the routine synthesis of 18F fluorodeoxyglucose for positron emission tomography. J. Radiological Protection, 34(2), 435-444. DOI: 10.1088/0952-4746/34/2/435.
20. Mochizuki, S., Ogata, Y., Natano, K., Abe, J., Ito, K., Ito, Y., ... Ishigure, N. (2006). Measurement of the induced radionuclides in production of radiopharmaceuticals for positron emission tomography (PET). J. Nuclear Science and Technology, 43(4), 348-353.
21. Kohler, M., Degering, D., Zessin, J., Fuchtner, F., & Konheiser, J. (2013). Radionuclide impurities in [18F]F- and [18F]FDG for positron emission tomography. Applied Radiation and Isotopes, (81), 268-271. DOI: 10.1016/j .apradiso .2013.03.044.
22. Wilson, J. S., Avila-Rodriquez, M. A., Johnson, R. R., Zyuzin, A., & McQuarrie, S. A. (2008). Niobium sputtered Havar foil for the high-power production of reactive [18F]fluoride by proton irradiation of [18O]H2O targets. Applied Radiation and Isotopes, (66), 565-570.
23. Marengo, M., Lodi, F., Magi, S., Cicoria, G., Pancaldi, D., & Boschi, S. (2008). Assessment of radionuclidic impurities in 2-[18F]fluoro-2-deoxy-d-glucose ([18F]FDG) routine production. Applied Radiation and Isotopes, 66(3), 295-302.
24. Ferguson, D., Orr, P., Gillanders, J., Corrigan, G., & Marshall, C. (2011). Measurement of long lived radioactive impurities retained in the disposable cassettes on the Tracerlab MX system during the production of [18F]FDG. Applied Radiation and Isotopes, 69(10), 1479-1485. DOI: 10.1016/j.apradiso.2011.05.028.
25. O'Donnell, R. C., Leon Vintro, I., Duffy, C. J., & Mitchell, P. I. (2004). Measurement of the residual radioactivity induced in the front foil of a target assembly in a modern medical cyclotron. Applied Radiation and Isotopes, 60(2-4), 539-542.
26. Dziel, T., Tyminski, Z., Sobczyk, K., Walecka-Mazur, A., & Kozanecki, P. (2016). Radionuclidic purity tests in 18F radiopharmaceuticals production process. Applied Radiation and Isotopes, 109(2), 242-246.
27. Ito, S., Sakane, H., Deji, S., Saze, T., & Nishizawa, K. (2006). Radioactive byproducts in [18O]№O used to produce 18F for [18F]FDG synthesis. Applied Radiation and Isotopes, 64(3), 298-305.
28. Vabishchevich, S. A., Vabishchevich, N. V., Brinkevich, D. I., Brinkevich, S. D., & Nevzorov, D. I. (2019). Plenki piroliticheskogo grafita, obluchennogo ionami vodoroda N- [Films of pyrolytic graphite irradiated with hydrogen ions H]. Vzaimodeistvie izluchenii s tverdym telom. [Interaction of radiation with a solid body] (43-45). Minsk: Publ. BSU. (In Russ., abstr. in Engl.).
29. Guarino, P., Rizzo, S., Tomarchio, E., & Greco, D. (2007). Gamma-ray spectrometric characterization of waste activated target components in a PET cyclotron. Cyclotrons and Their Applications-2007 (295-297). Giardini Naxos, Italy.
30. Palmieri, V., Azzolini, O., Bempozad, E., De Felicis, D., Johnson, R.R., Renzelli, M., & Scliarova, H. (2019). Influence of the microstructure on the diffusion barrier performance of Nb-based coatings for cyclotron targets. J. Vacuum Science & Technology, 37(5). DOI: 10.1116/1.5098168.
31. Chávez, J. C., Vargas, M. J., & Sánchez R. (2016). Measurement of activation products generated in the [18F]FDG production by a 9.6 MeV cyclotron. Radiation Physics and Chemistry, (126), 32-36. - DOI: 10.1016/j.radphyschem.2016.05.006.
32. Metzger, R. L., Lasche, G. P., Eckerman, K. F., & Leggett R. W. (2018). Long-lived contaminants in cyclotron-produced radiopharmaceuticals: measurement and dosimetry. J. Radioanalytical and Nuclear Chemistry, (318), 7-10. DOI: 10.1007/s10967-018-5970-6.
33. Makarov, S. P., Pik-Pichak, G. A., Rodionov, Yu. F., Khmyzov, V. V., & Yashin, Yu. A. (1991). Sechenie reaktsii 54Fe(n,a)51Cr na teplovykh neitronakh [Cross section of the reaction 54Fe(n,a)51Cr on thermal neutrons]. Atomnaya en-ergiya [Atomic Energy], 70(3), 194-106. (In Russ., abstr. in Engl.).
34. Brinkevich, D. I., Brinkevich, S. D., Baranovskii, O. A., Chizh, G. V., & Ivanyukovich, A. A. (2018). Dolgozhivushchie radionuklidy v proizvodstve 2-[18F]ftordezoksiglyukozy [Long-lived radionuclides in the production of 2-[18F]fluorode-oxyglucose.]. Meditsinskaya fizika [Medicalphysics], 1(77), 80-88.
35. Alloni, D., Prata, M., & Smilgys B. (2019). Experimental and Monte Carlo characterization of radionuclidic impurities originated from proton irradiation of [18O]H2O in a modern medical cyclotron. Applied Radiation and Isotopes, (146), 84-89. DOI: 10.1016/j .apradiso.2019.01.026.
36. Didyk, A. Yu., Latyshev, S. V., Semina, V. K. Stepanov, A.E., Suvorov, A. L., Fedotov, A. S., & Cheblukov, Yu. N. (2000). Issledovanie vozdeistviya ionov kriptona s energiei 305 MeV na vysokoorientirovannyi piroliticheskii grafit [Investigation of the effect of krypton ions with an energy of 305 MeV on highly oriented pyrolytic graphite.]. Pis'ma v Zhurnal tekhnicheskoi fiziki [Technical Physics Letters], 26(17), 1-5. (In Russ., abstr. in Engl.).
37. Aygun, M., Cesur, A., Dogru, M., Boztosun, I., Dapo, H., Kanarya, M., ... Karatepe, S. (2016). Using a clinical linac to determine the energy levels of 92mNb via the photonuclear reaction. Applied Radiation and Isotopes, 115(1), 97-99.
38. Gillis, J. M., Najim, N., & Zweit, J. (2006). Analysis of metal radioisotope impurities generated in [18O]H2O during the cyclotron production of fluorine-18. Applied Radiation and Isotopes, 64(3), 431-434.
39. Ivanyukovich, A. A., Soroka, S. A., Krot, V. O., Brinkevich, D. I., Brinkevich, S. D., Chizh, G. V., & Sverdlov, R. L. (2018). Ochistka [18F]ftorida ot dolgozhivushchikh radionuklidov pri proizvodstve [18F]ftordezoksiglyukozy [Purification
of [18E]fluoride from long-lived radionuclides in the production of [18E]fluorodeoxyglucose]. Meditsinskaya fizika [Medical Physics], 4(80), 59-65. (In Russ., abstr. in Engl.). 40. Ivanov, S. N., Porollo, S. I., & Dvoryashin, A. M. (2006). Vliyanie vysokodoznogo neitronnogo oblucheniya na sklon-nost' k mezhkristallitnoi korrozii austenitnoi nerzhaveyushchei stali 12Х18Н9Т. Voprosy atomnoi nauki i tekhniki. Ser. Materialovedenie i novye materialy, (2), 222-228. (In Russ.).
Поступила 17.03.2022
ACCUMULATION OF RADIONUCLIDES IN REPLACEABLE PARTS AND WATER TARGET CYCLOTRON
A. KIYKO, S. VABISHCHEVICH, N. VABISHCHEVICH, D. BRINKEVICH
The accumulation of unwanted long-lived radionuclides during the production of 18F-based radiopharmaceuticals using the IBA Cyclone 18/9 HC cyclotron is considered. Using high-resolution gamma-ray spectrometry with HPGe detectors, the identification of radionuclides and the assessment of activity in activated components (stripper, target entrance window) of the "medical" 18-MeV cyclotron IBA Cyclone 18/9 were carried out. More than 20 unwanted radionuclides have been identified in irradiated water. Various mechanisms for the entry of long-lived radionuclides into irradiated water are described. The results obtained are of great importance for optimizing the methods of radioactive waste management in the production of radiopharmaceuticals and, as a result, minimizing the radiation exposure of personnel.
Keywords: radiopharmaceuticals, radionuclides, cyclotron, 18O enriched water, proton irradiation.
