МИШЕННОЕ УСТРОЙСТВО К ЦИКЛОТРОНУ С ЭНЕРГИЕЙ ПРОТОНОВ 18 МэВ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИОНУКЛИДА ФТОР-18 В ВИДЕ ФТОРИД-АНИОНА

Полезная модель (ПМ) относится к медицинской технике, а именно к средствам получения радионуклида для производства радиофармпрепаратов (РФП), используемых для проведения диагностики широкого спектра заболеваний методом позитронно-эмиссионной томографии.
Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) - одно из наиболее бурно развивающихся направлений современной ядерной медицины, позволяет выявлять злокачественные новообразования, очаги воспаления и другие патологические процессы, визуализировать метаболизм миокарда.
Использование ПЭТ требует применения радиофармпрепаратов (РФП), меченных ультракороткоживущими позитрон-излучающими радионуклидами, которые нарабатывают с использованием циклотронов. Периоды полураспада таких радионуклидов составляют минуты или десятки минут. Наиболее широко используемым радионуклидом для ПЭТ-томографии является фтор-18 (более 90% обследований пациентов проводят с РФП, меченными фтором-18).
18
18
18
18
18
2
Радионуклид фтор-18 производится по ядерной реакции O(p,n)F при облучении протонами с энергией 12-18 МэВ кислорода, обогащенного изотопом O, в химической форме H O. Используется вода с обогащением 97% по изотопу O. Радионуклид обладает периодом полураспада, равным 109 минутам. Время облучения, оптимальное с точки зрения эффективного выхода, примерно равно двум часам.
Фтор-18 можно получать с помощью различных циклотронов с предпочтительной энергией 12-18 МэВ. Наиболее известными моделями циклотронов являются зарубежные IBA Cyclone 18/9 (18 МэВ, 100 мкА, 9 Ки фтора-18 за 2 часа), GE PetTrace (16,5 МэВ, 100 мкА, 10 Ки фтора-18 за 2 часа), Siemens Eclipse (11 МэВ, 40 мкА, 2,5 Ки фтора-18 за 2 часа). Данные циклотроны оборудованы высокопроизводительными мишенями для получения фтора-18. К каждому циклотрону необходима индивидуально разработанная мишенная станция. Отечественные циклотроны с энергией 18 МэВ (СС-18/9, МГЦ-20) поставляются изготовителем, НИИЭФА имени Ефремова (СПб), без мишенных устройств. Мишенное устройство для получения фтора-18 к циклотронам СС-18/9 и МГЦ-20 изготавливается в НИИ Позитрон (ФГБОУ ВПО «СПбГПУ») и серийно не выпускается [Радионуклидные методы визуализации: Учебное пособие / Б.В.Забродин, В.Н.Ломасов, А.В.Моторный - СПб.: СПБГУ, 2006.].
Данное мишенное устройство было выбрано в качестве прототипа. Мишенное устройство включает: фланец, его заднюю стенку, 2 фольги и составное тело мишени из тантала, имющее полость глубиной 2 мм и заднюю стенку.
Для лучшего понимания приводим представленную в прототипе схему мишенного устройства. На рисунке 1 изображено тело мишени (1а - вид сбоку, разрез и 1б - вид сверху), где 1 - фольга, 2 - диск с полостью для облучаемого материала, 3 - фторопластовые прокладки, 4 - задняя стенка тела мишени, 5 - отверстие для создания полости для облучаемого материала.
18
18
18
18
18
18
18
18
3
2
В соответствии с описанием прототипа, радионуклид F производится по ядерной реакции O(p,n)F при облучении протонами с энергией 15 МэВ кислорода, обогащенного изотопом O в химической форме H O. Чаще всего используют воду, с обогащением 95% по изотопу O, стоимость которой довольно высока. В целях экономии мишенного вещества был выбран минимальный размер водяной полости мишени - диаметр 25 мм, толщина слоя воды 2 мм, что обеспечивает потери энергии протонов в области наибольших сечений ядерной реакции O(p,n)F. Облучаемый объем воды ~1 см.
Мишень облучается пучком протонов с энергией 15 МэВ. Ток пучка - 20 мкА. Диаметр пучка на мишени 25 мм. Неравномерность распределения пучка не выше 15%.
На момент окончания облучения мишени получают радионуклид фтор-18 активностью более 30 ГБк.
В качестве материала корпуса мишени выбран тантал. Конструктивно корпус выполнен из диска и кольца толщиной 2 мм. Со стороны входа пучка объем мишени закрывается титановой фольгой толщиной 50 мкм. Рабочий объем мишени герметизируется прокладками из фторопласта толщиной 20 мкм. Выбранные материалы не взаимодействуют с ионами фтора, образующимися в воде, и практически не вносят примесных загрязнений.
2
2
Вода в мишени облучается при избыточном давлении, создаваемым гелием. Мишень выдерживает избыточное давление в объеме не менее 6 кг/см при рабочем давлении 2 кг/см.
Из данного описания и схемы (тела мишени) сложно представить полную конструкцию данного мишенного устройства. На наш взгляд, мишенное устройство содержит тело мишени, фланец, его заднюю стенку и две фольги.
Данное мишенное устройство позволяет получить до 0.8 Ки фтора-18 за 2 часа облучения.
Мишенное устройство имеет целый ряд недостатков, а именно:
1. малая глубина полости тела мишени для облучаемого материала (2 мм) приводит к неполному поглощению протонов и тем самым к снижению производительности мишенного устройства;
2. поскольку, как следует из описания, тело мишени составное и уплотняется с помощью фторопластовых колец, это приводит, как нами показано, к попаданию продуктов деструкции фторопласта в радиационном поле в облучаемую воду и снижению радиохимического выхода РФП при использовании радионуклида, полученного с помощью данного мишенного устройства;
3. конструкция тела мишени выполнена так (малая конденсационная поверхность камеры для облучаемого материала, отсутствие оребрения, прокладка между задней стенкой мишени и телом мишени), что не обеспечивает достаточного охлаждения его и приводит с снижению производительности мишенного устройства;
Вышеперечисленные недостатки приводят к тому, что данное мишенное устройство обладает низкой производительностью и не позволяет получать более 0.8 Ки фтора-18 за 2 часа облучения.
Технический результат настоящей ПМ состоит в повышении производительности мишенного устройства.
Этот результат достигается тем, что в известном мишенном устройстве, содержащем тело мишени с полостью для облучаемого материала, расположенной в центральной части передней поверхности тела, фланец, его заднюю стенку и фольги, согласно ПМ, мишенное устройство дополнительно содержит зажимную пластину, тело мишени выполнено цельным, из ниобия, сверху и снизу имеет резьбы 10-32 UNF, высота полости для облучаемого материала составляет 41 мм, полость имеет овальную форму, дно ее выполнено скошенным под углом 45 градусов, задняя стенка тела мишени имеет оребрение, по форме и местоположению совпадающее с овальной полостью на передней поверхности тела мишени, фланец имеет углубление для крепления тела мишени, расположенное таким образом, что центр тела мишени расположен на 11 мм выше центра отверстия для пучка протонов, задняя стенка фланца имеет выемку для циркуляции охлаждающей воды, в верхней и нижней части которой имеются резьбы G1/4, фольги расположены одна между телом мишени и фланцем, другая - между фланцем и зажимной пластиной.
Выполнение тела мишени цельным позволяет отказаться от использования уплотнительных прокладок в теле мишени, что позволяет получить фтор-18 без примесей в виде продуктов деструкции материала уплотнения в радиационном поле.
Высота полости 41 мм обеспечивает увеличение площади полости для облучаемого материала, что приводит к улучшению теплоотвода и повышению производительности.
Использование в качестве материала тела мишени ниобия позволяет снизить стоимость мишенного устройства, не ухудшая его производительности и качества получаемого фтора-18.
Овальная форма полости для облучаемого материала позволяет увеличить площадь конденсационной поверхности полости для облучаемого материала, что приводит к увеличению производительности мишенного устройства.
Выполнение дна полости для облучаемого материала скошенным под углом 45 градусов дает уменьшение мертвого объема тела мишени и позволяет получить облученный материал с меньшими потерями.
Расположение центра тела мишени на 11 мм выше центра отверстия для пучка протонов во фланце обеспечивает увеличение площади конденсационной поверхности тела мишени и увеличение площади задней охлаждаемой оребренной поверхности при сохранении размеров тела мишени, что обеспечивает экономию дорогостоящего материала, из которого изготовлено тело.
Оребрение задней поверхности тела мишени позволяет улучшить охлаждение тела мишени, что приводит к увеличению производительности мишенного устройства.
Наличие резьб 10-32 UNF в теле мишени улучшает герметичность тела мишени и позволяет упростить обслуживание мишенного устройства.
Резьбы G1/4 в задней стенке фланца позволяют использовать фиттинги большого диаметра для подвода охлаждающей тело мишени воды, что позволяет улучшить охлаждение и таким образом повысить производительность мишенного устройства.
Наличие зажимной пластины позволяет обеспечить создание замкнутой полости для гелиевого охлаждения фольги, расположенной между телом мишени и фланцем.
Для лучшего понимания ПМ приводим схемы:
фланца, рис.2 (2а - вид сверху, со стороны углубления для крепления тела мишени, 2б - вид сбоку, разрез, 2в - вид снизу, со стороны углубления для крепления зажимной пластины), где 1 - отверстие для входа пучка, 2 - углубление для крепления тела мишени, 3 - углубления для фиттингов, 4 - резьбы для крепления задней стенки, 5 - отверстия для закрепления фланца на ионопроводе циклотрона, 6 - углубление для установки зажимной пластины, 7 - углубление для установки фольги, создающей полость для гелиевого охлаждения, 8 - канал гелиевого охлаждения, 9 - резьбы G1/4, 10 - фольга, 11 - фольга;
тела мишени, являющегося основной частью мишенного устройства, рис.3 (3а - вид сзади, 3б - вид сбоку, разрез, 3в - вид спереди, со стороны входа пучка протонов), где 1 - оребрение на задней стенке тела, 2 - каналы для заполнения и опорожнения мишени, 3 - резьбы 10-32 UNF, 4 - полость мишени, 5 - выемка под углом 45 градусов;
задней стенки, рис 4 (4а - вид сзади, 4б - вид сбоку, разрез), где 1 - резьба G1/4 для крепления подводящих охлаждающую воду фиттингов, 2 - камера для воды, охлаждающей заднюю поверхность тела мишени, 3 - крепежные отверстия;
зажимной пластины, рис.5, где 1 - отверстия для крепления на передней поверхности фланца мишенного устройства, 2 - отверстие для входа пучка протонов, 3 - поверхность, зажимающая фольгу.
Сборка осуществляется следующим образом: к фланцу мишенного устройства (рис.2) с отверстием для входа пучка протонов (рис.2, п.1) со стороны входа пучка протонов с помощью зажимной пластины (рис.5) крепится фольга (рис.2, п.10), которая помещается в углубление (рис.2, п.7), а зажимная пластина в углубление для ее установки (рис.2, п.6). Зажимная пластина крепится к передней поверхности фланца через отверстия (рис.5, п.1) и зажимает фольгу выступом (рис.5, п.3). Затем устанавливается вторая фольга (рис.2, п.11), зажимаемая телом мишени. К фланцу с помощью болтов, вкручиваемых в 6 резьбовых отверстий (рис.2, п.4), крепится задняя стенка его через крепежные отверстия (рис.4, п.3), которая зажимает тело мишени в углублении фланца (рис.2, п.2). В тело мишени в резьбы 10-32 UNF (рис.3, 3) вкручиваются фиттинги с капиллярами, при этом фиттинги помещаются в углубления фланца (рис.2, п.3). Затем к фланцу через резьбы (рис.2, п.9) и задней стенке его (рис.4, п.1) крепятся фиттинги G1/4 для подвода гелия и охлаждающей воды соответственно. Мишенное устройство устанавливается на ионопровод циклотрона с помощью 4-х крепежных отверстий во фланце (рис.2, п.5). Заправка мишени осуществляется через фиттинги, вкручиваемые в резьбы 10-32 UNF (рис.3, п.3) и каналы тела мишени (рис.3, п.2).
Работа мишенного устройства осуществляется следующим образом: пучок протонов диаметром 20 мм проходит через отверстие (рис.5, п.2) в зажимной пластине и попадает в фольгу (рис.2, п.10), проходит через нее, затем через полость гелиевого охлаждения (рис.2, п.8) во фланце, и, пройдя через вторую фольгу (рис.2, п.11), попадает в облучаемый материал (воду, обогащенную по изотопу кислород-18), находящийся в полости мишени (рис.3, п.4), где полностью рассеивается с образованием фтора-18. Охлаждающая вода находится в полости (рис.4, п.2) и охлаждает оребренную заднюю поверхность тела мишени.
Предлагаемая ПМ по сравнению с известными аналогами обладает рядом преимуществ:
1. обеспечивает получение до 5 Ки фтора-18 при токе пучка протонов до 50 мкА, что не уступает по производительности зарубежным мишенным устройствам и более чем в 6 раз превосходит прототип;
2. позволяет получать фтор-18 без примесей, что обеспечивает высокий технологический выход РФП, в то время время как при использовании мишени-прототипа, по опыту использования в РНЦРХТ, технологический выход РФП может быть снижен на 50 и более процентов за счет наличия примесей в облученном материале; в результате этого общий выход РФП при использовании данной ПМ в 12 раз выше, чем в прототипе.
Предлагаемое мишенное устройство разработано в отделении циклотронных радиофармпрепаратов ФГБУ РНЦРХТ и прошло клиническую апробацию при 80 синтезах РФП, с положительным результатом.