Использование параллельных вычислений и метода Монте-Карло для оптимизации процесса получения медицинского молибдена 99 с помощью электронного ускорителя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат наук Торкамани Али

• Торкамани Али
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Торкамани Али

Введение

Глава 1. Обзор технологий

1.1 Применение 99Мо/99тТс в ядерной медицине

1.2 Обзор технологических схем производства 99Мо and 99mTc

1.3 Использование метода Монте Карло и параллельных вычислений при моделировании процесса производства 99Мо

Глава 2. Линейные электронные ускорители в Иране

2.1 Электронные ускорители IPM

2.2 Электронный ускоритель высоких энергий Rhodotron

Глава 3. Применение математического моделирования на основе метода Монте Карло для анализа и оптимизации процесса производства медицинского

99Мо

3.1 Технические особенности библиотеки MCNPX

Глава 4. Результаты моделирования процесса производства

99Мо на основе линейного электронного ускорителя

4.1 Разработка конструкции мишени (электрон-фотонного преобразователя)

4.2 Предварительный дизайн емкости с тяжелой водой и помещенной в нее вольфрамовой мишенью

4.3 Расчет скорости реакции и уровня выхода для 99Мо

Глава 5. Эскизный проект гибридной мишени для

производства молибдена-99 на основе тяжелой воды с ускорителем электронов

5.1 Моделирование производства нейтронов в резервуаре с тяжелой

водой

5.2 Моделирование производства молибдена-99 на основе реакции нейтронного захвата на ускорителе электронов

5.3 Расчет выхода молибдена-99 в результате реакции нейтронного

захвата в чистом 98Мо

5.3.1 Расчет активности молибдена-99 по реакции нейтронного

захвата в natMo

5.4 Производство молибдена-99 на основе гибридной мишени с использованием ускорителя электронов

Глава 6. Production of Molybdenum-99 through available

facilities

6.1 Тепловой анализ и механические исследования

6.2 Система охлаждения вращающейся мишени

6.3 Мишень со спиральными водяными каналами

6.4 Контроль качества продукции

6.4.1 Экспериментальная (система электролиза и параметры защиты)

6.4.2 Система очистки 99тТс

6.4.3 Чистота радионуклидов

6.5 Мечение квантовых точек Cd — Те с использованием очищенного 99тТс

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Словарь терминов

Список литературы

Список рисунков

Список таблиц

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Использование параллельных вычислений и метода Монте-Карло для оптимизации процесса получения медицинского молибдена 99 с помощью электронного ускорителя»

Введение

Радионуклиды являются незаменимой и очень важной компонентой современной ядерной медицины, получающей все большее распространение при диагностике и терапии разнообразных заболеваний.

Производство Mo-99/Tc-99m в Иране начинает свою историю в 1980 году и за последние три десятилетия было произведено значительное количество тестовых комплектов на основе Tc-99m для однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (single photon emission computed tomography - SPECT).

Достижения радиофармацевтической отрасли в Иране в настоящее время находятся на современном международном уровне, что подтверждается поддержкой Национального радиофармацевтического проекта, стартовавшего в 2010 году, МАГАТЭ. Продукция прошла клинические испытания и заняла прочное место на международном рынке.

99тиспользуется более чем в 80% диагностических процедур и как правило его получают из 99Мо/99тТс доставляя далее в специальных контейнерах в специализированные медицинские диагностические центры.

"томожет использоваться при диагностике множества заболеваний таких, как злокачественные новообразования, проблемы с костями, сердечные заболевания, заболевания печени и др.

Одним из популярных способов получения медицинского технеция является облучение специальной мишени с тяжелой водой электронным пучком высокой энергии (от 5Mev до 45 Mev).

При этом форма и размер мишени определяются как характеристиками используемого электронного ускорителя, так и составом используемых материалов.

Оптимизация размеров и геометрии мишени традиционно производится при помощи математического моделирования взаимодействия в материалах мишени электронных пучков высокой энергии, нейтронных пучков и потоков гамма квантов.

Возможность существенно повысить характеристики процесса получения медицинского 99тоТс определяет актуальность данной работы.

Целью данной работы является определение оптимальной формы и размеров мишени, используемой для получения технеция 99ш путем облучения молибдена 99 электронным пучком высокой энергии формируемым в линейном электронном ускорителе Яо^^гоп при одновременном производстве Мо99 двумя способами - на основе фотонейтронного и нейтронного захвата.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Обзор существующего уровня техники в области производства .

2. Разработка модели взаимодействия электронного пучка высокой энергии, формируемого при взаимодействии пучка нейтронов и гамма квантов.

3. Разработка эскиза вольфрамовой емкости - мишени для тяжелой воды.

4. Оптимизация параметров мишени с учетом требований, предъявляемых геометрией и энергией электронного пучка в используемом линейном электронном ускорителе.

5. Разработка программного комплекса для управления моделированием процессов производства технеция с помощью кластерного вычислителя

6. Исследование эффективности предложенных проектных и технологических решений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Модель взаимодействия электронного пучка высокой энергии, потока нейтронов и гамма квантов на основе применения метода Монте Карло.

2. Оптимальная форма и размер мишени, используемой для получения медицинского технеция при взаимодействии электронного пучка высокой энергии с мишенью

3. Программный комплекс управления данными для моделирования процесса взаимодействия электронного пучка высокой энергии с мишенью при получении медицинского технеция

Научная новизна:

1. Впервые проведено математическое моделирование взаимодействия электронного пучка высокой энергии, потока нейтронов и гамма квантов на основе применения метода Монте Карло для получения медицинского технеция с помощью линейного ускорителя электронов

2. Получены параметры для оптимальной формы и размеров сборки -мишени облучаемой электронным пучком .

3. Предложен метод одновременного использования двух производственных каналов, что может привести к увеличению выхода продукции 99Mo: производство через 100Мо(^,п) ^99 Mo и 98Мо(п) ^99 Mo.

Научная и практическая значимость работы определяется возможностью использования результатов проведенных исследований для оптимизации параметров установок получения медицинского Mo99.

Степень достоверности полученных результатов обеспечивается их верификацией на основе экспериментов по получению медицинского 99Mo в линейном электронном ускорителе Rodothron TT200.

Результаты находятся в соответствии с результатами, полученными другими авторами.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены на The 15th IEEE International Conference on Application of Information and Communication Technologies AICT2021. [1].

Личный вклад. Автор принимал активное участие в работах по построению математической модели, подготовке исходных данных и проведению моделирования. .

Основные результаты по теме диссертации изложены в статьях [1; 2].

На разработанный программный комплекс "Программный комплекс для оптимизации геометрической формы и размера мишени при получении медицинского Mo и Tc" получено свидетельство Роспатента о регистрации программы для ЭВМ [3].

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 2 печатных изданиях, 1 из которых изданы в журналах, рекомендованных ВАК, 1 — в тезисах докладов.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и двух приложений. Полный объём диссертации составляет 99 страниц с 69 рисунками и 17 таблицами. Список литературы содержит 29 наименований.

Глава 1. Обзор технологий

1.1 Применение " Мо/"тТс в ядерной медицине

Радиофармацевтические препараты являются основным и важным компонентом ядерной медицины и наиболее важным аспектом мирного применения ядерных наук в повседневной жизни человека. Эти радиоактивные материалы сформулированы в подходящих формах для введения человеку с целью диагностики и лечения человеческих заболеваний.

Диагностические радиофармацевтические препараты являются наиболее широко применяемыми радиофармацевтическими препаратами во всем мире (90%), в то время как многие терапевтические применения радионуклидов все еще находятся в процессе исследований и клинических испытаний.

Производство радиофармпрепаратов в Иране почти началось в 1980-х годах с линий по производству Mo99/Tc99m, наиболее широко используемых компонентов в практике ядерной медицины. С тех пор многие наборы Тс99т для однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (ОФЭКТ) были подготовлены и разработаны в стране вместе с другими диагностическими и терапевтическими радиофармацевтическими препаратами за последние 3 десятилетия.

О достижениях радиофармацевтических наук в Иране недавно сообщалось на международном уровне, которые занимают выгодное положение по сравнению с другими странами Ближнего Востока. В этой редакционной статье представлено состояние производства и наличия радиофармпрепаратов в стране. Хотя исследования и разработки радиофармпрепаратов в стране имеют долгую историю; однако начало национального иранского радиофармацевтического проекта в 2010 году привело к началу множества новых доклинических / клинических испытаний, которые подтолкнули разработанные радиофармпрепараты к клиническому применению и выводу их на национальный и международный рынок .

99тиспользуется более чем в 80% диагностических процедур и обычно готовится в форме субстанции 99Mo / 99тТс с использованием высокой удельной активности (fission moly) или низкой удельной активности (gel moly) 99Mo и

загружается в контейнер, защищенный надлежащим свинцовым экраном, для отправки в центры ядерной медицины.

Радиофармпрепарат может использоваться для диагностики различных заболеваний человека, таких как злокачественные новообразования, проблемы с костями, сердечные заболевания, заболевания печени и т. Д. В таблице 1 представлен список доступных радиофармпрепаратов 99тТс, которые используются в ядерной медицине человека.

Таблица 1 — Перечень известных медицинских препаратов Tc-99m

tracer Chemical structure Imaging application

1 Pertechnetate Small Thyroid scan; Cystography;

anion/precursor Dacryoscintigraphy;

Meckel's diverticulum;

Salivary gland imaging;

Testicular scan

2 -MIBI Small molecule Myocardial perfusion scan;

Parathyroid scan

3 -MDP Small molecule Bone scan

4 -DMSA Small molecule Renal cortical imaging

5 -DTPA Small molecule Kidney scan; Gastric

emptying; Cisternography;

Testicular scan

6 ,99m -MAA Small molecule Lung perfusion scan

7 -EC Small molecule Renal function study

8 ,99m -RBC Radiolabeled cells Micro bleeding detection;

Hepatic hemangioma

9 -Phytate Colloid Liver/Spleen scan;

Lymphoscintigraphy

10 -BRIDA Small molecule Hepatobiliary/Gallbladder

11 -ECD Small molecule scan Brain SPECT

12 ,99m -Octreotide Peptide *SSTR+ tumors

13 -Bombesin Peptide **GRPR+ tumors

14 ,99m -UBI Peptide Infection imaging

15 -TRODAT-1 Small molecule Parkinson's disease;

Dopamine transporter

imaging agent

Использование радиофармацевтических препаратов в качестве средства функциональной визуализации тела является одним из диагностических приложений ядерной медицины. 99тТс - наиболее известный диагностический радио-

изотоп в клинической практике ядерной медицины. Однократное гамма-излучение 140 кэВ с коротким периодом полураспада (около 6 часов) со значительным снижением достигаемой дозы и побочных эффектов у пациентов и объединение возможностей большинства носителей (холодных комплектов) для различных органов является распространенным и широко распространенным радиоизотопом для визуализации. это использовалось столько лет. Чтобы решить проблему короткого периода полураспада "тТс, который должен использоваться на больших расстояниях, 99Мо с периодом полураспада 66 часов (преобразуется в "тТс в режиме распада beta). На рисунке 1.1 показана схема распада 99Мо.

Рисунок 1.1 — Упрощенная схема распада 99Мо и 99тТс [2].

В настоящее время общая потребность Ирана в Мо-99 составляет 100 Ки с 6-дневной периодичностью. Необходимый объем изотопов в конце каждой недели поставляется из России, при этом в последние несколько лет ежегодно наблюдается рост потребления в 10 %. Это обходится Ирану в 3-4 миллиона долларов в год.

В 2010-2013 годах международные санкции прекратили импорт этого широко используемого радиофармпрепарата и вызвали проблемы у нескольких сотен пациентов в Иране.

В эти годы Организация по Атомной Энергии Ирана обеспечила производство Мо-99 с помощью исследовательского реактора в Тегеране. За это время время было запущено 180 из необходимых 270 линий по производству изотопов.

Поставляемые комплексы затем разводятся до нужной концентрации с использованием соответствующего водного раствора, а радиоанион Тс-99ш 04-затем смешивается с соответствующими компонентами, содержащими лиганды и некоторые другие добавки (восстанавливающий агент, стабилизатор и напол-

нитель), чтобы получить раствор для инъекций. Исходя из природы используемых лигандов набора, радиофармпрепарат можно использовать для диагностики различных заболеваний человека, таких как злокачественные новообразования, проблемы с костями, сердечные заболевания, заболевания печени и т. Д. В таблице 1 представлен список доступных в Иране радиофармацевтических препаратов Tc-99m , которые обычно используются в диагностической практике.

В Тегеранском исследовательском реакторе с максимальной мощностью 5 МВт используется метод захвата нейтронов Mo-98. Низкая активность этого метода и высокая стоимость доставки топлива для реактора привели к увеличению импорта Mo-99 из России.

Как уже упоминалось, использование этого метода с использованием реактора, такого как реактор в Тегеране, не дает требуемых экономических выгод. Еще один исследовательский реактор в Иране - исследовательский реактор в Араке. На запуск этого реактора уйдет несколько лет. Указанные причины привели к необходимости использования других методов. Все, кто работает в этой области, демонстрируют важность изотопного кризиса. Особенно после заявления правительства Канады о закрытии Canada's National Research Universal (NRU) реактора, имевшео большой объем производимого 99тМо/99тТс в 2018 году.

Благодаря технологическим преимуществам технеция, он подходит для диагностической визуализации различных органов, таких как мозг, щитовидная железа, печень и т.д. Это приводит к большой важности поисковых исследований в области производства "тТс.

Было предложено множество методов с собственными преимуществами и недостатками для достижения оптимального выхода продукции. Например, в методе на основе реактора (с соответствующей производительностью, но высокой стоимостью) большинство исследовательских реакторов находятся в конце срока эксплуатации (например, NRU в Канаде). Кроме того, серьезной проблемой будет не только производство "тТс, но и производство большинства других радиоизотопных материалов. Для большинства этих реакторов требуется топливо с высоким обогащением.

Следует отметить, что большинство этих реакторов требует высокообога-щенного топлива, что вызывает политические риски. Поэтому ученые и инже-

неры пытаются найти альтернативные и полезные методы, особенно на основе ускорителей.

Использование ускорителей имеет низкую эффективность, но это безопаснее, чем реакторные методы, а также требует невысокой стоимости. Эффективность технологических процессов на основе ускорителей можно повысить за счет использования конкретных решений, некоторым из которых посвящена настоящая работа.

Благодаря опыту Ирана в использовании ускорителей электронов привлекательность использования этих ускорителей высока. Кроме того, Иран планирует получить сертификат СМР от европейских властей, чтобы получить возможность экспортировать свою продукцию радиофармпрепаратов в другие страны. Таким образом, реализуется уникальный проект по проектированию и созданию большого предприятия на базе СМР ЕС при поддержке очень известных европейских компаний. Поэтому развитие производства Мо-99 новыми методами в Иране имеет высокую степень привлекательности.

Технико-экономическое обоснование создания надлежащего производственного центра Тс-99т на основе электронного линейного ускорителя для Ирана, а также разработка и моделирование новой цели на основе предложенной идеи являются следующими этапами этого исследования.

В дальнейшем деятельность и возможности Ирана представлены в создании и использовании мощных ускорителей электронов. Эти возможности дают четкое представление об использовании ускорителя электронов для производства радиоизотопов в Иране.

Поэтому ученые и инженеры пытаются найти альтернативные и полезные методы, особенно на основе ускорителей. Использование ускорителей имеет низкую эффективность, но это безопаснее, чем методы на основе реакторов, а также требует низкой стоимости. Конечно, эффективность можно повысить за счет использования конкретных конструкций, над которыми мы сейчас работаем.

1.2 Обзор технологических схем производства 99Мо and 99тТс

Молибден-99 используется для получения 99тТс, который является наиболее широко используемым изотопом в ядерной медицине. Природный молибден состоит из семи стабильных изотопов (Таблица 2) [3]. 99Мо - радиоизотоп, который необходимо производить из других стабильных изотопов.

Таблица 2 — Изотопный состав природного молибдена [3].

42Mo Изотоп (A) Доля в составе природного молибдена

92 0.14649

94 0.09187

95 0.15873

96 0.16673

97 0.09582

98 0.24292

100 0.09744

В связи с недавней нехваткой поставок реакторов на сумму 99Мо / 99тТс (например, вывод из эксплуатации крупного канадского исследовательского реактора, КЯи), усилия и исследования по исследованию альтернативных маршрутов производства молибдена - 99 (99Мо) и технеция-99т (99тТс) продолжаются во всем мире (рисунок 1.2) [2] [4]. Многие из развитых стран приступили к реализации своих планов по производству радиоизотопов нереакторными методами, особенно с помощью ускорителей электронов [5] [6].

Что касается недавних исследований по производству 99Мо с помощью ускорителя электронов, можно выделить два пути. Во-первых, используя ускоритель с высокой мощностью, а также с пучком высокой энергии, чтобы произвести 99Мо через реакцию шМо(^,п)99Мо (фотонейтрон), которая содержит два подхода, одноэтапный и двухэтапный подход.

При двухэтапном подходе электронный луч преобразуется в рентгеновское излучение высокой энергии (тормозные фотоны) в мишени с высокой плотностью, такой как вольфрам (74Ж), затем 99Мо производится через реакция в мишени 100Мо [7].

Одноэтапный подход является относительно новым методом [7]. Он основывается на том, что молибден представляет собой металл с высоким Z.Это позволяет использовать его в качестве электронно-фотонного преобразователя, по-

Рисунок 1.2 — Основные известные схемы производства 99 Мо и 99тТс [2]

этому в этом методе мишень 100Мо играет одновременно роль электрон-фотонного преобразователя, а также мишень фотонейтрона, поэтому самопоглощение значительного количества фотонов в преобразователе будет предотвращено, и произведенные фотоны будут непосредственно участвовать в фотонейтронных реакциях, поэтому выход продукции будет увеличен [8].

Традиционным является использование мощного ускорителя электронов (такого как ЯЬо^^оп) с целью создания соответствующего нейтронного потока для участия в 98Мо (п,7) ^99 Мо (нейтронный захват).

1.3 Использование метода Монте Карло и параллельных вычислений при моделировании процесса производства 99Мо

Использование метода Монте-Карло в качестве инструмента исследования переноса радиации является результатом работы, проделанной в Национальной лаборатории Лос-Аламоса во время Второй мировой войны.

Заслуга так изобретения Монте-Карло как математического метода обычно приписывается Ферми, фон Нейману и Улама.

Мы использовали моделирование, основанное на методе Монте-Карло, для расчета образования электронов, фотонов и нейтронов в мишени.

Методы Монте-Карло представляют собой широкий набор вычислительных алгоритмов, которые опираются на использование случайной выборки для получения численных результатов.

Основная концепция заключается в использовании случайности для решения проблем, которые в принципе могут быть детерминированными.

Основная идея этого метода заключается в том, что результаты вычисляются на основе повторной случайной выборки и статистического анализа. Моделирование методом Монте-Карло, по сути, представляет собой случайный эксперимент в том случае, если результаты этих экспериментов малоизвестны. Моделирование методом Монте-Карло обычно характеризуется множеством неизвестных параметров, многие из которых трудно получить экспериментально [4].

Методы моделирования Монте-Карло не всегда требуют использования действительно случайных чисел (хотя для некоторых приложений, таких как проверка простоты, непредсказуемость жизненно важна). [5] Многие из наиболее полезных методов используют детерминированные, псевдослучайные последовательности, что упрощает тестирование и повторный запуск моделирования. Единственное качество, которое обычно необходимо для хорошего моделирования, - это чтобы псевдослучайная последовательность выглядела «достаточно случайной» в определенном смысле.

Что это означает, зависит от приложения, но обычно они должны пройти серию статистических тестов. Проверка того, что числа распределены равномерно или следуют другому желаемому распределению, когда рассматривается достаточно большое количество элементов последовательности, является одним

из самых простых и распространенных. Также часто желательны / необходимы слабые корреляции между последовательными выборками.

Савиловский перечисляет характеристики высококачественного моделирования Монте-Карло в работе [Sawilowsky2003]:

— генератор (псевдослучайных) чисел имеет определенные характеристики (например, длинный "период"перед повторением последовательности)

— генератор (псевдослучайных) чисел выдает значения, которые проходят проверку на случайность

— достаточно образцов для получения точных результатов

— используется правильная техника отбора проб

— используемый алгоритм действителен для моделируемого объекта, он имитирует рассматриваемое явление.

Расширенный код Монте-Карло К-частиц (МСКРХ) - это универсальный код переноса излучения Монте-Карло, который отслеживает все частицы при всех энергиях.

Коды МСКР обладают уникальной характеристикой, заключающейся в том, что вычисления выполняются путем отслеживания каждой отдельной частицы, а их результаты являются статистически значимыми результатами для всех следующих частиц. История частиц не зависит друг от друга [6].

Таким образом, в этих кодах общее количество частиц может быть разделено на более мелкие вычислительные части (каждая небольшая часть вычислений выполняется на процессоре), а затем одновременно получены статистические результаты. Использование Монте-Карло требует времени из-за различного взаимодействия с объектами частиц и поведения частиц в окружающей среде.

Есть разные способы сократить время вычисления транспортных кодов Монте-Карло:

1. Использование методов уменьшения дисперсии

2. Выполнение вычислений на параллельных кластерах

3. Разработка собственной реализации алгоритма Монте Карло для конкретного случая.

Моделирование выполняется путем параллельной обработки для достижения высокой скорости обработки. Параллельные вычисления - это тип вы-

числений, при котором одновременно выполняется множество вычислений или выполнение процессов. Большие проблемы часто можно разделить на более мелкие, которые затем можно решить одновременно.

Одной из сильных сторон библиотеки МСКРХ 2.6 является возможность параллельной обработки, поскольку обработка поведения частиц происходит независимо.

Мы используем компьютерный кластер ^ТШ (Институт ядерных исследований и технологий) для вычисления параллельного процесса. Компьютерный кластер - это набор слабо или тесно связанных компьютеров, которые работают вместе, так что во многих отношениях их можно рассматривать как единую систему.

Глава 2. Линейные электронные ускорители в Иране 2.1 Электронные ускорители 1РМ

Со времени появления самого первого линейного ускорителя электронов был достигнут значительный прогресс в создании различных типов таких ускорителей. В настоящее время линейные ускорители электронов широко используются в промышленности, лечении рака, досмотре грузов, облучении пищевых продуктов и стерилизации медицинского оборудования. Одно из важнейших приложений электронного линейного ускорители использует их в качестве инжекторов для ускорителей синхротронного излучения. В Иране в Институте фундаментальных исследований был начат национальный проект по созданию установки для создания синхротронного источника света. [7].

Учитывая значительный рост применения ускорителей, в последние годы Иран начал несколько проектов по проектированию и строительству различных типов ускорителей. Один из них - разработка и создание линейного ускорителя ИР, который разрабатывается в Институте фундаментальных исследований (1РМ) в сотрудничестве с другими центрами и частными компаниями.

В связи с растущей потребностью Ирана в ускорителях для радиотерапии, промышленного облучения, досмотра грузов, исследований в области физики и предварительной инжекции электронного синхротрона, проект линейного ускорителя электронов 1РМ был определен таким образом, что все его части должны быть спроектированы и произведены в Иране, насколько это возможно.

Этот вопрос очень важен для оценки возможностей Ирана и с учетом того факта, что Иран сталкивается с трудностями с закупками. На рисунке 2.1 показана схема ускорителя этого проекта, а его технические характеристики для первой фазы представлены в таблице 3.

Термоэлектронная пушка этого ускорителя - триодного типа. Напряжение на катоде и сетке составляет -45 кВ, а анодное напряжение установлено на ноль. Таким образом, разряжающиеся электроны имеют энергию 45 кэВ. Ускоряющая трубка находится за электронной пушкой. Ускорительная трубка этого ускорителя состоит из трех компонентов: ускорительной трубки, группи-

Рисунок 2.1 — Схема ускорителя IPM

Таблица 3 — Основные характеристики ускорителя IPM

Параметр Ед.измерения Значение

Output E-Gun Energy keV 45

Output E-Gun Current mA 10

Frequency MHz 2997.92

RF Peak Power MW 2.5

PRF Maximum Hz 250

RF Pulse Length Sß 4-10

Output Buncher Energy MeV 2

Bunching factor 16

Buncher Length cm 30

Output Energy MeV 15

Acceleration Tube Length cm 120

рования и ответвителей. Этот ускоритель относится к типу бегущей волны. Соответствующий шунтирующий импеданс, простой метод построения резонатора и простота увеличения длины ускорительной трубки для получения более высокой энергии являются основными причинами, по которым был выбран этот тип линейного ускорителя. Пока определено, что все компоненты, которые будут построены в Иране, частота и мощность определены на основе спецификации клистрона, построенного в Иране.

На рисунке 2.2 показана окончательная компоновка ускорительной трубки линейного ускорителя 1РМ. Конструктивно желаемая лампа бегущей волны имеет постоянный импеданс. Частотный режим установлен на ж/2 , чтобы влия-

Рисунок 2.2 — Финальная компоновка ускорителя 1РМ.

ние ошибок строительства и окружающей среды было как можно меньше. Этот ускоритель работает при комнатной температуре. Этот линейный ускоритель электронов имеет все необходимые компоненты ускорителя высокой энергии и тока для различных целей. Банчер находится в начале ускорительной трубки. На первом этапе проекта мощность питания ограничена 2,5 МВт. По этой причине были спроектированы две ускорительные трубки длиной 60 см.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Торкамани Али, 2021 год

Список литературы

1. Using Monte Carlo Calculation for Molybdenum-99 Production by Electron Accelerator / A. Torkamani [et al.] // Proceedings of The 15th IEEE International Conference on Application of Information and Communication Technologies (AICT2021). — 2021.

2. Компьютерный концептуальный дизайн гибридной мишени для производства Молибдена -99m / А. Торкамани [и др.] // Компьютерные исследования и моделирование. — 2021. — Т. 1. — С. 100.

3. Торкамани А. Программный комплекс для оптимизации геометрической формы и размера мишени при получении медицинского Mo и Tc. — 2021.

4. Shojaeefard M, Tafazzoli Aghvami K. Mathematical modeling of thermal contact resistance for different curvature contacting geometries using a robust approach // Scientia Iranica. — 2019. — Т. 26, № 5. — С. 2865—2871. — DOI: 10.24200/sci.2018.50771.1856. — eprint: http://scientiairanica.sharif. edu/article_20739_02557dfed98cca8c86d380811f995d4b.pdf. — URL: http: //scientiairanica.sharif.edu/article_20739.html.

5. Davenport J. H. Primality Testing Revisited // Papers from the International Symposium on Symbolic and Algebraic Computation. — Berkeley, California, USA : Association for Computing Machinery, 1992. — С. 123—129. — (ISSAC '92). — ISBN 0897914899. — DOI: 10.1145/143242.143290. — URL: https: //doi.org/10.1145/143242.143290.

6. D. B. Pelowits E. MCNPX User's Manual Version 2.7.0. — Los Alamos National Laboratory, 09.2011. — LA-CP-11-00438.

7. J. Rahighi e. a. A third generation light source laboratory in Iran (ILSF) // IPAC. — 2013.

8. F. Ghasemi e. a. Design, construction and tuning of S-band coupler for electron linear accelerator of institute for research in fundamental sciences (IPM E-linac) // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. — 2015. — Окт. — Т. 772. — С. 52—62.

9. Electron accelerator-based production of molybdenum-99: Bremsstrahlung and photoneutron generation from molybdenum vs. tungsten / A. Tsechanski [h gp.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. — 2016. — ^hb. — T. 366. — C. 124— 139. — DOI: 10.1016/j.nimb.2015.10.057.

10. Taghibi Khotbeh-sara A., Rahmani F., Ghasemi F. Feasibility study of 99Mo production using high-power electron Linac: Nuclear and thermal-mechanical analysis based on photoneutron interaction // Radiation Physics and Engineering. — 2021. — ^hb. — T. 2. — C. 9—17. — DOI: 10.22034/rpe. 2021.252856.1026.

11. Berger M. J., Seltzer S. M. Bremsstrahlung and Photoneutrons from Thick Tungsten and Tantalum Targets // Phys. Rev. C. — 1970. — Abr — T. 2, Bbm. 2. — C. 621—631. — DOI: 10.1103/PhysRevC.2.621. — URL: https: //link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevC.2.621.

12. Krane K. S. Introductory nuclear physics. — New York, NY : Wiley, 1988. — URL: https://cds.cern.ch/record/359790.

13. JANIS Book,ENDF/B-VIII.0 cross-sections. // Nuclear Energy Agency. —. — URL: https://www.oecd-nea.org/janisweb/book/neutrons/Mo98.

14. Peykov P., Cameron R. The Supply of Medical Radioisotopes, Production Capacity and Demand Forecast for the 98 Mo / 99m Tc Market. — 05.2015-2020. — URL: https://www.oecd-nea.org. NEA report.

15. Y. Danon e. a. Production of 99Mo using 30 MeV electrons and a 100Mo target // Reactor and accelerator based production of 99Mo. — 2010. — ^hb. — C. 1081—1082.

16. Rhodotron: an accelerator for industrial irradiation / J. Bassaler [h gp.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. — 1992. — T. 68, № 1. — C. 92— 95. — DOI: https://doi.org/10.1016/0168-583X(92)96056-5. — URL: https: //www.sciencedirect.com/science/article/pii/0168583X92960565.

17. Feasibility study on 99Mo production using hybrid method based on high power electron accelerator / A. Taghibi Khotbeh-sara [h gp.] // IPAC2019. — 2019. — Mafi. — T. Proceedings.

18. Production of 99Mo/"mTc via photoneutron reaction using natural molybdenum and enriched 100Mo: part 1, theoretical analysis / T. Martin [h gp.] // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. — 2017. — CeHT. — DOI: 10.1007/s10967-017-5455-z.

19. R. D. Doherty e. a. Current issues in recrystallization: a review // Mater. Sci. Eng. — 1997. — T. 238. — C. 219—274.

20. I. Uytdenhouwen e. a. Influence of recrystallization on thermal shock resistance of various tungsten grades //J. Nucl. Mater. — 2007. — T. 363. — C. 1099— 1103.

21. Bergman e. a. Fundamentals of heat and mass transfer // John Wiley and Sons. — 2011.

22. H. Khalafi e. a. Nuclear and Mechanical Basic Design of Target for 99Mo Production Using High Power Electron LINAC //. — 09.2018. — URL: https: //doi.org/10.18429/JACoW-LINAC2018-M0P0069.

23. F. Marhauser e. a. Finite element analyses for RF photoinjector gun cavities // Elektronen Synchrotron DESY, MHF-SL Group. — 2006.

24. Sergey. Chemerisov e. a. Development Activities in Support of accelerator Production of 99Mo Production through the (7,n) reaction on 100Mo // Transactions of the American Nuclear Society. — 2012. — hoh6. — C. 68— 71.

25. Rubel. Chakravarty e. a. A novel electrochemical technique for the production of clinical grade 99mTc using (n,j)"Mo // Nuclear Medicine and Biology. — 2010. — T. 37. — C. 21—28.

26. Katsuyoshi. Tatenuma e. a. A Mass Production Process of a Highly Pure Medical Use "mTc from Natural Isotopic Mo(n,7) 99Mo without Using Uranium, // Radioisotopes. — 2014. — T. 63. — C. 501—513.

27. Y. Fazaeli e. a. Synthesis, characterization and biological evaluation of a well dispersed suspension of gallium-68-labeled magnetic nanosheets of graphene oxide for in vivo coincidence imaging // Radiochimica Acta. — 2016. — ^hb. — T. 105. — C. 65—73.

28. S. Feizi e. a. Evaluation of dosimetric characteristics of graphene oxide/PVC nanocomposite for gamma radiation applications // Radiochimica Acta. — 2016. — ^HB. — T. 105. — C. 161—170.

29. Y. Fazaeli e. a. Novel aspects of application of cadmium telluride quantum dots nanostructures in radiation oncology // Applied Physics. — 2017. — ^hb. — T. 105. — C. 120.

Список рисунков

1.1 Упрощенная схема распада 99Мо и 99тТс [2]............. 9

1.2 Основные известные схемы производства 99Мо и 99тТс [2]..... 13

2.1 Схема ускорителя IPM......................... 18

2.2 Финальная компоновка ускорителя IPM............... 19

2.3 Финальная компоновка ускорителя IPM (ответвитель и главный волновод)................................ 20

2.4 Общий вид ускорителя IPM...................... 21

2.5 Отверстие и винты для настройки................... 22

2.6 Срединное сечение ускорителя и электрона траектория (D: отклоняющий магнит, C: ускоряющая полость, L: магнитная

линза, G: электронная пушка) .................... 23

2.7 Слева - структура Rhodotron, справа - электрическое и

магнитное поле в ускорительной полости.............. 24

2.8 Ускоритель Rhodotron TT200..................... 25

2.9 Серединное сечение ускорителя и траектория электрона (D: отклоняющий магнит, C: ускоряющая полость, L: магнитная

линза, G: электронная пушка) .................... 26

3.1 Модель нейтрон-фотонного взаимодействия в MCNPX....... 29

4.1 Сравнение выхода фотонов для W и Ta с одинаковым радиусом мишени 4 мм, а также для вольфрама в случае получения фотонов высоких энергий (более 9 МэВ) .............. 33

4.2 Диаграмма Tally F2 для получения фотонов при торможении электронов в вольфрамовой мишени.................. 34

4.3 Принципиальная схема конструкции емкости для тяжелой воды

в двух проекциях ........................................................35

4.4 Конструкция емкости для тяжелой воды..............................36

4.5 Распределение нейтронов в резервуаре с тяжелой водой......36

4.6 Энергетический спектр нейтронного потока в тяжелой воде с замедляющим слоем графита 8 см. ..................................37

4.7 Энергетический спектр нейтронного потока в тяжелой воде с различной толщиной графитового слоя................ 38

4.8 Поток нейтронов в резервуаре с тяжелой водой с различной толщиной графита, энергия электронного пучка = 10 МэВ .... 39

4.9 Поток фотонов в резервуаре с тяжелой водой с разной толщиной графита, энергия электронного пучка = 10 Мэв........... 40

4.10 Нейтронный поток в резервуаре с тяжелой водой с различной энергией электронного пучка ..................... 40

4.11 Сечение реакции шМо(^,п) ^99 Мо................ 41

4.12 Энергетический спектр фотонов тормозного излучения в пластинах-мишенях........................... 42

4.13 Расчетная активность молибденовых пластин

(10ст х 3ст х 0,2сш3) во время облучения ускорителя (для

тока 1 мА при 30 МэВ непрерывного электронного пучка)..... 43

4.14 Общая активность мишени при облучении.............. 44

4.15 Сжатие активности двух расчетных мишеней по толщине.....45

5.1 Поток фотонов через вольфрамовую мишень при энергии электронного пучка 10 МэВ...................... 48

5.2 Базовая 2Э-схема моделируемой геометрии резервуара с

тяжелой водой в коде МСХРХ..................... 49

5.3 Дизайн емкости для тяжелой воды.................. 49

5.4 Сравнение потока отраженных нейтронов для экранов

различной толщины из бериллия, графита и стали......... 50

5.5 Энергетический спектр нейтронного потока в резервуаре с тяжелой водой (с 8-сантиметровым графитовым слоем в

качестве оболочки отражателя нейтронов).............. 51

5.6 Трехмерная схема заселения нейтронов в резервуаре с тяжелой водой (без молибденовой мишени) вдоль вольфрамовой мишени . 52

5.7 2Э-схема распределения нейтронов в баке с тяжелой водой (без молибденовой мишени) на высоте, равной положению вольфрамового преобразователя)................... 53

5.8 Сечение реакции 98Мо(п,^) ^99 Мо................. 54

5.9 Энергетический спектр потока фотонов в резервуаре с тяжелой водой для различной толщины пластины 98Мо........... 56

5.10 Трехмерная схема распределения нейтронов в емкости с

тяжелой водой с погруженными в нее пластинами 98Мо...... 57

5.11 2Э-схема заселения нейтронов в баке с тяжелой водой с пластинами 98Мо, а) по высоте равной середине пластин 98Мо,

б) по высоте равной положению вольфрамового преобразователя. 58

5.12 Трехмерная и двухмерная схема разработанных пластин 98Мо в емкости с тяжелой водой........................ 60

5.13 Суммарная активность пластин 98Мо для разной толщины для электронного пучка с энергией 10 МэВ и током 10 мА (каждая строка содержит совокупную активность 11 пластин одинаковой толщины)................................. 61

5.14 Общая активность в течение 24 часов продолжается облучение электронным пучком пластин 98Мо (на единицу объема мишени) разной толщины (каждая полоса содержит совокупную активность 11 пластин одинаковой толщины)............ 62

5.15 Пластины 98Мо со структурой перпендикулярно вольфрамовому преобразователю. а) по длине преобразователя, Ь: по длине конвектора................................ 63

5.16 Суперпозиция рассчитанного методом Монте-Карло спектра тормозного излучения молибденовой мишени и сечений реакции

100 М о(7 ,п)99М о............................. 63

5.17 Суммарная активность пластин 98Мо и па1Мо для электронного пучка с током 10 мА и энергией 10 и 30 МэВ (каждая строка содержит совокупную активность 11 одинаковых пластин с толщиной 0.1 мм в толщина). .................... 64

5.18 Выход 99Мо в чистых пластинах 100Мо (10ст х 3ст х 0.2ст), облученных электронным пучком 30 МэВ и 10 мА.......... 64

5.19 Общая активность 99Мо в количестве 11 пластин чистого 98Мо (0.01ст х 9ст х 20ст) с учетом электронного пучка 10 мА и 30 МэВ.................................... 65

5.20 Трехмерная схема окончательной концептуальной конструкции, которая включает расположение пластин 98 М и 100 М в резервуаре тяжелой воды. а) положение сборки молибденовой мишени в емкости с тяжелой водой, Ь) сборка мишени....... 65

6.1 Предлагаемая геометрия для мишеней с пластинами. 1) 100Мо пластины, 2) направление электронного пучка, 3) медные

зажимы в качестве охлаждающего канала, 4) впуск воды. .... 68

6.2 Коэффициент теплоотдачи в зависимости от режима потока. ... 69

6.3 Распределение температуры для пластин-мишеней высотой 5 см. 70

6.4 Распределение температуры для плоских мишеней высотой 10 см. 71

6.5 Металлический блок, используемый в системе охлаждения вращающейся мишени.......................... 72

6.6 а) часть держателя мишени - вид спереди. б) держатель мишени. 73

6.7 Положение размещения титанового окна............... 74

6.8 Взрывозащищенная система охлаждения вращающейся мишени. . 75

6.9 Распределение температуры вращающейся мишени......... 76

6.10 а) Проекция для отображения целевого местоположения. б) Изометрический вид проектируемой системы охлаждения..... 77

6.11 а) Целевое распределение температуры, б) Распределение температуры целевой конструкции.................. 78

6.12 Изображение электродов подготовленных электрохимических ячеек для экспериментов с высоким (а) и низким (б) радиоактивным содержанием...................... 79

6.13 Схематическая карта электрохимической ячейки А: Крышка из нержавеющей стали с дополнительной полимерной стенкой, В: Свинцовый экран С: Полимерная головка Э: Стопор вращения

Е: Свинцовая головка экрана Е: Внутренний свинцовый экран. . . 80

6.14 Подробная карта экрана электрохимической ячейки........ 81

6.15 Подготовленные блоки питания.................... 82

6.16 Подготовленный экран электрохимических ячеек для экспериментов с низким (а) и высоким (б) радиоактивным содержанием............................... 83

6.17 (а) НКГЕМ и (Ь) ЕЕ-БЕМ изображения нанолистов из восстановленного оксида графена и системы химической очистки. 84

6.18 (а) Система очистки 99тТс и (б) расположение набора....... 84

6.19 (а) 7 - спектры 99Мо и 99тТс в исходном решении (б) и 7 -спектры изолированного "тТс..................... 85

6.20 Предлагаемые механизмы процесса маркировки........... 85

6.21 Гамма-бумажная хроматограмма (а) [99тТс] ТсО4 @ СёТе QDs

и (б) [99тТс] ТсО-........................... 86

6.22 Планарное изображение (интервалы времени) [99тТс] ТсО-СдТе QDs у мыши с опухолью на (а) 7 мин (Ь) 13 мин (с ) 18

мин (г) 24 мин и (д) 155 мин после инъекции............ 86

Список таблиц

1 Перечень известных медицинских препаратов Tc-99m....... 8

2 Изотопный состав природного молибдена [3]............. 12

3 Основные характеристики ускорителя IPM............. 18

4 Параметры Rhodotron TT200..................... 24

5 Список свойств некоторых предлагаемых элементов в качестве материала для получения тормозного излучения ......... 32

6 Средний тормозной путь электрона в вольфраме.......... 33

7 Параметры уравнений, полученные из аппроксимации спектров тормозных фотонов .......................... 42

8 Параметры уравнений, полученные при апроксимации сечения реакции 100Мо(7,п) ^99 Mo cross section............... 43

9 Перечень свойств некоторых предлагаемых элементов в качестве материала электронно-фотонного преобразователя......... 47

10 Средний пробег электрона в вольфраме................ 48

11 Средний поток нейтронов и фотонов в емкости с тяжелой водой

(на основе Rhodotron TT200)..................... 50

12 Поток нейтронов и поток фотонов в резервуаре с тяжелой водой для различных энергий электронного пучка и толщины графита

8 см ................................... 54

13 Активность пластин 98Мо (мишени 98Мо предполагаются как количество 11 пластин одинаковой толщины, в каждом расчете толщина менялась для всех этих 11 пластин)............ 55

14 Сравнение активности на основе различных количеств 98Мо в тяжелой воде............................... 55

15 Скорости реакций и активность не имеют значения для 11 пластин металлического 98Мо (10 мА и 10 МэВ электронный пучок)................................... 59

16 Сравнение генерируемой активности между па1Мо и чистой формой пластин 98Мо (10 МэВ и 10 мА)............... 59

17 Изотопное содержание природного молибдена............ 60