EMİNE GAMZE YALÇINER,EYYÜP TEL SİKLOTRON TİPİ BİR HIZLANDIRICI İLE RADYOİZOTOP VE NÖTRON ÜRETİMİNİN NÜKLEER REAKSİYON MODELLERİ İLE HESAPLANMASI EMİNE GAMZE YALÇINER,EYYÜP TEL

Siklotron Siklotron, proton veya helyum çekirdeği gibi ağırca yüklü tanecikleri,aşırı büyük gerilimler gerektirmeden yüksek hızlara çıkarmakta kullanılan magnetik rezonanslı hızlandırıcı cihazdır. 1931’ de Lawrence ve Livingston tarafından geliştirilmiştir. Bu cihaz sayesinde hızlandırılan yüksek enerjili tanecikler, atom çekirdeğini parçalayarak yapısını incelemek için kullanılır.

Siklotronda D harfine benzediği için ’’de’’ denilen iki elektrod bulunur.Hızlandırılacak olan yüklü parçacıklar ’’de’’ ler arasında siklotron aralığında serbest bırakılır.Aralıktaki elektiriki alan, taneciği hızlandırarak ’’de’’lerden birine doğru fırlatır.’’de’’ye belirli bir hızla,manyetik alana dik olarak giren tanecik ’’de’’ nin içinde dairevi bir yörünge takip eder ve dönüp tekrar aralığa gelir.Tanecik tam aralığa geldiği anda ’’de’’ ler arasındaki elektiriki alan yön değiştirecek olursa,hareket yönünde uygulanan ikinci bir itme dolayısıyla yeniden hızlandırılır.Böylece tanecik yarım daire çizip aralığa her gelişinde elektiriki alanın yönü değiştirilerek yeni bir itmeye tabi tutulursa gittikçe daha fazla hız kazanır.Ağırlığı binlerce tonu bulan böyle bir cihazla,tanecikler kullanılarak 100MeV dolaylarında enerji elde etmek mümkündür. Siklotron

Siklotron D.lerbir magnetik alana yerleştirilir (B=1,6 Weber/m2 ), bu magnetik alan büyük elektromagnetlerle sağlanır İyonlar basıncı 10-6 mmHg civarına düşürülmüş boşlukta hareket ederler İyonun yörüngesi D.nin dışkenarına geldiğinde negatif yüklü bir saptırıcı levha onu yörüngesine çeker

SİKLOTRON Radyolüknidleri elde edilmesinde kullanılır I-123 , C-11 , N-13 , O-15 , O-19, F-18, Fe-52... Çok amaçlı siklotron; teşhis ve terapide medikal izotop uygulamaları alanında, ticari izotop üretimini ve R&D (Research and development) yi destekleyen akıllı bir evrensel alettir.

Siklotronlarla İzotop Üretimi Klasik SPECT izotopları (p,2n) reaksiyonu yolu ile üretilir ve proton enerjileri ~25 MeV civarındadır. 201Tl’ in her geçen gün artan talebinden dolayı, (p,3n) reaksiyonu genellikle ana üretim reksiyonu olarak düşünülmektedir. 201Tl üretimi için proton üst sınır enerjisi de yaklaşık 30 MeV dir. Kısa ömürlü PET izotopların üretimi çoğunlukla (p,n) reaksiyonu yoluyladır ve tercih edilen proton enerjisi ~15 MeV dir. Normal olarak PET için küçük siklotronlar kullanılır. Bununla birlikte, üretim teknolojisi ve hedefin yüksek standardından dolayı geniş ölçekli bir FDG-üretimi; (18F- fluorodeoxyglucose veya FDG) düşük ışın zamanı gerektirdiğinden (yüksek üretilebilirlilik), günümüzde geniş bir siklotron programıyla ekonomik olarak bütünleştirilebilir.

Siklotronlarla İzotop Üretimi 201Tl: 203Tl (p,3n) 201Pb 201Tl En önemli SPECT izotoplarındandır ve radiopharmaceutical Co. tarafından ticaretleştilmiştir. Dünyada kurulu toplam üretim kapasitesi talebi aşmaktadır. 123I: 124Xe (p,2n) 123Cs 123Cs → 123Xe → 123I 123I Çok önemli SPECT izotopudur ve dünyada yaygın üretimi vardır. Toplam mümkün olan kapasitesi 10 Ci dir. 111In: 112Cd (p,2n) 111In bazı SPECT teknikleri için önemlidir. Düşük talebinden dolayı pahalıdır. 67Ga: 68Zn (p,2n) 67Ga üretimi kolaydır. Talebi düşüktür. (p;2n) prosesi, siklotronlarla klasik medikal radyoizotop üretiminde standard reaksiyondur. En önemlileri 123I, 111In ve 67Ga dir. Diğer çoğu ticari öneme sahip radyonüklidler bu reaksiyon yoluyla üretilebilir. Bununla birlikte; 201Tl, üretim siklotronunun parametresini gerektirir.

Radyofarmasötikler Radyofarmasötik,teşhis ve tedavi amaçlı hastaya verildiğinde hastada fizyolojik bir bozukluğa neden olmayan radyoaktif bir bileşiktir.

RADYAFARMÖSİTİKLER 67Ga’nin yarı ömrü 77.9 saattir. Pek çok soliter tümörün görüntülenmesinde, enfeksiyöz ve enflamatuar hastalıklarda kullanılmaktadır. 67Ga’nin farklı tipteki tümör hücrelerine değişik düzeylerde affinitesi olduğu bilinmekle birlikte en yoğun soğurulmanın Lenfoma hücrelerinde olduğu gözlenmektedir. Bu nedenle 67Ga sintigrafisi neoplazik hastalıklar içinde en çok lenfoma görüntülenmesinde fayda göstermektedir. Bunun dışında yumuşak doku, baş boyun, akciğer, karaciğer tümörleri, melanom ve nöroblastom da galyum soğurması gösteren tümörler arasında yer almaktadır. Günümüzde tedavi yanıtını değerlendirme ve klinik prognozu belirlemek amacıyla galyum sintigrafisinden yararlanılmakta, özelikle rezidü kitlelerde hastalığın aktivitesinin belirlenmesinde, rekürrenslerin saptanmasında yaygın olarak benimsendiği görülmektedir. 67Ga ’nin fizyolojik ve patolojik durumlarda meme dokusunda da yoğun olarak soğurulabildiği gösterilmiştir .

Radyofarmasötikler 111In fiziksel yarı ömrü 2.83 gün olup elektron yakalama ile bozunarak 111Cd’ ye bozunur. 171.3 keV ve 245.4 keV’luk olmak üzere başlıca iki gamma ışını vardır. 111In somatostatin sintigrafisi nöroendokrin hücrelerden kaynaklanan tümörlerde ve meme, beyin, kolon, akciğer gibi organ kanserlerinde: primer odağın belirlenmesi; tümörün evrelendirilmesi; tedavi protokolünün oluşturulması; tedavi etkinliğinin değerlendirilmesi; tedavi amacıyla kullanılmaktadır . 201Tl , elektron yakalama yoluyla bozunuma uğramaktadır ve yarıömrü 73 saattir. 1970’ lerden beri özellikle myokardial perfüzyon ajanı olarak sintigrafide kullanılmakla birlikte son on yılda tümör görüntülemesinde de büyük ilgi görmektedir. 201Tl karaciğer, kalp ve kas dokusunda normal fizyolojik soğurması nedeniyle bu dokulara yakın yerdeki lezyonların tespitini zorlaştırmaktadır. Enerji düzeyleri 69-83 keV x-ışını (%94), 167 keV (%10) ve 135 keV g-ışını (%3)’ dır .

Siklotronlarla Radyoizotop Üretimi (p,n) reaksiyonu ve 15 MeVlik protonlarla 18F: 18O (p, n) 18F küçük siklotron kullanan çoğu merkezler tarafından ticaretleştirilen çok önemli PET izotopudur. Aynı zamanda, 30 MeV veya hatta 65 MeV lik siklotronlarda üretilir. (Nice-Fransa) 124I: 124Te (p,n) 124I ticari açıdan çok önemli PET izotopudur (in-vivo dosimetry). Geniş ölçekli üretim teknolojisi henüz mevcut değildir. Aynı teknoloji, 123Te hedef materyaline dayalı orta ölçekli 123I üretimi için kullanılabilr. 64Cu: 64Ni (p,n) 64Cu Terapi esnasında biodağılım ölçümlerine yarayan RIT ve PET için therapeutic izotoptur. Dikkat: (p,n) prosesi sadece ~15 MeV gerektirir ve normal olarak küçük PET siklotronlarında oluşturulur. Aynı zamanda; demet diagnostiğinde yüksek üretim hedeflerinin modern sistemle birleşmesinden dolayı,sadece kullanılabilinir demet zamanının küçük bir bölümü için bu reaksiyon ekonomik şartlar altında daha büyük siklotronlada da oluşturulabilir.

20 MeV gelme enerjili protonlarla diğer radyoizotopların üretimi Auger Therapy 20 GBq nat Ho (p,n) 165 Er 10.3 h SPECT 10 GBq 123 Te (p,n) I 13.2 h PET 1 GBq 124 4.15 d Therapy 5 GBq 186 W (p,n) Re 90.6 h 120 1.35 h 5 - 110 Cd (p,n) In 69.1 m 94 Mo (p,n) Tc 4.9 h PET, bioconjugates 90 Zr (p,n) Nb 14.6 h 89 Y (p,n) Zr 78.4 h 86 Sr (p,n) Y 14.7 h Generator, SPECT 0.5 82 Kr (p,2n) 81 Rb 4.58 h Rb/ 81m Kr 2 GBq 76 Se (p,n) Br 16 h 66 Zn (p,n) Ga 9.4 h therapy, bioconjugates 10 70 Zn (p, a ) 67 Cu 61.9 h PET & therapy, 40 GBq 64 Ni (p,n) 12.7 h PET, encymes, vitamines Fe (p,2n) 55 Co 17.54 h PET: bioconjugates nat. Sc (p,n) 45 Ti 3.08 h Application Batch size Reaction T 1/2 Isotope 50 GBq 50GBq 100 GBq Uygulama alanı Batch genişliği Reaksiyon izotop

IBA 30 MeV Siklotronunda PET-izotop Üretimi

Radyoizotoplar Radyoizotop üretimi çekirdek tepkileşimlerini temel alır. Genelde çekirdek tepkileşimlerinde bir hedef üzerine belli enerjide gönderilen parçacıklarla tepkileşime girdiğinde bir ürün çekirdek oluşur ve kimyasal yöntemlerle işlem görüp nükleer tıpta kullanılacak hale getirilir. SPECT ve PET yöntemlerinde kullanılan ve EC/+ bozunumu yapan C-11, F-18 ,Ga-67, Tl-201,I-123 gibi radyoizotopların üretimi, hızlandırılmış yüklü parçacıklar gerektiğinden, sadece siklotronda mümkündür.

Nükleer Tıpta Kullanılan Radyonüklidler a)Siklotron Ürünleri i.Pozitron saçan izotoplar:C-11,N-13,O-15, F-18 ii.Gama saçan izotoplar:Co-57,Ga-67, In-111,I-123,Tl-201 b)Jeneratör Ürünleri:Ga-68,Kripton 81m,Ru-82, Tc-99m ve In-113m c)Nükleer reaktör ürünleri:Xe-133,Mo-99,I-131

Radyofarmasötiklerin Nükleer Tıpta Kullanımları Hastalıkların teşhisinde, organlar ile ilgili fonksiyonel bilgi elde edilmesi son derece önemlidir.Nükleer tıpta gama fotonu yayınlayan radyoaktif maddeler,uygun kimyasallar ile (radyofarmasötik) birleştirilerek kullanılır. Bu bileşik hastaya damardan,ağız yoluyla ya da solunum yoluyla verilir.Kullanılan kimyasalların özellikleri nedeniyle, bileşik hedeflenen organa yerleşir ve hedef organ radyoaktif kaynak haline gelir.

Radyofarmasötiklerin Nükleer Tıpta Kullanımları Organdan yayınlanan gama fotonlarının dedeksiyonu ve işlenmesi ile organ görüntüleri elde edilir. Bu görüntüler organın fonksiyonel işlevine ilişkin bilgi verirler. Bu amaçla konvansiyonel gama kameralar ve bilgisayarlı tek foton tomografileri (SPECT) ile pozitron emisyon tomografileri (PET) kullanılmaktadır. Radyoaktif maddelerin bir kimyasal ile birleştirilmeden saf olarak kullanıldığı uygulamalarda bulunmaktadır.

Positron Emission Tomografi

Nötron Üretimi Siklotron tipi hızlandırıcıda hızlandırılmış döteron demetiyle üretilen nötronlar kullanılarak yapılabilecek araştırma, geliştirme ve eğitim çalışmaları aşağıda özetlenmiştir: Nükleer tepkimeler ile çekirdeğin bozunum sürecinde enerji seviyeleri, seviye yoğunlukları, seviye ömürleri, tesir kesitlerinin ölçülmesi ile bazı rezonansların tayini. Nötron aktivasyon analizi. Radyografi (tahribatsız muayene) uygulamaları yapmak. Malzeme karakterizasyonu ve modifikasyonu. İnce tabaka aktivasyon analizi (mekanik parçalarda korozyon tespiti, vb.), PET radyoizotoplarından, örneğin, 18F2(doppa), 20Ne(d,)18F tepkimesiyle üretimi. Prostat kanseri tedavisinde kullanılan paladyum-103 üretimi için alternatif olarak 103Rh(d,2n)103Pd tepkimesinin gerçekleştirilmesi. Radyoaktif atıkların yok edilmesi için transmütasyon araştırmalarını yapmak

Nötron Üretimi Hızlandırıcıdan gelen bir parçacık demeti (çoğu tasarımlarda proton) ağır elementlerin kalın bir hedefine çarptığı zaman hedef içinde atomik çekirdeğin spallasyonu ile çok miktarda nötronlar ve yüklü parçacıklar elde edilir.

Denge ve denge öncesi nükleer modeller Uzun yıllar nükleer reaksiyonlar iki sınıfta kategorize edilmiştir.Birincisi çok hızlı gerçekleşen direk reaksiyonlardır.Bu tür reaksiyonlarda merminin hedefle etkileşme süreci 10-22 sn dir. İkinci grup olan bileşik çekirdek reaksiyonu ise 10-16-10-18 sn gibi uzun bir zaman aralığında gerçekleşir. Bu olay Weisskopf and Ewing (Weisskopf and Ewing, 1940) ; Hauser and Feshbach (Hauser and Feshbach, 1952) tarafından bileşik çekirdek teorileri ile açıklanmıştır.

Denye ve denge öncesi nükleer modeller Bileşik çekirdek dalga fonksiyonları karışıktır,bu teorilerde yayınlanan parçacığın spektrumu Maxwell eğrisine benzer.Yayınlanan parçacığın açısal dağılımı simetriktir ve 90 derecedir. 1950 -1960li yıllarda bazı nükleer reaksiyonların, direkt ve bileşik çekirdek reaksiyon modelleri ile açıklanamadığı görülmüştür.Yüksek enerjilerde yayınlanan spektrumun şeklinde değişikliğin Griffin (Graffin, 1966) tarafından gözlenmesi ile dengeöncesi model ileri sürüldü.Daha sonra birçok araştırmacı tarafından geliştirilip,düzeltilerek hem yayınlanan parçacıkların açı integralli spektrumlarının hesaplanmasında hem de çekirdeklerin ’’ uyarılma fonksiyon’’larının elde edilmesinde büyük bir başarı ile kullanıldı.

Denge ve dengeöncesi nükleer modeller Özellikle 10 MeV in üzerindeki gelme enerjilerinde dengeöncesi bileşeni nükleer reaksiyonlara ihmal edilemeyecek katkıda bulunur. Bu çalışmada hesaplamalarda denge durumu için Weisskopf-Ewing Model,denge öncesi etkileri incelemek için ise;hibrid model,geometri bağımlı hibrid model,cascade exciton model ve full exciton modeller kullanılmıştır.Deneysel tesir kesitleri literatürden ve NNDC,CSISRS kütüphanelerinden elde edilmiştir.

Denge ve dengeöncesi nükleer modeller Denge durumu Weisskopf-Ewing e göre hesaplanır ve gelen a parçacığı ile çıkan b parçacığı için reaksiyon tesir kesiti şu şekilde yazılabilir: Einc= gelme enerjisi Γb =b parçacığı için bozunma genişliği σab= Einc gelme enerjisi için reaksiyon tesir kesiti

HESAPLAMALAR Bu çalışmada, proton giriş reaksiyon tesir kesitleri denge ve dengeöncesi modellerle hesaplandı. Denge hesaplamaları için Weisskopf–Ewing (ALICE91 ve PCROSS03) teorileri kullanıldı. Dengeöncesi hesaplamalar hibrid model, geometri bağımlı hibrid model,full exciton model ve Cascade Exiton Model ile yapıldı. Uyarılma fonksiyonları denge ve dengeöncesi reaksiyon modellerinden hesaplanarak deneysel değerlerle karşılaştırıldı. Uyarılma fonksiyonlarının hesaplanmasında, dengeöncesi bileşeni hibrid ve geometri bağımlı hibrid modeli ALICE91 programı kullanılarak yapıldı. Cascade Exiton Model CEM 95 bilgisayar programı ile hesaplanmıştır. Deneysel veriler Uluslararası Atom Enerjisi Kurumu’ nun EXFOR/ CSISRS kütüphanelerinden elde edilmiştir. Çizilen grafikler üzerinde deneysel veriler nükleer modellerle hesaplanan sonuçlarla karşılaştırılmıştır.

HESAPLAMALAR Çalışmamızda 5-40 MeV gelme enerji aralığında protonlarla PET radyoizotopları; 13C(p,n)13N, 14N(p,  )11C, 15N(p,n)15O, 16O(p,  )13N, 18O(p,n)18F, 62Ni(p,n)62Cu ve 68Zn(p,n)68Ga tepkimelerinin uyarılma fonksiyonları incelenmiştir. Ayrıca,10-50 MeV gelme enerjili protonlarla 56Fe(p,2n)55Co, 58Fe(p,2n)57Co, 60Ni(p,n)60Cu, 62Ni(p,2n)61Cu, 68Zn(p,2n)67Ga, 72Ge(p,n)72As, 82Kr(p,2n)81Rb, 124Xe(p,2n)123Cs, 112Cd(p,2n)111In ve 203Tl(p,3n)201Pb tepkimelerinin reaksiyon tesir kesitleri hesaplanmıştır. Nötron üretimi hesaplamaları için 5-100 MeV gelme enerjili protonlarla 50Cr(p,n)50Mn, 50Cr(p,2n)49Mn, 52Cr(p,n)52Mn, 52Cr(p,2n)51Mn, 53Cr(p,n)53Mn, 53Cr(p,2n)52Mn, 54Cr(p,n)54Mn, 63Cu(p,n)63Zn , 63Cu(p,2n)62Zn, 63Cu(p,3n)61Zn, 65Cu(p,n)65Zn, 65Cu(p,3n)63Zn, 65Cu(p,4n)62Zn reaksiyonlarının uyarılma fonksiyonları hesaplanmıştır.

Grafik1: 68Zn(p,2n)67Ga tepkimesinin hesaplanan uyarılma fonksiyonunun literatürdeki değerler ile karşılaştırılması

Grafik2: 112Cd(p,2n)111In tepkimesinin hesaplanan uyarılma fonksiyonunun literatürdeki değerler ile karşılaştırılması

Nötron Üretimi İçin Hesaplamalar Grafik3: 54Cr(p,n)54Mn tepkimesinin hesaplanan uyarılma fonksiyonunun literatürdeki değerler ile karşılaştırılması

Nötron üretimi için hesaplamalar Grafik4: 65Cu(p,3n)63Zn tepkimesinin hesaplanan uyarılma fonksiyonunun literatürdeki değerler ile karşılaştırılması

SONUÇLAR VE TARTIŞMA Genel olarak nükleer modellerle yapılan hesaplamalar deneysel verilerle uyumludur. Weisskopf-Ewing model hesaplamaları 30 MeV in üzerinde deneysel değerlerle uyumlu değildir. Cascade exciton model hesaplamaları, geometri bağımlı hibrid model ve hibrid model hesaplamaları 10-15 MeV lik proton gelme enerjisinin üzerinde deneysel verilerle uyumludur. Bu radyoizotopların üretimi orta enerjili siklotron tipi proton hızlandırıcısı ile gerçekleştirilebilir.

TEŞEKKÜRLER ...............................