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The SPES_MED project

यह शोध पत्र INFN-LNL में SPES_MED परियोजना (2025-2027) के लक्ष्यों को रेखांकित करता है, जिसका उद्देश्य प्रत्यक्ष सक्रियण (direct activation) और ISOL तकनीकों दोनों का उपयोग करके चिकित्सा रेडियोन्यूक्लाइड्स का उत्पादन करना है, साथ ही परमाणु क्रॉस-सेक्शन मापन, उत्पादन और मॉडलिंग पर इसके पहले वर्ष के प्रारंभिक परिणामों को प्रस्तुत करना है।

मूल लेखक: Gaia Pupillo, Alberto Andrighetto, Alberto Arzenton, Michele Ballan, Francesca Barbaro, Nicola Belcari, Francesco Broggi, Fiorella Maria Cagnetta, Luciano Canton, Sara Cisternino, Michele Colucci, Gia

प्रकाशित 2026-07-08

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CC BY 4.0

मूल लेखक: Gaia Pupillo, Alberto Andrighetto, Alberto Arzenton, Michele Ballan, Francesca Barbaro, Nicola Belcari, Francesco Broggi, Fiorella Maria Cagnetta, Luciano Canton, Sara Cisternino, Michele Colucci, Giancarlo D'Agostino, Pasquale Delogu, Lucia De Dominicis, Laura De Nardo, Marco Di Luzio, Antonietta Donzella, Juan Esposito, Lorenzo Gaddi, Andrea Gandini, Flavia Maria Groppi Garlandini, Alisa Kotliarenko, Yuliia Lashko, Aurora Leso, Marcello Lunardon, Simone Manenti, Sandra Moretto, Liliana Mou, Elisa Persico, Daniele Scarpa, Davide Serafini, Omorjit Singh Khwairakpam, Giancarlo Sportelli, Giulia Saveria Valli, Giacomo Voltan, Lisa Zangrando, Emilio Mariotti

मूल पेपर CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

कल्पना कीजिए कि इटली में SPES (Selective Production of Exotic Species) नामक एक विशाल, हाई-टेक किचन है। इसका मुख्य काम आमतौर पर वैज्ञानिकों के लिए उन दुर्लभ, विदेशी सामग्रियों को पकाना होता है जो ब्रह्मांड के मूल तत्वों का अध्ययन करने के काम आती हैं। हालाँकि, अब SPES_MED नामक एक नई टीम इस किचन में आ गई है जिसका एक विशिष्ट मिशन है: डॉक्टरों के लिए विशेष "सामग्री" (रेडियोधर्मी परमाणु) पकाना जिनका उपयोग बीमारियों के निदान और उपचार के लिए किया जा सके।

यह पेपर उनके नए प्रोजेक्ट के पहले वर्ष की प्रगति रिपोर्ट की तरह है। यहाँ वे क्या कर रहे हैं, इसे सरल भाषा में समझाया गया है:

दो पकाने के तरीके (The Two Cooking Methods)

टीम इन चिकित्सा सामग्रियों को बनाने के लिए दो अलग-अलग तरीकों का उपयोग कर रही है:

"सीधा प्रहार" विधि (LARAMED): कल्पना कीजिए कि विशिष्ट धातुओं से बने लक्ष्य (target) पर सीधे एक तोप के गोले (प्रोटॉन की एक बीम) को दागना। यह प्रभाव धातु के परमाणुओं को तोड़ देता है और नए, उपयोगी रेडियोधर्मी परमाणु बनाता है। यह एक तरबूज को फोड़ने और उसके बीज निकालने जैसा है।
"ओवन" विधि (ISOL): कल्पना कीजिए कि एक सामग्री के ब्लॉक (जैसे एक विशेष सिरेमिक) को एक सुपर-हॉट ओवन (2000°C) में रखना। गर्मी परमाणुओं को अंदर से "पसीना" निकालने और गैस के रूप में बाहर निकलने के लिए मजबूर करती है। इन गैस परमाणुओं को फिर पकड़ा जाता है, छाँटा जाता है और एकत्र किया जाता है। यह पनीर के एक टुकड़े को तब तक गर्म करने जैसा है जब तक कि उसका स्वाद वाला तेल पिघलकर बाहर न आ जाए और उसे एकत्र किया जा सके।

उन्होंने इस वर्ष क्या किया (तीन कार्य पैकेज - Work Packages)

प्रोजेक्ट को तीन मुख्य कार्यों, या "वर्क पैकेज" (WP) में विभाजित किया गया है:

1. रेसिपी का परीक्षण करना (WP1: क्रॉस-सेक्शन माप)
इससे पहले कि आप हजारों लोगों के लिए भोजन बनाना शुरू करें, आपको यह जानना होगा कि सटीक परिणाम पाने के लिए कितनी गर्मी और कितना समय चाहिए ताकि खाना जल न जाए।

प्रयोग: टीम ने विशिष्ट धातु लक्ष्यों (जैसे टाइटेनियम और यूरोपियम) पर विभिन्न प्रकार की कण बीम (जैसे ड्यूटेरॉन और अल्फा कण) दागीं।
लक्ष्य: वे ठीक से मापना चाहते थे कि कितने "चिकित्सा परमाणु" बनाए गए और कितने "कचरा परमाणु" (अशुद्धियाँ) दुष्प्रभाव के रूप में बने।
खोज: उन्होंने स्कैंडियम-47 (थेरानोस्टिक्स के लिए बेहतरीन, जिसका अर्थ है एक ही परमाणु का उपयोग इमेजिंग और उपचार दोनों के लिए करना) नामक एक विशिष्ट परमाणु बनाने का एक नया, कुशल तरीका खोजा। उन्होंने टर्बियम आइसोटोप का भी अध्ययन किया।
आश्चर्य: उन्होंने पाया कि कुछ मौजूदा "कुकबुक्स" (वैज्ञानिक डेटा) में कुछ परमाणुओं के क्षय (decay) होने के तरीके के बारे में गलत संख्याएँ थीं। उन्होंने टर्बियम-154 के लिए एक विशिष्ट "ब्रांचिंग रेशियो" (वह पथ जिसे एक परमाणु अपनाता है जब वह बदलता है) को मापा और पाया कि यह पहले की तुलना में बहुत कम था। इसका मतलब है कि पिछली गणनाएँ गलत हो सकती हैं और उन्हें रेसिपी को फिर से लिखने की आवश्यकता है।

2. संग्रह स्टेशन स्थापित करना (WP2: ISOL उत्पादन)
अब जब वे रेसिपी जानते हैं, तो उन्हें परमाणुओं को पकड़ने के लिए एक असेंबली लाइन बनानी है।

नया स्टेशन: उन्होंने IRIS नामक एक विशेष संग्रह स्टेशन स्थापित किया है। इसे एक हाई-टेक वैक्यूम क्लीनर की तरह समझें जो गर्म ओवन से आने वाली रेडियोधर्मी गैस को सोख लेता है और उसे छोटी, खाने योग्य दिखने वाली गोलियों (चीनी जैसी सामग्रियों से बनी) पर जमा देता है ताकि डॉक्टर बाद में उन्हें आसानी से उठा सकें।
लेजर ट्यूनर: उन्होंने एक लेजर आयन सोर्स का परीक्षण किया। कल्पना कीजिए कि एक बहुत ही विशिष्ट रंग की लेजर लाइट का उपयोग करके केवल उन्हीं परमाणुओं को "टैग" करना जिन्हें आप चाहते हैं, और बाकी को अनदेखा करना। उन्होंने सफलतापूर्वक सिल्वर (चांदी) की बीम के साथ इसका परीक्षण किया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि अब वे उच्च शुद्धता के साथ विशिष्ट परमाणुओं को पकड़ सकते हैं।
स्टॉपवॉच: उन्होंने सिल्वर-111 के "हाफ-लाइफ" (वह समय जो एक परमाणु गायब होने से पहले तक रहता है) को भी पुन: मापा। उन्होंने पाया कि यह मानक संख्या की तुलना में थोड़ा कम समय तक रहता है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि यदि आप सोचते हैं कि दवा अधिक समय तक चलती है जबकि वास्तव में वह कम चलती है, तो खुराक गलत हो सकती है।

3. सिमुलेशन किचन (WP3: न्यूक्लियर मॉडलिंग)
महंगी सामग्रियों को जलाने से पहले, वे कंप्यूटर का उपयोग करके खाना पकाने की प्रक्रिया का अनुकरण (सिमुलेशन) करते हैं।

जेनेटिक एल्गोरिदम: उन्होंने एक कंप्यूटर प्रोग्राम का उपयोग किया जो विकास (evolution) की नकल करता है। यह हजारों अलग-अलग "रेसिपी" (पैरामीटर) को आज़माता है ताकि यह देखा जा सके कि कौन सा सबसे अच्छा परिणाम देता है। उन्होंने स्कैंडियम-47 बनाने के सिमुलेशन को बेहतर बनाने के लिए इसका उपयोग किया, और पाया कि उनका नया कंप्यूटर मॉडल पुराने मानक मॉडलों की तुलना में बहुत अधिक सटीक है।
वर्चुअल ओवन: उन्होंने सिरेमिक लक्ष्यों का सबसे अच्छा आकार डिजाइन करने के लिए उन्नत 3D सिमुलेशन (जैसे एक वीडियो गेम फिजिक्स इंजन) का उपयोग किया। वे अलग-अलग आकारों का परीक्षण कर रहे हैं ताकि यह देखा जा सके कि गर्मी और परमाणु उनके अंदर कैसे चलते हैं, जिसका लक्ष्य ऐसे लक्ष्य बनाना है जो पिघले बिना अधिक शक्ति को संभाल सकें।

मुख्य निष्कर्ष (The Bottom Line)

SPES_MED प्रोजेक्ट अपने पहले वर्ष में है और इसने सफलतापूर्वक:

रेडियोधर्मी परमाणुओं को पकड़ने और छाँटने के लिए नए उपकरण बनाए हैं।
विशिष्ट चिकित्सा परमाणुओं (स्कैंडियम और टर्बियम) को बनाने के नए तरीकों का परीक्षण किया और पाया कि वे उम्मीद से बेहतर काम करते हैं।
खोजा कि कुछ पुराना वैज्ञानिक डेटा गलत था और उसे अपडेट करने की आवश्यकता है।
सिद्ध किया कि स्मार्ट कंप्यूटर सिमुलेशन का उपयोग करने से वे इन परमाणुओं को अधिक कुशलता से पका सकते हैं।

वे अनिवार्य रूप से भविष्य के चिकित्सा उपचारों के लिए कच्चे माल का उत्पादन करने के लिए एक अत्याधुनिक फैक्ट्री बना रहे हैं, यह सुनिश्चित करते हुए कि "सामग्री" शुद्ध, प्रचुर और ठीक उसी तरह की हो जैसे डॉक्टर उन्हें चाहते हैं।

तकनीकी सारांश: SPES_MED परियोजना

समस्या विवरण
मेडिकल रेडियोन्यूक्लाइड्स का उत्पादन परमाणु चिकित्सा (nuclear medicine) के विस्तार करते क्षेत्र के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण है, जो तेजी से थेरानोस्टिक्स (theranostics), द्वि-मोडल इमेजिंग (bimodal imaging) और लक्षित रेडियोथेरेपी के लिए नवीन आइसोटोप्स पर निर्भर हो रही है। हालांकि, उच्च-शुद्धता वाले अनुसंधान-ग्रेड रेडियोन्यूक्लाइड्स की उपलब्धता एक चुनौती बनी हुई है, जिसके लिए उन्नत अनुसंधान बुनियादी ढांचे की आवश्यकता है। जबकि INFN-Laboratori Nazionali di Legnaro (INFN-LNL) में SPES (Selective Production of Exotic Species) सुविधा मुख्य रूप से मौलिक भौतिकी के लिए पुन: त्वरित (re-accelerated) विलक्षण आयन बीम (exotic ion beams) उत्पन्न करने के लिए डिज़ाइन की गई है, इसका द्वि-बीम निष्कर्षण तंत्र (dual-beam extraction system) अनुप्रयुक्त अनुसंधान के लिए एक अनूठा अवसर प्रदान करता है। SPES_MED परियोजना विशिष्ट मेडिकल रेडियोन्यूक्लाइड्स के उत्पादन को अनुकूलित करने की आवश्यकता को संबोधित करती है, जो प्रत्यक्ष सक्रियण विधियों (direct activation methods) और आइसोटोप पृथक्करण ऑन-लाइन (Isotope Separation On-Line - ISOL) तकनीक दोनों का लाभ उठाती है। एक प्रमुख पहचाना गया संकट उभरते हुए आइसोटोप्स के सटीक परमाणु क्रॉस-सेक्शन डेटा और विश्वसनीय क्षय मापदंडों (decay parameters) का अभाव है, जो उत्पादन मार्गों के अनुकूलन और रेडियोन्यूक्लिडिक शुद्धता के मूल्यांकन में बाधा डालता है।

कार्यप्रणाली
SPES_MED परियोजना (2025-2027 के लिए वित्त पोषित) तीन कार्य पैकेजों (Work Packages - WPs) के इर्द-गिर्द संरचित है, जिसमें INFN-LNL और विभिन्न इतालवी विश्वविद्यालयों एवं अनुसंधान संस्थानों के बीच सहयोग शामिल है।

WP1 (परमाणु क्रॉस-सेक्शन माप): टीम आवेशित कण बीमों का उपयोग करके परमाणु अभिक्रियाओं के प्रयोगात्मक माप करती है। विशिष्ट अभियान शामिल हैं:
- समृद्ध $^{49}$ Ti लक्ष्यों पर ड्यूटेरॉन-प्रेरित अभिक्रियाएं ( $^{49}$ Ti(d,x) $^{47}$ Sc) जिसे GIP ARRONAX सुविधा में स्टैक्ड-फॉइल विधि (stacked-foils method) द्वारा किया गया।
- प्राकृतिक यूरोपियम लक्ष्यों पर अल्फा-कण प्रेरित अभिक्रियाएं ( $^{nat}$ Eu( $\alpha$ ,x)) और गैडोलीनियम पर प्रोटॉन-प्रेरित अभिक्रियाएं, जो 65-68 MeV तक की ऊर्जा को कवर करती हैं।
- पोस्ट-इरेडिएशन विश्लेषण उच्च-रिज़ॉल्यूशन $\gamma$ -स्पेक्ट्रोमेट्री का उपयोग करके HPGe डिटेक्टरों के माध्यम से किया जाता है, जिसमें हस्तक्षेपों (interferences) को हल करने के लिए कई दिनों तक क्षय वक्रों (decay curves) का अनुसरण किया जाता है।
WP2 (ISOL उत्पादन और इंस्टॉलेशन): यह कार्य पैकेज ISOLPHARM रेडियोन्यूक्लाइड इम्प्लांटेशन स्टेशन (IRIS) पर केंद्रित है।
- IRIS प्रणाली, जो SPES लो-एनर्जी एक्सपेरिमेंटल हॉल में स्थित है, रेडियो आयन बीम (RIBs) को बाद के विश्लेषण के लिए कार्बनिक सबस्ट्रेट्स (हाइप्रोमेलोज़/सोरबिटोल टैबलेट) पर एकत्र करती है।
- कमीशनिंग गतिविधियों में SPES लेजर आयन स्रोत (SPES-LIS) शामिल है, जो रेजोनेंट स्टेपवाइज फोटोआयनाइजेशन (SPES-LIS द्वारा प्रमाणित, जिसे स्थिर सैमेरियम बीम के साथ मान्य किया गया है) का उपयोग करता है ताकि तत्व शुद्धता को बढ़ाया जा सके और आइसोबेरिक संदूषण (isobaric contamination) को कम किया जा सके।
- भविष्य के रेडियोधर्मी बीम उत्पादन के लिए स्थितियों को अनुकूलित करने हेतु ऑफलाइन फ्रंट-एंड पर स्थिर बीम (जैसे सिल्वर) का उपयोग करके आयनीकरण दक्षता परीक्षण किए जाते हैं।
WP3 (परमाणु मॉडलिंग और सिमुलेशन): यह पैकेज प्रयोगात्मक डेटा की व्याख्या करने और उत्पादन मापदंडों को अनुकूलित करने के लिए कम्प्यूटेशनल टूल का उपयोग करता है।
- जेनेटिक एल्गोरिदम (GA): $^{49}$ Ti(p,x) $^{47}$ Sc अभिक्रिया के लिए TALYS परमाणु अभिक्रिया मॉडल मापदंडों (विशेष रूप से स्तर-घनत्व मापदंडों) को अनुकूलित करने के लिए एक GA का उपयोग किया जाता है ताकि प्रयोगात्मक क्रॉस-सेक्शन डेटा के साथ बेहतर फिट प्राप्त किया जा सके।
- मोंटे कार्लो सिमुलेशन: SiC लक्ष्य बक्सों में विसरण प्रक्रियाओं (diffusive processes) को सिम्युलेट करने के लिए Geant4 का उपयोग किया जाता है ताकि न्यूक्लाइड्स के औसत पलायन समय (mean escape times) की गणना की जा सके। उत्पादन दरों के निर्माण के लिए SiC, TiC और UCx लक्ष्यों में उत्पादन दर का मॉडल बनाने और सैद्धांतिक भविष्यवाणियों को प्रयोगात्मक डेटा के विरुद्ध बेंचमार्क करने के लिए FLUKA और PHITS कोड का उपयोग किया जाता है।
- फोटोआयनाइजेशन अध्ययन: Mg, Sc, Ga और Ag के लिए लेजर आयनाइजेशन स्कीम्स की अंतर्निहित दक्षता का मूल्यांकन SPES-LIS के भीतर आय उपज (ion yields) की भविष्यवाणी करने के लिए किया जाता है।

प्रमुख योगदान और परिणाम

क्रॉस-सेक्शन डेटा: परियोजना ने $^{49}$ Ti(d,x) $^{47}$ Sc अभिक्रिया और टेरबियम आइसोटोप्स ( $^{149-156}$ Tb) उत्पन्न करने वाली $^{nat}$ Eu( $\alpha$ ,x) अभिक्रियाओं के लिए नए प्रयोगात्मक क्रॉस-सेक्शन डेटा उत्पन्न किए हैं। ये परिणाम परमाणु डेटाबेस के लिए आवश्यक इनपुट प्रदान करते हैं और इष्टतम विकिरण मापदंडों की पहचान करने में मदद करते हैं।
क्षय डेटा संशोधन: एक महत्वपूर्ण निष्कर्ष में आंतरिक संक्रमण $^{154m1}$ Tb $\rightarrow$ $^{154g}$ Tb के लिए ब्रांचिंग अनुपात शामिल है। क्षय वक्रों के प्रयोगात्मक फिटिंग से ~8% का प्रारंभिक मान प्राप्त हुआ, जो साहित्य के मान 21.8 ± 0.7% से काफी कम है। यह विसंगति रेडियोन्यूक्लिडिक शुद्धता का सटीक मूल्यांकन करने के लिए संशोधित क्षय डेटा की आवश्यकता का सुझाव देती है।
हाफ-लाइफ निर्धारण: $^{111}$ Ag के हाफ-लाइफ का एक नया, उच्च-परिशुद्धता माप किया गया, जिसके परिणामस्वरूप 7.4236(11) दिन का मान प्राप्त हुआ। यह मान वर्तमान में अनुशंसित मान 7.45(1) दिन के साथ संघर्ष करता है, जो साहित्य में ज्ञात विसंगति की पुष्टि करता है।
इंफ्रास्ट्रक्चर कमीशनिंग: IRIS प्रणाली को सफलतापूर्वक ऑफलाइन स्थापित और परीक्षण किया गया, जिसमें वेंटिंग और खाली करने (evacuating) की प्रक्रियाएं शामिल हैं। SPES-LIS को स्थिर बीम के साथ कमीशन किया गया, जिसने उच्च दक्षता और कम आइसोबेरिक संदूषण के साथ $^{111}$ Ag जैसे तत्वों को उत्पन्न करने की क्षमता प्रदर्शित की।
मॉडल अनुकूलन: $^{49}$ Ti(p,x) $^{47}$ Sc अभिक्रिया के लिए TALYS मापदंडों के GA-आधारित अनुकूलन ने डिफ़ॉल्ट मॉडल की तुलना में लगातार कम रूट मीन स्क्वायर एरर (RMSE) प्रदर्शित किया, जो परमाणु अभिक्रिया सिमुलेशन में सुधार के लिए इस दृष्टिकोण की वैधता को सिद्ध करता है।
लक्ष्य डिजाइन: SiC लक्ष्य ज्यामिति के प्रारंभिक Geant4 सिमुलेशन और TiC लक्ष्यों के निरंतर FLUKA/PHITS अध्ययन उत्पादन दरों के लिए बेंचमार्क स्थापित कर रहे हैं और उच्च-शक्ति विकिरण के लिए लक्ष्य डिजाइनों को अनुकूलित कर रहे हैं।

महत्व
यह शोध पत्र SPES_MED परियोजना को मौलिक परमाणु भौतिकी बुनियादी ढांचे और परमाणु चिकित्सा की व्यावहारिक आवश्यकताओं के बीच के अंतर को पाटने के लिए एक महत्वपूर्ण कदम के रूप में प्रस्तुत करता है। सटीक क्रॉस-सेक्शन डेटा उत्पन्न करके और परमाणु मॉडलों को परिष्कृत करके, परियोजना का लक्ष्य $^{47}$ Sc, $^{111}$ Ag और टेरबियम आइसोटोप्स जैसे आइसोटोप्स के लिए उत्पादन उपज और रेडियोन्यूक्लिडिक शुद्धता को अनुकूलित करना है। परियोजना का दावा है कि प्रयोगात्मक डेटा को उन्नत संख्यात्मक तकनीकों (जैसे जेनेटिक एल्गोरिदम और मोंटे कार्लो सिमुलेशन) के साथ एकीकृत करना मौजूदा सैद्धांतिक भविष्यवाणियों की सीमाओं को दूर करने के लिए आवश्यक है। इसके अलावा, IRIS स्टेशन और SPES-LIS का सफल कमीशनिंग उच्च दक्षता के साथ तत्वों की श्रेणी का विस्तार करता है, जो उच्च-शुद्धता वाले रेडियोन्यूक्लाइड्स प्रदान करने के यूरोपीय PRISMAP+ कंसोर्टियम के लक्ष्यों का सीधा समर्थन करता है। यह कार्य परमाणु क्षय डेटा में विसंगतियों को हल करने के लिए समर्पित प्रयोगात्मक अध्ययनों के महत्व को रेखांकित करता है, जिनके रेडियोफार्मास्युटिकल्स की सुरक्षा और प्रभावकारिता पर सीधे परिणाम होते हैं।

दो पकाने के तरीके (The Two Cooking Methods)

उन्होंने इस वर्ष क्या किया (तीन कार्य पैकेज - Work Packages)

मुख्य निष्कर्ष (The Bottom Line)

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