The SPES_MED project

技術要約：SPES_MEDプロジェクト

問題提起
医療用ラジオアイソトープの生産は、セラノスティクス、バイモーダル・イメージング、および標的放射線療法への依存を強めている核医学の拡大する分野において極めて重要である。しかし、高純度の研究グレードのラジオアイソトープの可用性は依然として課題であり、高度な研究インフラを必要としている。SPES（選択的エキゾチック種生成）施設は、主に基礎物理学のための再加速エキゾチックイオンビームの生成を目的としているが、そのデュアルビーム抽出システムは応用研究に独自の機会を提供している。SPES_MEDプロジェクトは、直接活性化法とISOL（オンライン同位体分離）技術の両方を活用することで、特定の医療用ラジオアイソトープの生産を最適化する必要性に対処する。特定された主要な課題は、新たなアイソトープに関する精密な核反応断面積データや信頼できる崩壊パラメータの不足であり、これが生産ルートの最適化や放射性核種純度の評価を妨げている。

手法
SPES_MEDプロジェクト（2025–2027年度の資金提供）は、INFN-LNLとイタリアの様々な大学および研究機関との協力による3つのワークパッケージ（WP）で構成されている。

• WP1（核反応断面積測定）： チームは、荷電粒子ビームを用いた核反応の実験的測定を行う。具体的なキャンペーンには以下が含まれる：
  • GIP ARRONAX施設における、スタックド・フォイル法を用いた濃縮$^{49}$Tiターゲットに対する重陽子誘起反応（$^{49}$Ti(d,x)$^{47}$Sc）。
  • 天然ユーロピウムターゲットに対するアルファ粒子誘起反応（$^{nat}$Eu($\alpha$,x)）、および最大65–68 MeVまでのガドリニウムに対する陽子誘起反応。
  • 照射後解析は、HPGe検出器を用いた高分解能$\gamma$線スペクトロメトリーによって行われ、干渉を解決するために数日間にわたって崩壊曲線が追跡される。
• WP2（ISOL生産および設備）： このワークパッケージは、ISOLPHARMラジオアイソトープ注入ステーション（IRIS）に焦点を当てている。
  • SPES低エネルギー実験ホールに位置するIRISシステムは、その後の分析のために、有機基質（ヒプロメロース／ソルビトール錠剤）上に放射性イオンビーム（RIB）を収集する。
  • コミッショニング活動には、元素純度を高め、同重体汚染を低減するために、共鳴段階的光電離（安定なサマリウムビームで検証済み）を利用するSPESレーザーイオン源（SPES-LIS）が含まれる。
  • 将来の放射性ビーム生成のための条件を最適化するため、オフラインのフロントエンドにおいて安定ビーム（例：銀）を用いた電離効率テストが行われる。
• WP3（核モデルおよびシミュレーション）： このパッケージは、実験データを解釈し、生産パラメータを最適化するために計算ツールを用いる。
  • 遺伝的アルゴリズム（GA）： $^{49}$Ti(p,x)$^{47}$Sc反応に対するTALYS核反応モデルのパラメータ（特にレベル密度パラメータ）を最適化するために、GAが使用される。
  • モンテカルロ・シミュレーション： SiCターゲットボックス内での拡散プロセスを計算し、核種の平均脱出時間を算出するためにGeant4が使用される。また、SiC、TiC、およびUCxターゲットにおける生産率をモデル化し、理論的予測を実験データと照合するためにFLUKAおよびPHITSコードが利用される。
  • 光電離研究： Mg、Sc、Ga、およびAgのレーザー電離スキームの固有効率が評価され、SPES-LIS内でのイオン収率が予測される。

主な貢献と結果

• 断面積データ： プロジェクトは、$^{49}$Ti(d,x)$^{47}$Sc反応およびテルビウム同位体（$^{149-156}$Tb）を生成する$^{nat}$Eu($\alpha$,x)反応に関する新しい実験的断面積データを生成した。これらの結果は、核データベースへの不可欠な入力となり、最適な照射パラメータの特定に寄与する。
• 崩壊データの改訂： 内的遷移 $^{154m1}$Tb $\rightarrow$ $^{154g}$Tb に関する分岐比に関する重要な知見が得られた。崩壊曲線の実験的フィッティングにより、暫定値として約8%が得られたが、これは文献値の21.8 ± 0.7%よりも大幅に低い。この不一致は、放射性核種純度を正確に評価するために、崩壊データの改訂が必要であることを示唆している。
• 半減期決定： $^{111}$Agの新しい高精度な半減期測定が行われ、7.4236(11)日という値が得られた。この値は、現在推奨されている7.45(1)日と矛盾しており、文献における既知の不一致を裏付けている。
• インフラのコミッショニング： IRISシステムは、ベントおよび排気手順を含め、オフラインで正常に設置およびテストされた。SPES-LISは安定ビームを用いてコミッショニングされ、高い効率と低い同重体汚染で元素（$^{111}$Agなど）を生成できる能力を実証した。
• モデルの最適化： $^{49}$Ti(p,x)$^{47}$Sc反応に対するTALYSパラメータのGAベースの最適化は、デフォルトのモデルと比較して一貫して低い平方根平均二乗誤差（RMSE）を示し、核反応シミュレーションを改善するためのアプローチの妥当性を検証した。
• ターゲット設計： SiCターゲット幾何学に関する予備的なGeant4シミュレーション、および進行中のTiCターゲットに関するFLUKA/PHITS研究により、生産率のベンチマーク確立と高出力照射のためのターゲット設計の最適化が進められている。

意義
本論文は、SPES_MEDプロジェクトを、基礎核物理学インフラと核医学の実用的なニーズとの間のギャップを埋めるための重要なステップとして位置づけている。精密な断面積データを生成し、核モデルを精緻化することにより、本プロジェクトは$^{47}$Sc、$^{111}$Ag、およびテルビウム同位体などの生産収率と放射性核種純度を最適化することを目指している。プロジェクトは、実験データと高度な数値技術（遺伝的アルゴリズムやモンテカルロ・シミュレーションなど）の統合が、既存の理論的予測の限界を克服するために不可欠であると主張している。さらに、IRISステーションおよびSPES-LISの正常なコミッショニングは、高効率で生成可能なアイソトープの範囲を拡大し、高純度ラジオアイソトープを提供するための欧州PRISMAP+コンソーシアムの目標を直接的に支援するものである。本研究は、放射性医薬品の安全性と有効性に直接的な影響を与える核崩壊データの不一致を解決するために、専用の実験的研究がいかに重要であるかを強調している。