Optimization of 99mTc proton-induced production by means of cross-section measurements of technetium radioisotopes from molybdenum targets

기술 요약: 단면적 측정을 통한 $^{99m}\text{Tc}$ 양성자 유도 생산의 최적화

문제 정의
SPECT 영상 진단에 가장 널리 사용되는 방사성 핵종인 테크네튬-99m($^{99m}\text{Tc}$)의 전 세계적 공급은 노후화된 원자로에서 $^{235}\text{U}$ 핵분열을 통해 생산되는 $^{99}\text{Mo}/^{99m}\text{Tc}$ 제너레이터에 크게 의존하고 있다. 이러한 공급망은 시설 가동 중단 및 유지보수 문제로 인해 상당한 위험에 직면해 있으며, 이에 따라 가속기 기반의 대안적 생산 전략이 필요하다. 저에너지 양성자 빔(<18 MeV)을 이용한 농축 $^{100}\text{Mo}$ 타겟으로부터 $^{99m}\text{Tc}$를 직접 생산하는 방식은 유망한 경로이지만, 기존 문헌의 핵 단면적(cross-section)에 관한 상당한 불일치로 인해 최적화에 어려움을 겪고 있다. 반응 단면적에 대한 정확한 데이터는 임상 표준(유럽 약전 등)을 충족하는 방사핵종 순도를 보장하면서 생산 수율을 극대화하는 데 필수적이다.

방법론
본 연구는 베른 대학교 고에너지 물리학 실험실(LHEP)과 키이우 타라스 셰브첸코 국립 대학교 간의 협력을 통해 수행되었다. 연구에는 베른 대학 병원의 IBA Cyclone 18/18 사이클로트론이 사용되었으며, 이는 최대 18.24(25) MeV의 양성자 빔을 제공한다.

• 타겟 재료: 조사(irradiation)는 천연 Mo, 89.86% 농축 $^{97}\text{Mo}$, 그리고 92.43% 또는 99.73% 농축 $^{100}\text{Mo}$의 세 가지 유형의 몰리브데넘 타겟을 대상으로 수행되었다. 동위원소 조성은 유도 결합 플라즈마 질량 분석법(ICP-MS)을 통해 검증되었다.
• 조사 및 측정: 얇은 타겟(박막 또는 증착 분말)에 제어된 빔 전류로 조사를 실시하였다. 조사 후, 생성된 방사능은 N형 고순도 게르마늄(HPGe) 검출기를 사용하여 측정되었다.
• 데이터 분석:
  • 단면적은 표준 활성화 방정식을 사용하여 계산되었으며, 조사 중의 붕괴 및 빔 전류 변동에 대한 보정이 이루어졌다.
  • 다중 반응 경로를 통해 생성되는 방사핵종(예: $^{93}\text{Tc}$, $^{94}\text{Tc}$)의 경우, 서로 다른 동위원소 조성을 가진 타겟들로부터 얻은 측정값을 바탕으로 개별 반응 기여도를 분리하기 위해 선형 시스템 역행렬법(linear system inversion method)이 사용되었다.
  • 두꺼운 타겟 수율(Thick Target Yields, TTY) 및 방사핵종 순도는 측정된 단면적, 질량 저지 능력(SRIM-2013을 통해 계산됨), 그리고 에너지 감소를 위한 FLUKA 시뮬레이션을 사용하여 모델링되었다.
• 검증: 단면적 데이터와 이론적 수율 예측을 검증하기 위해 최적화된 파라미터를 사용한 두 차례의 생산 테스트가 수행되었다.

주요 기여 및 결과
본 논문은 18 MeV 이하의 몰리브데넘에 대한 양성자 유도 반응에 대한 포괄적인 실험적 단면적 측정 데이터를 제시하며, 여기에는 $^{93}\text{Tc}$, $^{94}\text{Tc}$, $^{95}\text{Tc}$, $^{96}\text{Tc}$, $^{97m}\text{Tc}$, $^{99m}\text{Tc}$, $^{101}\text{Tc}$, 그리고 $^{99}\text{Mo}$의 생성이 포함된다.

• 단면적 데이터: 본 연구는 $^{92}\text{Mo}(p,\gamma)$, $^{94}\text{Mo}(p,2n)$, $^{100}\text{Mo}(p,2n)$를 포함한 여러 반응 채널에 대해 새롭거나 정제된 단면적 데이터를 제공한다. 결과는 일반적으로 기존 실험 문헌과 잘 일치하지만, 특정 반응 및 에너지 범위에 따라 값을 과소평가하거나 과대평가하는 경향이 있는 TENDL 핵 데이터 라이브러리의 예측과는 차이를 보인다.
• 생산 파라미터 최적화:
  • 에너지: 약 16 MeV의 양성자 에너지가 최적으로 식별되었다. 18 MeV는 이론적으로 가장 높은 수율을 제공하지만, 16 MeV는 500 µm 타겟에 대해 유사한 수율을 제공하면서 빔 수송 및 타겟 윈도우에서의 에너지 손실을 수용할 수 있다.
  • 타겟 두께: 약 0.5 mm (500 µm)의 타겟 두께가 선택되었다. 더 두꺼운 타겟(최대 900 µm)은 절대적인 수율을 높이지만, 500 µm 두께는 농축 $^{100}\text{Mo}$의 단위 비용당 수율(비용 대비 수율) 측면에서 우수하며 고전류 운전 시 열 관리 측면에서도 유리하다.
  • 수율 및 순도: 16 MeV 빔을 농축 $^{100}\text{Mo}$ 500 µm 타겟에 10시간 동안 조사했을 때, 계산된 $^{99m}\text{Tc}$ 수율은 약 1.7 GBq/µA이다.
  • 불순물: 유럽 약전 제한치에 따라 방사핵종 순도를 평가하였다. 주요 불순물은 $^{94m}\text{Tc}$, $^{95}\text{Tc}$, $^{101}\text{Tc}$이다. 분석 결과, 10시간 조사 및 약 3시간의 냉각 시간을 거치면 $^{94m}\text{Tc}$의 활성도가 0.02% 미만으로 떨어진다. $^{95}\text{Tc}$는 조사 종료 후(EOB) 12시간 이상 동안 0.07% 미만으로 유지된다. 장수명 불순물($^{95m}\text{Tc}$, $^{97m}\text{Tc}$)은 무시할 수 있는 수준으로 생성된다.

검증
두 차의 생산 테스트를 통해 제안된 경로의 타당성을 확인하였다:

1. 10.4 MeV에서의 테스트는 다양한 Tc 동위원소에 대한 단면적 측정을 검증하였다.
2. 99.73% 농축 $^{100}\text{Mo}$ 타겟을 사용한 16.1 MeV에서의 테스트는 271(14) MBq/µAh의 수율과 99.941(4)%의 방사핵종 순도(EOB 2시간 후 측정)를 나타냈다. 이러한 실험 결과는 측정된 단면적으로부터 도출된 이론적 예측과 밀접하게 일치하였다.

의의
본 논문의 주요 의의는 기존 문헌의 불일치를 해결하는 고품질의 실험적으로 검증된 단면적 데이터를 제공한다는 점에 있다고 주장한다. 이 데이터는 $^{99m}\text{Tc}$ 생산 공정의 엄격한 최적화를 가능하게 하며, 임상적 방사핵종 순도 기준을 엄격히 준수하면서 수율을 극대화하는 특정 구성(16 MeV 양성자, 500 µm 농축 $^{100}\text{Mo}$ 타겟, 10시간 조사)을 식별해 냈다. 생산 테스트를 통한 성공적인 검증은 의료용 사이클로트론을 이용한 고순도 $^{99m}\text{Tc}$ 생산의 실질적인 타당성을 입증하며, 이는 원자로 기반 공급망에 대한 실행 가능한 대안을 제시한다. 저자들은 현재의 테스트가 낮은 전류에서 수행되었으나, 이 결과가 임상적으로 유의미한 빔 전류로 생산을 확장하기 위한 견고한 실험적 근거를 제공한다고 언급하였다.