激光驱动67Cu放射性同位素：医用同位素生产的新方式

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放射性同位素的医学应用

高功率激光科学的进步使我们能够通过激光与等离子体的相互作用来加速各种粒子，如光子、电子、离子和中子，有望在医院内实现紧凑型激光驱动的放射性同位素平台。

放射性同位素可以实现多种应用。辐射γ射线的放射性同位素，例如^99mTc（半衰期为6.02 h）和¹⁸F（半衰期为1.8 h)可以用于医学诊断扫描中的单光子发射计算机断层扫描(single-photon emission computed tomography, SPECT)和位置发射断层扫描(positron emission tomography, PET)；半衰期为几天的放射性同位素可以辐射β射线或α射线用于癌症治疗。

当患者服用包含这些放射性同位素的药物时，这些放射性同位素主要积累在肿瘤中，通过辐射β射线或者α射线能有效地杀死癌细胞。

大多数的医用放射性同位素都是使用核反应堆和加速器等大型设施产生的，虽然它们可以被运送到医院，但若想以灵活的方式诊断和治疗患者，医院在场生产医用放射性同位素是一个关键。目前，医院已经实现了使用小型质子加速器质子诱导的核反应，来产生用于PET正电子发射源¹⁸F。

在众多放射性同位素中，⁶⁷Cu的半衰期为2.58 d，通过辐射β射线可衰变为子核⁶⁷Zn，随后辐射出γ射线，是性能优异的医用放射性同位素的候选者之一。临床应用时，在患者体内施用包含⁶⁷Cu的放射性药物后，⁶⁷Cu辐射的β射线能有效地杀死癌细胞，其辐射的γ射线可以通过SPECT成像技术来识别肿瘤的位置。但是，⁶⁷Cu的生产方法与其他医用放射性同位素的生产方法有所不同，目前已经研究了多种新的生产方法，比如与离子加速器提供的质子和氘进行核反应，与电子加速器提供的高能伽马射线进行光分解核反应，以及与加速器提供的高能中子进行核反应。

激光驱动中子源生产⁶⁷Cu

日本大阪大学激光工程研究所(Institute of Laser Engineering, ILE)和量子科学技术研究所(National Institutes for Quantum Science and Technology, QST)的研究人员提出可以在医院内使用紧凑型激光系统获得的中子源（Laser-driven Neutron Sources, LDNS）来生产⁶⁷Cu，并在ILE使用用于快点火实验系统的拍瓦激光器（Laser for Fast Ignition Experiments, LFEX）进行了原理验证实验。目前为止，虽然LDNS已经在世界范围内发展起来，但它的大多数应用都基于0.025 eV左右的热能区域内的低能中子。该实验证实，LDNS产生的中子能量可以用于Zn同位素上的中子诱导反应生产⁶⁷Cu。

相关文章发表在High Power Laser Science and Engineering 2023年第2期，并被选为Editors' Pick（Takato Mori, Akifumi Yogo, Yasunobu Arikawa, Takehito Hayakawa, Seyed R. Mirfayzi, Zechen Lan, Tianyun Wei, Yuki Abe, Mitsuo Nakai, Kunioki Mima, Hiroaki Nishimura, Shinsuke Fujioka, Ryosuke Kodama. Feasibility study of laser-driven neutron sources for pharmaceutical applications[J]. High Power Laser Science and Engineering, 2023, 11(2): 02000e20）。

为了产生和加速离子，研究人员将LFEX提供的四个脉冲激光聚焦在厚度为5 μm的氘代碳箔制成的靶材上，激光脉冲强度约为1.5×10¹⁹ W/cm²、半峰全宽（Full Width at Half Maximum, FWHM）为1.5 ps。图1显示了安装在真空室内的靶的实验设置，激光轴和靶材的法向量之间的角度为42^◦。首先激光诱导产生等离子体，随后质子和氘离子通过“靶背法向鞘层加速（Target Normal Sheath Acceleration, TNSA）”从等离子体中加速，加速的质子和氘具有较宽能量范围，其最大能量分别可以达到30MeV和20MeV。将尺寸为φ10 mm×5 mm的Be靶安装在CD箔下方4mm处，用于与高能质子反应产生高能中子。此外，在Be块周围的不锈钢外壳中放置了一个体积为157 cm³的半圆柱形聚乙烯慢化剂。为了生产⁶⁷Cu，在Be靶的后面放置了一个尺寸为φ10 mm×5 mm的天然Zn靶，用来与中子反应产生包含⁶⁷Cu在内的不稳定同位素。激光发射11分钟后，将Zn靶从靶室移出并使用高能分辨率探测器对发射的γ射线进行测量。

图1 激光发射产生中子的实验装置

实验结果表明了，产生中子的最大能量约为17 MeV，并且中子的数量随着其能量的增加而减少，从1~17 MeV的能量范围内的中子产额可以达到8×10⁹中子/sr。最大能量高到足以诱导⁶⁷Zn(n,p)⁶⁷Cu和⁶⁸Zn(n,np)⁶⁷Cu的反应。此外，为了鉴定产生的放射性同位素和异构体的种类，可以通过分析异构体的β衰变或内部衰变后辐射的γ射线的方式，个别情况下，分析γ射线的衰变曲线也是可行的。在本实验中，根据能谱和衰变曲线，鉴定出⁶³Zn、⁶⁵Zn、⁶⁹Zn^m、⁷¹Zn^m、⁶⁴Cu、⁶⁶Cu、⁶⁷Cu、⁶⁸Cu^m和⁶⁵Ni。

总结与展望

本研究揭示了使用LDNS生产⁶⁷Cu的可行性，仅使用单次激光发射获得的⁶⁷Cu的原子数为（3.3±0.5）×10⁵，对应于1.0±0.2 Bq的放射性。此外，通过PHITS蒙特卡罗模拟代码计算了⁶⁷Cu的预期放射性。结果表明，在频率为10 Hz、时间为10000 s的条件下，采用优化后的靶系统的高功率激光器可以产生270 MBq的⁶⁷Cu。这一结果证实了在医院内使用LDNS生产医用放射性同位素的可行性，但是若想要可靠的评估还需要进一步研究。

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编辑 | 周琦雅

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