The 176Yb(n,γ) reaction cross-section measurement at n_TOF - CERN and its application for studying the production of 177Lu in accelerator-based neutron source facilities as IFMIF-DONES

Abstract

The field of nuclear medicine encompasses all medical applications of open radioactive sources emitting ionizing radiation, which are introduced into the patient for diagnostics or therapy. Annually, over 30 million nuclear medicine procedures are conducted worldwide, highlighting the significant role this field plays in modern healthcare. These procedures encompass a wide range of diagnostic examinations aimed at detecting, localizing, or staging the progression of various illnesses. From identifying tumors and assessing organ function to monitoring treatment responses, nuclear medicine provides crucial parameters for informing treatment options and improving patient outcomes. In addition to diagnostics, therapeutic procedures in nuclear medicine utilize radionuclides capable of selectively targeting specific sites within the body for treatment. These therapeutic interventions, whether systemic or localized, offer a highly targeted approach to treating diseases such as cancer, hyperthyroidism, and neuroendocrine disorders. Nuclear medicine therapies aim to destroy or impair diseased cells while sparing surrounding healthy tissues, minimizing side effects and optimizing treatment efficacy. Over the past few decades, the field of nuclear medicine has witnessed remarkable advancements, with the discovery of more than 3000 radioactive isotopes at nuclear physics facilities worldwide. This wealth of isotopes offers a diverse array of options for medical applications, driving innovation and expanding the therapeutic capabilities of nuclear medicine. Given the increasing demand for nuclear medicine services and the evolving landscape of medical isotopes, various international agencies and committees advocate for the study and development of new routes for producing radioisotopes used in nuclear medicine applications. The availability of high-intensity accelerators and modern facilities further facilitates the exploration and development of conventional, emergent, and novel radioisotopes. Notably, CERN’s MEDICIS facility stands as an exemplary model in this regard, pioneering efforts to produce innovative medical isotopes for clinical applications and research endeavors alike. Currently, 177Lu is emerging as a versatile radioisotope utilized for both therapy and diagnosis (theranostics) of cancer, demonstrating significant success, particularly in neuroendocrine tumors. Its unique characteristics, such as its relatively long half-life and suitable beta emissions, make it well-suited for targeted radionuclide therapy. Ongoing studies continue to explore its application across a broader spectrum of tumors, showing promising results in various cancer types. Traditionally, 177Lu is produced in nuclear reactors via two main routes: the direct route 176Lu(n,γ)177Lu and the indirect route 176Yb(n,γ)177Yb→177Lu. While both methods have been successful in generating 177Lu, the indirect route offers certain advantages, particularly in terms of achieved specific activity and lower production of the undesirable 177mLu isomer. As a result, there is growing interest in exploring the production of 177Lu in accelerator- based neutron facilities, which can provide high-intensity neutron fluxes necessary for efficient production. In this study, our focus is on exploring the production of 177Lu at IFMIF-DONES, given its potential as a suitable candidate for accelerator-based neutron facilities. IFMIF-DONES (International Fusion Materials Irradiation Facility - Demonstration Neutron Source) is a highintensity neutron irradiation facility designed to qualify fusion reactor materials. Within its complementary scientific program, the production of radioisotopes for medical applications, including 177Lu, is one of the focal points. With a dedicated line for radioisotope production and the expected high neutron flux, IFMIF-DONES presents a promising opportunity for the efficient production of 177Lu, contributing to the advancement of theranostic applications in nuclear medicine. However, experimental data on this reaction are scarce, with a notable absence of data spanning from thermal energies to the resolved resonance region. Additionally, resonances for this reaction have not been resolved to date, with only a transmission experiment having been conducted. To address this critical gap in knowledge, we propose an experiment at the n_TOF facility in EAR1 to provide data for the first time in the resolved resonance region and resolve the important resonances anticipated in the 176Yb(n,γ) cross-section. The experiment, conducted at the end of the 2021 campaign, utilized an enriched 176Yb2O3 powder sample provided by R. Henkelmann and U. Koester. By employing C6D6 total energy detectors in conjunction with the Pulse-HeightWeighting Technique (PHWT), we obtained capture yields with high accuracy, covering the entire energy range of interest. A total of 165 resonances were analyzed using the R-matrix formalism, with 94 of them being analyzed for the first time. The experimental results obtained in this study have been incorporated into the MCNP6.2 libraries to perform Monte Carlo simulations and assess 177Lu production at the IFMIFDONES facility. This integration of experimental data into simulation libraries enhances the accuracy and reliability of simulations, providing valuable insights into the feasibility and efficiency of 177Lu production in accelerator-based neutron facilities like IFMIF-DONES.

El campo de la medicina nuclear abarca todas las aplicaciones médicas de fuentes abiertas de radiactividad que emiten radiación ionizante, las cuales se introducen en el paciente con fines de diagnóstico o terapia. Anualmente, se realizan más de 30 millones de procedimientos de medicina nuclear en todo el mundo, destacando el papel significativo que desempeña este campo en la atención médica moderna. Estos procedimientos comprenden una amplia gama de exámenes diagnósticos destinados a detectar, localizar o determinar la progresión de diversas enfermedades. Desde la identificación de tumores y la evaluación de la función de los órganos hasta el monitoreo de respuestas al tratamiento, la medicina nuclear proporciona parámetros cruciales para informar sobre las opciones de tratamiento y mejorar los resultados para los pacientes. Además de los diagnósticos, los procedimientos terapéuticos en medicina nuclear utilizan radionúclidos capaces de dirigirse selectivamente a sitios específicos dentro del cuerpo para el tratamiento. Estas intervenciones terapéuticas, ya sean sistémicas o localizadas, ofrecen un enfoque altamente dirigido para tratar enfermedades como el cáncer, la hipertiroidismo y los trastornos neuroendocrinos. Las terapias de medicina nuclear tienen como objetivo destruir o dañar células enfermas mientras se preservan los tejidos sanos circundantes, minimizando los efectos secundarios y optimizando la eficacia del tratamiento. En las últimas décadas, el campo de la medicina nuclear ha presenciado avances notables, con el descubrimiento de más de 3000 isótopos radiactivos en instalaciones de física nuclear en todo el mundo. Esta gran cantidad de isótopos ofrece una amplia variedad de opciones para aplicaciones médicas, impulsando la innovación y expandiendo las capacidades terapéuticas de la medicina nuclear. Dada la creciente demanda de servicios de medicina nuclear y el panorama en constante evolución de los isótopos médicos, varias agencias y comités internacionales abogan por el estudio y desarrollo de nuevas rutas para la producción de radioisótopos utilizados en aplicaciones de medicina nuclear. La disponibilidad de aceleradores de alta intensidad y instalaciones modernas facilita aún más la exploración y desarrollo de radioisótopos convencionales, emergentes y novedosos. En este sentido, la instalación MEDICIS del CERN se destaca como un modelo ejemplar, pionero en esfuerzos para producir isótopos médicos innovadores para aplicaciones clínicas y de investigación por igual. Actualmente, el 177Lu está emergiendo como un radioisótopo versátil utilizado tanto para la terapia como para el diagnóstico (teranósticos) del cáncer, demostrando un éxito significativo, especialmente en tumores neuroendocrinos. Sus características únicas, como su relativamente larga vida media y sus emisiones beta adecuadas, lo hacen adecuado para la terapia con radionúclidos dirigidos. Estudios en curso continúan explorando su aplicación en una gama más amplia de tumores, mostrando resultados prometedores en varios tipos de cáncer. Tradicionalmente, el 177Lu se produce en reactores nucleares a través de dos rutas principales: la ruta directa 176Lu(n,γ)177Lu y la ruta indirecta 176Yb(n,γ)177Yb→177Lu. Si bien ambos métodos han tenido éxito en la generación de 177Lu, la ruta indirecta ofrece ciertas ventajas, especialmente en términos de actividad específica lograda y menor producción del indeseable isómero 177mLu. Como resultado, hay un creciente interés en explorar la producción de 177Lu en instalaciones de neutrones basadas en aceleradores, que pueden proporcionar flujos de neutrones de alta intensidad necesarios para una producción eficiente. En este estudio, nuestro enfoque se centra en explorar la producción de 177Lu en IFMIFDONES, dada su potencial como un candidato adecuado para instalaciones de neutrones basadas en aceleradores. IFMIF-DONES (Facilidad Internacional de Irradiación de Materiales de Fusión - Fuente de Neutrones de Demostración) es una instalación de irradiación de neutrones de alta intensidad diseñada para calificar materiales de reactores de fusión. Dentro de su programa científico complementario, la producción de radioisótopos para aplicaciones médicas, incluido el 177Lu, es uno de los puntos focales. Con una línea dedicada para la producción de radioisótopos y el alto flujo de neutrones esperado, IFMIF-DONES presenta una oportunidad prometedora para la producción eficiente de 177Lu, contribuyendo al avance de las aplicaciones teranósticas en medicina nuclear. Sin embargo, los datos experimentales sobre esta reacción son escasos, con una notable ausencia de datos que abarcan desde energías térmicas hasta la anticipada región de resonancia resuelta. Además, las resonancias para esta reacción aún no se han resuelto, con solo un experimento de transmisión habiendo sido llevado a cabo. Para abordar esta brecha crítica en el conocimiento, proponemos un experimento en la instalación n_TOF en EAR1 para proporcionar datos por primera vez en la región de resonancia resuelta y resolver las resonancias importantes anticipadas en la sección transversal 176Yb(n,γ). El experimento, realizado al final de la campaña de 2021, utilizó una muestra de polvo de 176Yb2O3 enriquecido proporcionada por R. Henkelmann y U. Koester. Al emplear detectores de energía total C6D6 en conjunto con la Pulse-Height Weighting Technique(PHWT), obtuvimos rendimientos de captura con alta precisión, cubriendo todo el rango de energía de interés. Se analizaron un total de 165 resonancias utilizando R-matrix formalism, con 94 de ellas siendo analizadas por primera vez. Los resultados experimentales obtenidos en este estudio se han incorporado a las bibliotecas MCNP6.2 para realizar simulaciones de Monte Carlo y evaluar la producción de 177Lu en la instalación IFMIF-DONES. Esta integración de datos experimentales en las bibliotecas de simulación mejora la precisión y confiabilidad de las simulaciones, proporcionando información valiosa sobre la viabilidad y eficiencia de la producción de 177Lu en instalaciones de neutrones basadas en aceleradores como IFMIF-DONES.