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
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Universidad de Granada
Director
Praena Rodríguez, Antonio JavierDepartamento
Universidad de Granada. Programa de Doctorado en Física y Ciencias del EspacioFecha
2025Fecha lectura
2024-11-29Referencia bibliográfica
García Infantes, Francisco. 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. Granada: Universidad de Granada, 2024. [ https://hdl.handle.net/10481/102500]
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Tesis Univ. Granada.Resumen
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.