KR101940292B1

KR101940292B1 - 핵공명형광을 이용한 Tc-99m의 제조방법

Info

Publication number: KR101940292B1
Application number: KR1020170119251A
Authority: KR
Inventors: 김용희; 이지영; 장성동; 레흐만 하십; 이은기; 김영애; 정지은
Original assignee: 한국수력원자력 주식회사
Priority date: 2017-09-18
Filing date: 2017-09-18
Publication date: 2019-01-18
Also published as: US20200234837A1; US11763955B2; WO2019054539A1

Abstract

본 발명은 핵공명형광을 이용하여 Tc-99m을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 바닥 상태에 있는 Tc-99 원자핵에 광자를 조사하여 핵공명형광 반응에 의해 원자핵이 높은 에너지로 여기되어 천이된 핵변환 방식에 의해 생성된 Tc-99m의 제조방법이다.

Description

핵공명형광을 이용한 Tc-99m의 제조방법{Photoproduction of Tc-99m Using the Nuclear Resonance Fluorescence Reaction}

본 발명은 핵공명형광을 이용하여 Tc-99m을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.

Tc-99는 중요한 방사성 동위원소로서 그 상태에 따라서 인간에게 유익할 수 있으며, 또한 유해할 수 있다. 바닥 상태의 99Tc는 핵반응로에서 생성되고 전체 사용후연료 물질 중의 약 0.1%를 차지하며, 특히 99Tc의 반감기는 211,000년으로 매우 길고 고준위의 독성을 갖고 있어서 그 처분에 많은 어려움이 있다.

Tc-99m(테크네튬-99m)은 142.6 keV의 감마선을 방출하며, 6시간의 비교적 짧은 반감기를 지니고 있기 때문에 일반적으로 심장병, 암 그리고 뇌졸중 등의 핵의학 진단에 널리 사용된다. Tc-99m을 인체에 주입한 후, 활동한 영역의 경로를 감마선을 통해 영상 의학적으로 분석을 할 수 있어서 손쉽게 질병을 진단할 수 있음과 동시에 환자의 피폭이 적은 장점이 있기 때문에 Tc-99m의 수요는 매년 증가하는 추세이다. 하지만, Tc-99m은 반감기가 짧고 인공적으로 만들어지는 동위원소이기 때문에 생산이 어려워 그 수요를 충족시키지 못하고 있다.

Tc-99m의 생성은 대표적으로 직접생산과 간접생산으로 나뉜다.

직접생산은 주로 원자로내부에서 Mo-98(몰리브덴-98)에 중성자를 조사하여 Mo-99(몰리브덴-99)를 만든 후, 붕괴되는 과정에서 나오는 Tc-99m을 생산하는 방법이다. 혹은 Mo-100(몰리브덴-100)에 양성자를 조사하여 ¹⁰⁰Mo(p,2n)^99mTc 반응을 통해 Tc-99m을 생산하는 방법도 있다. 이 방법은 반감기가 짧다(생산 후 바로 사용해야함)는 Tc-99m의 특성상 생산시설부터 의료 현장까지의 운송비용이 가장 큰 문제이며, 생산 효율이 낮다는 단점이 있다.

간접생산은 주로 원자로 내부 핵분열 반응으로부터 생산된 Mo-99를 분리 정제하여 사용하는 방식이다. Tc-99m의 모핵종인 Mo-99는 2.7489일의 비교적 긴 반감기를 지니고 있어 의료 현장까지의 운송이 비교적 용이하다. Mo-99 형태로 의료 현장까지 운송이 완료되면, 현장에서 β붕괴를 통해 Tc-99m을 생산할 수 있다. 간접생산 방식은 직접생산 방식보다 운송면에서 장점이 있지만 연구로 등에서 Mo-99를 생산, 정제해야 하므로 효율이 높지 않아 Tc-99m 수요를 충족시킬 만큼 대단위 생산은 어렵다.

공개특허공보 제10-2014-0050597호(공개일자: 2014.04.29.)

본 발명은 Tc-99m의 새로운 제조방법에 관한 것으로서, 핵폐기물인 Tc-99을 활용하여 Tc-99m을 제조하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 Tc-99m의 제조방법은 바닥 상태에 있는 Tc-99 원자핵에 광자 빔을 조사하여 핵공명형광 반응에 의해 원자핵이 높은 에너지로 여기되어 천이된 핵변환 방식에 의해 생성됨을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 광자 빔은 레이저 콤프턴 산란에 의해 생성된 감마선인 것을 특징으로 하며, 보다 바람직하게는, 상기 감마선의 에너지는 142 keV 이상인 Tc-99 원자핵의 에너지 준위 중에서 어느 하나이며, 더욱 바람직하게는, 상기 Tc-99 원자핵의 에너지 준위 중에서 서로 다른 두 개 에너지를 갖는 감마선을 중복 조사한다.

본 발명에 따른 Tc-99m의 제조방법은 바닥 상태에 있는 Tc-99 원자핵에 광자 빔을 조사하여 핵공명형광 반응에 의해 원자핵이 높은 에너지로 여기되어 천이된 핵변환 방식에 의해 제조가 이루어짐으로써, 반감기가 길고 고준위의 방사능을 갖는 ⁹⁹Tc를 이용하여 ^99mTc의 제조가 가능한 효과가 있다.

도 1은 NRF 반응을 개략적으로 보여주는 도면,
도 2는 Tc-99m을 생성 가능하게 하는 여기 에너지 레벨들에서의 NRF 단면적과 BR_total을 보여주는 그래프,
도 3은 LCS 현상을 개념적으로 보여주는 도면,
도 4는 ERL 시스템을 이용한 LCS 감마선 설비를 보여주는 구성도,
도 5는 LCS 스펙트럼과 99Tc NRF 단면적을 보여주는 그래프,
도 6 및 도 7은 Tc-99 원자핵의 각 에너지 준위에서의 데이터를 보여주는 도표,
도 8은 특정 에너지(1.207 keV)에 의해 여기된 Tc-99 원자핵이 Tc-99m 원자핵으로 천이과정을 예시하여 보여주는 도면.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은 Tc-99m의 새로운 제조방법에 해당되며, 레이저 콤프턴 산란(LCS, Laser Compton Scattering)에 의해 발생된 광자 빔을 Tc-99에 조사하여 핵공명형광(NRF, Nuclear Resonance fluorescence) 반응을 일으켜 Tc-99m을 제조하는 것을 특징으로 한다.

즉 바닥 상태에 있는 Tc-99 원자핵에 특정 에너지의 LCS 광자빔을 조사하면 핵공명형광 반응에 의해 원자핵이 높은 에너지로 여기되고 이후 Tc-99m 원자핵으로 천이가 이루어지는 핵변환 방식에 의한 Tc-99m의 제조방법이다.

Tc-99는 β붕괴를 하는 방사성 동위원소로 반감기가 21만 1100년이다. 자연계에서는 우라늄의 자발 핵분열로 인해 미량 존재하지만, 인공적으로는 핵분열 생성물로 매년 높은 비율로 생성되고 있다. LCS를 이용한 NRF 핵변환 방식으로 Tc-99m을 생산할 경우 이미 인공적으로 풍부하게 생산되어 있는 Tc-99로부터 직접적으로 생산이 가능하다. Tc-99 원소가 안정적이기 때문에 이송에 문제가 없고, Tc-99m 생산시설이 간단하기 때문에 운송 및 활용문제가 해결되어 저비용의 Tc-99m을 공급할 수 있다.

NRF(Nuclear Resonance Fluorescence) 의 광여기(Photoexcitation)

NRF 반응은 핵 흡수와 그에 따른 고에너지 광자의 방출의 결과로서, 도 1은 NRF 반응을 개략적으로 보여주는 도면이며, E₀, E_γ는 각각 핵의 바닥 상태와 여기 상태의 에너지를 나타낸다. 99Tc 핵의 바닥 상태는 대략 E_γ의 에너지를 갖는 광자에 의해 여기될 수 있으며, 이러한 여기 상태는 매우 짧은 시간(~ femto-seconds) 동안 지속되고 광자를 방출하여 다시 바닥 상태로 붕괴한다.

NRF 단면적은 Breit-Wigner 공식을 따르며, 다음의 [수학식 1]과 같다.

[수학식 1]

위 식에서 J는 여기 상태의 스핀이며, J₀는 바닥 상태의 스핀이며, Γ는 여기 에너지 레벨에서 감쇠폭 모두의 전체 감쇠폭이며, Γ₀는 여기 상태에서 바닥 상태의 부분 감쇠폭이며, E는 입사 감마 에너지이며, E_γ은 여기 상태의 에너지 레벨이다. ⁹⁹Tc에 대한 데이터는 ENSDF에 기초하였으며, NRF 단면적은 PHITS(Particle and Heavy Ion Transport code System)에 의해 계산이 이루어졌다.

도 2는 Tc-99m을 생성 가능하게 하는 여기 에너지 레벨들에서의 NRF 단면적과 BR_total을 보여주는 그래프이다. BR_total은 여기 에너지 레벨에서 Tc-99m로의 분기비율(branching ratio)을 의미하며, ENSDF 파일에서 이성질핵 천이 붕괴(isomer transition decay)로부터 추론된 각 레벨에 대한 광자 분기비에 대한 정보가 누락된 경우에는 비록 그 레벨에서 ^99mTc로의 분기비를 갖더라도 BR_total은 계산될 수 없다. 만약 ENSDF 파일이 각 여기 에너지들에 대한 바닥 상태의 천이 경로를 갖고 있지 않은 경우에는 몇몇 단면적은 오류가 발생될 수 있다. 도 2에서는 상술한 케이스들의 경우에 대한 BR_total 또는 단면적은 표시되어 있지 않다.

이성질핵 상태의 NRF 단면적은 대략 10^-13 b로 매우 작아서 도 2에서는 표시되어 있지 않으며, 따라서 Tc-99의 바닥 상태에서 Tc-99m의 에너지 레벨로의 직접 여기(direct excitation)는 불가능하고 다른 에너지 레벨을 이용한 간접 여기(indirect excitation)가 고려되어야 한다. 또한 NRF 단면적 피크는 뾰족(sharp)하고 폭이 좁다(narrow)는 것을 이해하는 것이 중요하며, 반치폭(full width at half maximum: FWHM)은 대략 2-3 eV의 에너지에서 발생된다. 단면적은 천이 강도(transition strength)와 비례하며, 따라서 정확한 측정은 필수이다. 현재의 단면적 예측 값의 불확정성은 매우 높게 고려되고 있다는 것을 알아야 되며, 예를 들어, 실제의 단면적은 계측된 값의 1/100과 100배 사이의 값일 수 있다.

LCS 감마선(Laser Comption Scattering Gamma-rays)

광핵 여기(photonuclear excitation)은 레이저 콤프턴 산란(LCS, Laser Compton Scattering) 상호작용으로부터 발생된 높은 휘도를 갖는 감마선을 이용하여 발생될 수 있다. LCS 현상은 낮은 에너지의 레이저 광자와 고에너지의 전자 사이의 탄성 산란에 의해 광자의 에너지가 증가(즉, 파장이 짧아짐)하는 것을 말하며, 대략적으로 도 3과 같이 도시될 수 있다.

LCS 감사선은 에너지의 조정이 가능하며(energy-tunable), 준단색광(quasi-monochromatic light)이고 빔과 같은 특성을 갖고 있기 때문에 광핵 여기에 사용될 수 있다. LCS 감마선의 강도(intensity)는 효율성과 높은 핵 여기 비율을 위하여 충분히 강해야 한다.

본 실시예에서는 에너지 회수 선형 가속기(energy-recovery LINAC)(ERL)을 이용한 LCS 설비가 감마선 소스로 사용되었다. 최근 T. Hayakawa 등은 350 MeV ERL 시스템을 활용한 고플럭스 LCS 감마선 설비를 설계하였으며, 이 설비는 초당 10¹³의 감사선 강도를 발생시키는 것으로 보고되었다.

도 4는 Hayakawa의 ERL 시스템을 이용한 LCS 감마선 설비를 보여주는 구성도로서, 비용 절감과 소형화를 위하여 3개의 루프 디자인을 채택하고 있다. 인젝터에서 방출된 전자빔은 초전도 LINAC에 의해 가속이 이루어지며, 3회 재순환 루프 후에 전자빔은 LINAC에 감속 위상으로 재 주입되고 전자 에너지는 초전도 LINAC의 고주파 캐비티로 피드백된다. LCS 감마선은 최종적으로 루프 끝단에서 전자와 레이저 광자의 충돌에 의해 발생된다. 다음의 [표 1]은 주요 디자인 파라미터를 보여주고 있다.

디자인 파라미터	값
전자 에너지	350 MeV
레이저 파장	1064 nm
전자빔 전류	100 mA
평균 레이저 출력	∼100 W
전자 다발 전하	1 nC
펄스 에너지	1.80 μJ
증폭비 (laser super cavity)	3000

^99m TC의 광생성

광핵 반응비(Nreac)는 NRF 단면적과 LCS 스펙트럼을 사용하여 계산할 수 있으며, 다음의 [수학식 2]와 같다.

[수학식 2]

n_target은 타겟 물질의 단위 입방 센티미터당 원자의 숫자이며, d는 타겟 물질의 두께이며, σ_NRF는 NRF-기초한 공명 단면적이며, E_l과 E_h은 각각 LCS 감마선 광자 스펙트럼의 가장 낮은 에너지와 가장 높은 에너지이다. Σ_NRF는 마크로스코픽 NRF 단면적으로서 σ_NRF와 Nn_target의 곱이며, dN_γ/dE_γ는 다음의 [수학식 3]으로부터 계산된 스펙트럼 밀도이다.

[수학식 3]

dN_γ는 #/초 단위의 설비의 총 감마선 강도이며, σ_t는 mb 단위의 전체 콤프턴 산란 단면적이며, dσ/dE_γ는 mb/MeV 단위의 미분 콤프턴 산란 단면적이며, E₀는 MeV 단위의 중심 전자빔 에너지이며, δ_E는 중심 전자빔 에너지 값의 분산을 나타낸다.

[수학식 2]에서 타겟 영역에서의 감마선 감쇠가 고려되었으며, 이는 일부 σ_NRF는 너무 커서 감사선 감쇠에 큰 영향을 미친다. 스펙트럼 밀도는 E_l과 E_h사이의 에너지 범위에서 10 eV 보다 작기 때문에 일정(constant)한 것으로 가정한다.

도 4에 도시된 ERL 설비에서 설계된 전자 에너지는 350 MeV 이나, 요구되는 LCS 광자 에너지가 감소됨에 따라서 전자 에너지는 350 MeV에서 315 MeV로 감소된다. 최대 LCS 에너지는 1.77 MeV로 조정되며, 이는 이 에너지 이상에서 NRF 단면적은 매우 작고 많은 정보가 누락되었기 때문이다. 해당 LCS 광자의 강도는 2.1ㅧ10¹³ γ/s이며, 이러한 강도의 LCS 감마선을 사용함으로써 LCS 광자의 스펙트럼은 도 5에 도시된 것과 같이 최적화되었다. 광핵 반응비은 6.64ㅧ10¹⁰ /sec로 계산되었다.

상술한 반응비에 따른 핵 활성도(activity)는 [수학식 4]에 의해 계산된다.

[수학식 4]

N_reac는 반응비이며, T1/2는 생성 동위원소인 ^99mTc의 반감기로서 6시간이며, t는 조사 시간(irradiation time)이다.

[표 2]는 다양한 조사 시간에 대한 ^99mTc의 핵 활성도를 보여주고 있다. ^99mTc의 영년 평형 상태(secular equilibrium state)에 도달하기 위한 시간은 30 시간이다. [표 2]는 0.5, 1, 3, 6, 12 및 30 시간 동안의 조사에서 생성된 ^99mTc 활성도를 보여주고 있다.

조사 시간(hr)	0.5	1	3	6	12	30
핵 활성도(mCi)	0.2	0.3	0.9	1.5	2.3	2.9

도 6 및 도 7은 Tc-99 원자핵의 각 에너지 준위에서의 천이와 관련된 데이터를 보여주는 도표로서, Tc-99의 원자핵은 다양한 에너지 준위를 갖는다. 도 6 및 도 7에서

은 Tc-99의 양자화된 에너지 준위를 나타내며, Cross-section은 Tc-99 원자핵의 기저상태로부터

에 도달하는 NRF 반응의 핵반응 단면적을 나타낸다.

은 핵이성체 천이의 분기 비율을 나타낸 것이며, Final Level은 여기된 원자핵이 천이되는 에너지 준위를 나타낸다. BR(Branching ratio)은

로부터 Final Level에 이르는 분기 비율을 나타내며, 'BR to 143keV'는 Tc-99 원자핵이 최종적으로 Tc-99m으로 되는 분기 비율을 나타낸다. Total BR은

의 Tc-99 원자핵이 최종적으로 Tc-99m으로 되는 분기 비율로서 그

에서의 모든 'BR to 143keV'의 합과 같다. 'final level'이 Tc-99m에 도달하는 분기비율을 갖지 않는 경우, 즉 'BR to 143keV'의 값이 0일 때, BR 칸은 공란으로 하였으며, 또한 ENSDF 파일에

정보가 없어서 BR이 계산될 수 없는 경우에도 그 값을 공란으로 하였다.

도 8은 특정 에너지(1.207 keV)에 의해 여기된 Tc-99 원자핵이 Tc-99m 원자핵으로 천이과정을 예시하여 보여주는 도면으로서, 1,207 keV로 여기된 Tc-99 원자핵이 Tc-99m으로 천이될 때의 원자핵의 스핀에 다른 에너지 준위를 보여준다. 좌측은 스핀 값으로서 총 각운동량을 나타내며, 우측은 양자화된 에너지 준위를 나타낸다. Tc-99의 원자핵은 1,207 keV로 여기된 후에 884 keV, 671 keV의 두 가지 방향으로 각각 29.6%와 26.8%의 확률로서 천이한다. 884 keV의 에너지 준위에서 Tc-99은 57.3%의 확률로 Tc-99m로 천이되며, 671 keV의 에너지 준위의 경우 59.9%의 확률로 Tc-99m으로 천이된다.

따라서 Tc-99 원자핵은 1,207 keV로 여기된 후 총 33% 확률로 Tc-99m으로 천이된다. 즉, Tc-99 원자핵에 1,207 keV의 LCS 광자 빔을 조사하면 여기된 원자핵에 대해 33% 확률로 Tc-99m을 생산할 수 있다. 이러한 효율은 현재 방법론 대비 매우 높은 효율에 해당한다. 동일한 표적에 다양한 LCS 광자 빔 즉, 1,176 keV, 1,207 keV, 1,329 keV 그리고 1,604 keV을 중복 조사하여 그 효율을 더 높일 수 있다.

이와 같이 본 발명은 핵공명형광을 기반으로 하여 ⁹⁹Tc를 재활용하여 의료용의 동위원소 ^99mTc를 제조할 수 있으며, 또한 반감기가 긴 방사성 동위원소인 ⁹⁹Tc를 재활용하여 핵폐기물의 처분 문제를 해결할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경을 할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

Claims

바닥 상태에 있는 Tc-99 원자핵에 광자 빔을 조사하여 핵공명형광 반응에 의해 원자핵이 높은 에너지로 여기되어 천이된 핵변환 방식에 의해 생성된 Tc-99m의 제조방법.
제1항에 있어서, 상기 광자 빔는 레이저 콤프턴 산란에 의해 생성된 감마선인 것을 특징으로 하는 Tc-99m의 제조방법.
제2항에 있어서, 상기 감마선의 에너지는 142 keV 이상인 Tc-99 원자핵의 에너지 준위 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 Tc-99m의 제조방법.
제3항에 있어서, 상기 Tc-99 원자핵의 에너지 준위 중에서 서로 다른 두 개 에너지를 갖는 감마선을 중복 조사하는 것을 특징으로 하는 Tc-99m의 제조방법.