基于激光等离子体加速的光核反应产生医用放射性同位素研究

Recently, Nature magazine reported that medical radioisotope shortage reached crisis level. It is crucial to take urge actions on novel pathways for the producion of medical isotopes. Photonuclear isotope transmutation is shown to be a very efficient and realistic way to provide various kinds of radioisotopes to be used for nuclear medicine, molecular imaging, molecular biology and for other basic and applied science. This project arms to generate photo-nuclear radioisotopes of medical interest by using laser-plasma-based Bremsstrahlung gamma source. Taking Molybdenum-100, Copper-65/Copper-63, Germanium-70, Gallium-69, and Titanium-48/Titanium-46 as transmuted targets, photonuclear reaction mechanism induced by laser accelerated electrons and the resulting physical processes on the production of radioisotopes will be investigated theoretically and experimentally. The theoretical study will be mainly performed on the development of Monte Carlo simulation program by considering photonuclear reaction algorithms and then on the underlying correlations between radioisotope activity and the main characteristics of intense laser-driven electron-Bremsstrahlung source, isotopic target geometry, and irradiation time. An optimal experimental scheme for the study of medical isotopes by using TW-class laser system will be proposed. The consequent experiments will be conducted at the 200 TW laser facility of Shanghai Jiaotong University, by which novel table-top pathways and its potential on the generation of radioisotopes of medical interest from laser-plasma accelerator will be explored. These studies are beneficial to the application of all-optical laser-based radiation source in nuclear medicine.

《自然》杂志近年来多次报道医同放射性同位素短缺危机，研究用于生产同位素的新途径迫在眉捷。光核同位素嬗变被视为一种非常有效和现实的途径来提供各种放射性同位素，用于核医学、分子影像学、分子生物学，以及其它基础科学和应用研究。本项目研究利用激光等离子体加速－轫致辐射源驱动光核反应产生医用感兴趣的同位素，选取钼、铜、锗、镓和钛靶为嬗变对象，针对激光加速电子诱发的光核反应机制及放射性同位素产生物理过程开展理论和实验研究。理论上扩展和开发含光核反应程序模块的蒙特卡罗模拟程序，研究并阐明同位素活度与激光加速电子－轫致辐射源参数、同位素靶几何、辐照时间等关键物理量的内在关联，提出利用太瓦激光装置开展医用同位素研究的优化实验方案，实验上将在上海交通大学的200太瓦激光装置上开展上述实验，探究基于激光等离子体加速的放射性同位素“桌面”产生新途径和潜力，以及拓展全光学的激光辐射源在核医学等领域的前沿应用。

《自然》杂志近年来多次报道医同放射性同位素短缺危机，研究用于生产同位素的新途径迫在眉捷。光核同位素嬗变被视为一种非常有效和现实的途径来提供各种放射性同位素，用于核医学、分子影像学、分子生物学，以及其它基础科学和应用研究。本项目结合理论分析、蒙卡模拟和实验研究，围绕激光伽马射线源产生及其光核应用开展了六个方面的研究工作，并取得明显进展。. (1) 针对极端强场条件下的非线性QED效应进行了开拓研究，提出多个增强超亮伽马辐射和高密正电子产生的新颖方案，阐明QED级联增长随激光强度的定标关系，以及观测强场QED效应诱导的奇次谐波产生。. (2) 开展~3000个稳定核素和丰质子核素的光致蜕变截面和反应率计算，发现不同光学势对p-核素的光致蜕变反应率的显著影响，探讨利用高通量伽马光源在伽莫夫能窗（在典型的温度T_{9}=2.5）开展p-核素的14个光致蜕变截面测量的可行性。. (3) 研发一套基于可靠截面数据的光核模拟程序，用于准确评估同位素及其子体活度，以及研发一套耦合多体蒙卡事件产生器的光核模拟程序，摆脱Geant4难以准确开展光核模拟研究的困境。. (4) 开展了激光康普顿光源、激光轫致辐射源、质子共振伽马源等强流X/伽马射线源驱动的光核反应机理研究，提出了基于激光加速器的医用同位素“台面”产生新方法，探讨了长寿命高放废物管理的高效嬗变方案。. (5) 提出利用光核激发产生医用感兴趣的同质异能素，结合当前伽马光源技术，探讨四种同质异能素^{103m}Rh，^{113m, 115m}In和^{176m}Lu产生的物理可行性，获得最佳的产生条件，以及梳理其在放射诊断和治疗领域的应用潜力。. (6) 利用绵阳聚变研究中心的星光III装置开展了光核医用同位素产生（皮秒激光脉冲辐照气－固混合靶方案）的实验研究，在线诊断活化靶产生的中子产额和能谱，离线测量医用同位素^{62, 64}Cu和^{68}Ga的退激能谱和半衰期，初步获得上述医用同位素的产量为10^6−10^7 per shot，与在线诊断的中子产额结果是一致的。. 本项目不仅阐明了基于激光等离子体加速的光核医用同位素产生新途径，而且拓展了激光伽马射线源在长寿命核废物嬗变研究领域的应用潜力。