对多种放射性同位素的生产途径进行研究及其激发函数的分析，这对正电子发射断层扫描（PET）技术具有重要意义

《Journal of Taibah University for Science》：Investigation of production routes for various radioisotopes and their excitation function studies significant to PET technology

基于统计模型代码EMPIRE-3.2评估了生产正电子发射断层扫描（PET）常用放射性同位素（11C、13N、15O、18F）及金属同位素（64Cu）的激发函数，系统研究了光学模型势、预平衡发射和核级密度对反应截面的影响，并与实验数据及TENDL数据库结果进行对比，揭示了宽能区（2-30MeV）内可靠的生产路线。

　　核反应在现代医学和工业应用中扮演着至关重要的角色，特别是在核医学领域。放射性同位素被广泛用于诊断和治疗，如正电子发射断层扫描（PET）和单光子发射计算机断层扫描（SPECT）等技术。这些技术依赖于特定的放射性同位素，它们在人体内能够发出可检测的辐射信号，从而帮助医生观察体内生理和代谢过程的变化。本文研究了多种放射性同位素的生产路线，包括非金属正电子发射体如11C、13N、1?O和1?F，以及金属同位素如??Cu。通过使用统计模型代码EMPIRE-3.2，研究者对这些同位素的激发函数进行了评估，同时与实验数据和TENDL数据库中的结果进行了比较。这一研究为这些同位素的生产路线提供了重要的理论依据，特别是在缺乏实验数据的能区。

在核医学中，放射性同位素的选择至关重要。这些同位素不仅需要具有合适的半衰期，还要能够安全有效地用于诊断和治疗。例如，11C、13N、1?O和1?F是PET中常用的同位素，它们的半衰期较短，但能够在体内产生高能的正电子，这些正电子在衰变过程中与电子相互作用，产生伽马射线，可以被PET设备捕捉并转化为图像。1?F因其较长的半衰期（约110分钟）和高产量，被广泛用于诊断和治疗，特别是在肿瘤成像和治疗方面。??Cu则因其在PET成像和靶向放射治疗中的应用而受到关注，其半衰期约为12小时，适合用于需要一定时间的诊断和治疗过程。这些同位素的生产需要精确的核反应模型，以确保其在医疗应用中的安全性和有效性。

为了准确预测这些同位素的生产概率和产量，研究者使用了多种理论模型和计算工具。其中，EMPIRE-3.2和TALYS是两种常用的核反应模型代码，它们能够模拟核反应过程，并计算反应截面。这些模型通过考虑核反应的多个方面，如预平衡发射、核能级密度和光学模型势能，来提高计算的准确性。在本研究中，EMPIRE-3.2被用于评估这些同位素的激发函数，而参数的选择则基于不同的模型，包括预平衡发射模型、光学模型势能参数以及核能级密度模型。通过比较这些计算结果与实验数据和TENDL数据库中的结果，研究者能够验证模型的有效性，并优化生产条件。

在核反应模型中，预平衡发射是核反应过程中的一个重要因素。当入射粒子与靶核发生碰撞时，粒子的发射可能发生在系统尚未达到热平衡之前。这种现象被称为预平衡发射或预化合物反应。预平衡发射模型能够模拟这种非平衡过程，从而更准确地预测反应截面。在本研究中，两种不同的预平衡发射模型被采用：一种是经典的激发子模型（PCROSS），另一种是基于多阶段核子碰撞的蒙特卡洛模拟方法。这两种方法能够提供不同的预测结果，帮助研究者更好地理解核反应过程。

核能级密度是另一个关键参数，它描述了在不同能量下，核反应过程中激发态的分布情况。不同的模型被用于计算核能级密度，包括费米气体模型（FGM）、广义超流模型（GSM）、增强型广义超流模型（EGSM）和哈特里-福克-博戈留波夫微观模型（HFBM）。这些模型能够提供不同的核能级密度计算结果，从而影响反应截面的预测。在本研究中，核能级密度模型的选择对结果的准确性具有重要影响，因此需要进行细致的参数调整和优化。

光学模型势能是核反应模型中的核心部分，它描述了入射粒子与靶核之间的相互作用。不同的光学模型势能参数被用于计算反应截面，这些参数包括实部和虚部的势能深度和半径。在本研究中，使用了不同的光学模型势能参数，如Menet和Bojowald模型，以提高计算的准确性。通过比较这些模型的计算结果与实验数据，研究者能够验证模型的有效性，并选择最适合的参数。

此外，研究还探讨了不同反应通道对同位素生产的影响。例如，11C的生产可以通过1?N(p,α)11C反应进行，而13N则通过1?O(p,α)13N反应产生。1?O可以通过1?N(d,n)1?O或1?N(p,n)1?O反应生产，其中前者更为常用。1?F的生产则涉及两种主要反应通道：1?O(p,n)1?F和2?Ne(d,α)1?F，其中前者更为常见。??Cu的生产可以通过2?Ne(d,α)1?F反应或??Ni(p,n)??Cu反应进行，而这些反应的优化对于提高生产效率和减少杂质至关重要。

研究结果表明，使用EMPIRE-3.2进行的计算与实验数据和TENDL数据库中的结果在大多数情况下保持一致。这表明模型能够有效地预测反应截面，并为优化生产路线提供可靠的理论支持。特别是在缺乏实验数据的能区，模型的计算结果能够填补这一空白，为未来的实验研究和实际应用提供指导。例如，11C的最优生产能区被确定为8-13.5 MeV，而1?O的最优生产能区则在6 MeV左右。这些结果对于选择合适的加速器能量和优化生产过程具有重要意义。

此外，研究还指出，对于某些同位素，如13N和1?O，实验数据的不一致性可能会影响模型的准确性。因此，研究者建议进行更精确的实验研究，以验证模型的预测结果。同时，对于1?F和??Cu等同位素，模型计算结果与实验数据和TENDL数据库中的结果高度一致，表明这些模型在预测反应截面方面具有较高的可靠性。

综上所述，本研究通过使用统计模型代码EMPIRE-3.2，对多种放射性同位素的生产路线进行了评估。研究结果不仅与实验数据和TENDL数据库中的结果保持一致，还为优化生产条件提供了理论依据。这些同位素在核医学中的应用广泛，因此，精确的反应截面计算对于提高诊断和治疗效果具有重要意义。未来的研究可以进一步探索这些模型在其他同位素和反应通道中的应用，以推动核医学技术的发展。