ИОФ РАН и "Гиредмет" разработали промышленную технологию выращивания сцинтилляционного кристалла Ce:Me:Lu2SiO5 для медицинских позитрон эмиссионных томографов c время пролетной технологией (TOF PET)
Институт общей физики им А.М. Прохорова Российской академии наук и Акционерное общество “Государственный научно-исследовательский и проектный институт редкометаллической промышленности «Гиредмет»” (Госкорпорация «Росатом») в соответствии с договором о научно-техническом сотрудничестве № 03/19 от 24 мая 2019 г. провели работу по созданию технологии промышленного производства монокристаллов редкоземельных оксиортосиликатов, необходимых для развития в Российской Федерации нового поколения медицинских томографов, ПЭТ, и различных технических систем на основе высокоэффективных сцинтилляционных мультилегированных кристаллов Ce:Me:Lu2SiO5.
В медицине для обследования пациентов применяются несколько типов методов томографии, использующих различные физические принципы для определения патологий и заболеваний внутренних органов человека. Наиболее часто применяют магнито-резонансные томографы (МРТ) и томографы, использующие рентгеновское излучение (КТ). Третий тип медицинских томографов — это позитронно-эмиссионные томографы (ПЭТ). ПЭТ метод основан на регистрации гамма-квантов, образующихся в результате аннигиляции позитрона и электрона. Позитрон образуется в результате распада коротко живущих изотопов, специально вводимых в организм человека. Даже на ранней стадии заболевания нормальные клетки легко отличить от раковых клеток, в которых идут значительно быстрее процессы метаболизма, а, следовательно, образование гамма-квантов более активно происходит в раковых клетках. Таким образом, ПЭТ позволяет визуализировать и изучать разнообразные метаболические функции в организме на клеточном уровне, в отличие от МРТ и КТ технологий, которые определяют заболевания посредством выявления структурных или анатомических изменений в организме. При этом чувствительность детектора, обеспечиваемая эффективностью сцинтилляционных кристаллов, определяет минимальную дозу облучения, получаемую пациентом при обследовании и, следовательно, чем более эффективный сцинтилляционный датчик будет использован в ПЭТ-сканере, тем более безопасной для пациента будет вся процедура.
Поиск перспективных составов на основе стехиометрической композиции редкоземельного оксиортосиликата, Lu2SiO5, и разработка технологии выращивания высокотемпературных монокристаллов диаметром 20 – 40 мм (температура плавления более 21000С) осуществлялись в ИОФ РАН в лаборатории «Физика роста кристаллов» - зав. лаб. к.т.н. Загуменный А.И., старшие научные сотрудники к.т.н. Кутовой С.А. и к.ф.-м.н. Заварцев Ю.Д., эксперименты проводились на промышленной установке «Кристалл-3М» (Рисунок 1). В семействе редкоземельных оксиортосиликатов были найдены новые сцинтилляционные материалы, на которые были получены следующие патенты: Патент Российской Федерации RU2157552 (12.01.1998), патенты США US 6278832Bl (1999) и US 7132060B2 (2005).
Рисунок 1 – Экспериментальные кристаллы Ce:Me:Lu2SiO5, выращенные в ИОФ РАН в модернизированной установке «Кристалл-3М» в 2018 году. (Публикуется с разрешения авторов – Заварцева Ю.Д. и Загуменного А.И.)
Для отработки промышленной технологии получения крупных монокристаллов Lu2SiO5 диаметром 65-100 мм АО «Гиредмет» ввёл в эксплуатацию новую промышленную установку для, разработанную с учётом многолетнего опыта сотрудников ИОФАН по выращиванию кристаллов оксиортосиликатов методом Чохральского.
Под руководством и при непосредственном участии в технологическом процессе учёных из ИОФАН, в первом же ростовом процессе выращен кристалл Ce:Me:Lu2SiO5 диаметром 75 – 76 мм, весом около 5 кг (Рисунок 2). С использованием технологии отработанной в ИОФ РАН, АО «Гиредмет», минуя стадии НИР и ОКР, становится единственным в Российской Федерации предприятием, обладающим промышленной технологией сцинтилляционных кристаллов оксиортосиликата лютеция, легированных церием. Достигнут рекордный коэффициент использования расплава для синтеза оксидных кристаллов методом Чохральского, более – 70% (обычно не более 40%).
Рисунок 2 – Промышленный кристалл Ce:Me:Lu2SiO5 диаметром 75 мм и весом 5 кг. Ионы церия люминесцируют синим светом в области 420-430 нм при возбуждении ультрафиолетовом светом, а луч зелёного лазера (532 нм) показывает высокое оптическое качество в объёме кристаллической були. (Публикуется с разрешения авторов – Заварцева Ю.Д. и Загуменного А.И., фото от 12.08.2021)
Организация в Российской Федерации промышленного производства сцинтилляционных кристаллов на основе Me:Lu2SiO5 является важным этапом в создании нового поколения медицинских позитрон эмиссионного томографа c максимально эффективной время пролётной технологией (TOF PET). Новое поколение Time Of Flight Positron Emission Tomography (TOF-PET) - это томограф, в котором измеряется разница во времени полёта двух гамма квантов от места их образования до двух детекторов, расположенных в противоположных точках внутри кольца томографа. Например, компания Siemens в новейшем томографе Biograph Vision на основе время пролётной технологии TOF-PET использует детектор томографа, состоящий из 28336 кристаллических элементов Ce:Lu2SiO5 размером 3.2x3.2x20 мм3. Сцинтилляционные параметры кристаллов Ce:Me:Lu2SiO5 позволят превзойти параметры томографов на основе Ce:Lu2SiO5 и, таким образом, уменьшить дозовую нагрузку, получаемую пациентом при обследовании.
И.о. руководителя НЦЛМТ ИОФ РАН
доктор физико-математических наук В.Б. Цветков