4 курс / Лучевая диагностика / Физика_ядерной_медицины_Часть_1_Климанов_В_А_

акторы теплового типа. Типичный энергетический спектр такого реактора показан на рис. 8.1.

Рис. 8.1. Типичный энергетический спектр нейтронов реактора на тепловых нейтронах

Нейтроны обычно группируются в три категории: тепловые нейтроны (En < 0,4 эВ), эпитепловые нейтроны (0,4 эВ < En < 100 кэВ) и быстрые нейтроны (En >100 кэВ). Энергетический спектр тепловых нейтронов аппроксимируется распределением Максвелла с максимумом около энергии 0,025 эВ. Эти нейтроны наиболее эффективны (имеют максимальные сечения взаимодействия) для получения р/н. Используемая плотность потока таких нейтронов зависит от мощности реактора и расположения мишени и находится в диапазоне от 5·106 до 5·1015 нейтрон/(см2·с).

Большинство исследовательских реакторов на тепловых нейтронах имеют активную зону, погруженную в бассейн с водой или тяжелой водой, которая одновременно выполняет функции замедления нейтронов, охлаждения реактора и защиты от излучений.

291

Мишени для облучения обычно размещают в специальных каналах, проходящих через активную зону реактора.

Втабл. 8.1 приводится список р/н, важных для ЯМ, которые производятся на ядерных реакторах. Для этого применяются три типа ядерных реакций: реакция захвата нейтрона (n,γ); захват нейтрона с последующим радиоактивным распадом; деление. Наиболее широко используется реакция (n,γ) с тепловыми нейтронами в силу простоты реализации и высокого выхода продукта. Во многих случаях мишени делаются из такого же элемента (иногда природного материала), поэтому не требуется последующее химическое разделение мишени и продукта. Этот же момент является недостатком данной технологии, так как при невозможности химического отделения радиоактивного продукта стабильные атомы разбавляют радиоактивные. Такое разбавление приводит к уменьшению специфической (удельной) активности конечного продукта. Другой недостаток заключается в возможности образования радиоактивных примесей вследствие реакции (n,γ) на других изотопах элемента мишени или химических примесей в мишени. Применение изотопного обогащения мишени помогает минимизировать наличие радиоактивных примесей в продукте, однако существенно увеличивает его стоимость. Тем не менее такое обогащение применяется достаточно часто.

Внекоторых случаях возможно повышение удельной активности р/н, получаемых по (n,γ) реакции, используя процесс Сциларда

–Чалмерса [2]. Данный процесс основывается на том, что после поглощения нейтрона испускается γ-квант, который может вызвать отдачу ядра и последующее нарушение молекулярной связи. Это возбуждение в некоторых случаях переводит "горячий" атом в другое химическое состояние, отличное от атомов, не вступавших в реакцию. Таким образом, становится возможным химическое разделение.

292

Таблица 8.1.

Перечень наиболее важных для ЯМ радионуклидов, производимых на ядерных реакторах [1]

* – распад через захват электрона.

Другая ситуация возникает в результате (n,γ) реакции, когда представляет интерес распад промежуточного р/н в требуемый продукт. Такой процесс используется при получении р/н 125I с по-

293

мощью реакции 124Xe(n,γ)135Xe → 125I. Так как конечный продукт в этом случае может быть химически отделен от мишени, то становится достижимой удельная активность, соответствующая теоретическому значению для чистого р/н. Очевидно, что необходимо применять химически чистые мишени и реагенты, чтобы избежать попадания в продукт стабильных нуклидов. В примере с 125I это означает, что как мишень, так и реагенты не должны содержать стабильный иод. Желательно также использовать обогащенные мишени, чтобы минимизировать попадание в продукт долгоживущих р/н или стабильных нуклидов. Для примера, если 126Xe (относительное содержание 0,09 % в природном ксеноне) облучается вместе с 124Хе, то образуется 127Xe, который затем распадается в стабильный 127I. В этом случае, однако, так как мишень и продукт химически разделяются, то имеется возможность восстановления обогащенного мишенного материала для повторного использования.

В результате деления 235U образуются продукты деления с атомными номерами от 30 до 66, разделить которые и выделить интересующий р/н можно с помощью химических процедур. Наи-

более важными медицинскими р/н, получаемые с использованием реакции деления, являются 131I, 133Xe и 99Mo.

Ряд полезных р/н получают, применяя реакцию (n,p), идущую при облучении мишеней быстрыми нейтронами (например, 35S, 64Cu), или цепочку "непрямых" реакций. Например, при облучении нейтронами 6Li образуется 3H с достаточно высокой энергией, чтобы вызвать реакцию с соседним ядром 16O (в соединении Li2CO3), в результате которой образуется 18F.

3. Производство радионуклидов на ускорителях

3.1. Циклотрон

Из всех типов ускорителей циклотроны наиболее широко используются для производства р/н. Достоинством циклотрона является отсутствие инжектора, в котором происходит предварительное ускорение протонов, достаточно простая конструкция и высокая интенсивность пучка. Вывод пучка из циклотрона происходит при

294

достижении заряженными частицами максимальной энергии, поэтому производители выпускают циклотроны, рассчитанные на генерацию пучков строго определенной энергии. Однако диапазон возможных энергий достаточно широк и простирается от 3 МэВ для малых циклотронов до 700 МэВ для больших синхроциклотронов, предназначенных для физических исследований. Число циклотронов, работающих по программе производства р/н, в последнее время в связи с быстрым ростом ПЭТ непрерывно возрастает.

Рис. 8.2. Схема работы циклотрона

Принцип действия циклотрона иллюстрируется на рис. 8.2. Ионы, производимые дуговым источником, инжектируются в центр вакуумного промежутка между двумя полукруглыми полыми металлическим камерами, называемыми дуантами. На электроды дуантов подается разность потенциалов, вызывающая ускорение ионов в промежутке между дуантами. Большой магнит создает почти однородное магнитное поле, направленное перпендикулярно к плоскости дуантов. Это поле вызывает закручивание траекторий ионов. Электрический потенциал подается на дуанты от высокочастотного осциллятора, который реверсирует полярность поля на дуантах перед тем, как заряженная частица достигает ускоряющего промежутка. Это вызывает новое ускорение частицы по направлению к другому дуанту. Приращение кинетической энергии при од-

295

нократном прохождении промежутка равняется произведению заряда частицы на разность потенциалов и обычно находится в диапазоне от 30 до 60 кэВ. Диаметр полюсов магнита циклотронов, предназначенных для наработки р/н, как правило, изменяется от 75 до 150 см в зависимости от энергии выходящего пучка.

Таблица 8.2

Перечень наиболее важных для ЯМ р/н, производимых на циклотронах

[1]

Разнообразие ускоряемых частиц (p, d, 3He, α) и широкий энергетический диапазон делают циклотрон гибкой системой, позво-

296

ляющей производить широкий набор р/н. В табл. 8.2 приводится далеко не полный список р/н, получаемых в настоящее время на циклотронах. Причем, для многих р/н существует несколько реакций, дающих одинаковый продукт. Например, 16, 8, 4 и 9 реакций можно использовать для позитронных излучателей 11C, 13N, 15O и 16F. Детальное обсуждение этих вопросов имеется в работе [3].

3.2. Линейный ускоритель

Принцип работы линейного ускорителя основан на повторяющемся небольшом ускорении ионов высокочастотным полем при прохождении ионами зазоров между последовательными волноводами. Внутри трубы электрическое поле отсутствует, поэтому частицы движутся с постоянной скоростью к следующему зазору. При фиксированной частоте ускоряющего поля частицы должны достигать следующего зазора синхронно с ускоряющей волной. Достоинством линейных ускорителей являются стабильность, высокое качество и большой ток пучков, возможность ускорения различных ионов до больших энергий. Вместе с тем линейные ускорители ионов потребляют большую электрическую мощность, а их линейные размеры значительно (почти линейно) возрастают с увеличением энергии генерируемого пучка ионов. Это препятствует их применению непосредственно в клиниках, и они используются главным образом в физике высоких энергий. В настоящее время только три линейных ускорителя в мире (один из них в Дубне) производят заметное количество р/н, в основном тех, реакции получения которых идут при высоких энергиях бомбардируемых частиц. Перечень р/н, нарабатываемых данными ускорителями, представлен в табл. 8.3, наиболее важными из них являются 82Sr и 68Ge.

4.Генераторы

4.1.Общая концепция

Более столетия назад Резерфорд наблюдал, как один р/н может быть получен из другого р/н в результате распада последнего. Он отметил, что химически определенное радиоактивное вещество можно отделить от образца тория, и оно снова будет регенерирова-

297

но в результате распада образца тория. Первый вид генератора был создан еще в начале двадцатого столетия [4], когда было обнаружено, что применение эманации радия радона помогает в лечении онкологических заболеваний. Такими генераторами стали системы 226Ra/222Rn, которые были разработаны для производства радоновых капсул. Разделение 222Rn и 226Ra проводилось по относительно простой технологии: радий находился в растворе, а радон, образующийся при распаде радия, являясь газом, выходил из раствора и собирался в специальных емкостях.

Таблица 8.3

Перечень полезных для ЯМ р/н, производимых на линейных ускорителях [1]

Развитие ЯМ тесно связано с разработкой и производством препаратов, меченных р/н. В настоящее время для медицинских целей предложено несколько сотен различных р/н, причем значительная часть из них является короткоживущими р/н. Очевидным преимуществом р/н с коротким периодом полураспада является значительное уменьшение дозы, получаемой пациентом, по сравнению с долгоживущими р/н. Однако обеспечение медицинских учреждений короткоживущими р/н столкнулось с проблемой значительного времени, требуемого для транспортировки этих р/н от места произ-

298

водства до клиник. Для решения проблемы учеными был предложен ряд генераторных систем.

Кратко формулируя, генератор представляет устройство, в котором материнский р/н распадается в дочерний р/н, причем последний отделяется от материнского. Полезные генераторные системы используют более продолжительный период полураспада материнского продукта по сравнению с дочерним, что позволяет повторять экстракцию.

Методы отделения дочернего продукта от материнского могут основываться на различном физическом состоянии (например, жидкость и газ), но чаще используются технологии, базирующиеся на различных химических свойствах: испарение, основанное на различной летучести двух элементов; экстрация из раствора, основанная на различной растворимости; хромотографическое разделение, основанное на различном сродстве с ионно-обменными смолами или полимерами.

Чтобы быть клинически полезной, генераторная система должна обладать рядом важных свойств. К таким свойствам относятся: простота эксплуатации; надежная защита от излучения; получение продукта в форме, позволяющей немедленное использование; доступная для медицинских учреждений стоимость. Выбор р/н для производства с помощью генераторов также обусловлен наличием у них ряда полезных свойств. Они были ранее рассмотрены в разделе 2.7 главы 1. Кроме того, для минимизации облучения пациента желательно, чтобы дочерний продукт распадался в стабильный или долгоживущий р/н.

4.2. Математические соотношения

Характеристики любой генераторной системы определяются соотношением между постоянными распада материнского и дочернего р/н. В данный момент времени активность материнского р/н описывается стандартным уравнением радиоактивного распада

где Ap(0) и Ap(t) – активность материнского р/н начальная и в момент времени t, соответственно.

299

Активность дочернего р/н зависит как от скорости распада, так и от скорости образования р/н. Соответствующее уравнение имеет следующий вид:

где Ad(0) и Ad(t) – активность дочернего продукта начальная и в момент времени t.

4.2.1.Вековое равновесие

Всистемах, где T1/2 материнского р/н очень велик по сравнению

сT1/2 дочернего р/н (λp << λd), т.е. можно считать, что λp~ 0, уравнение (8.8) преобразуется следующим образом:

Такая пара мать-дочь будет достигать векового равновесия – состояния, в котором материнская активность является практически постоянной и дочерняя активность увеличивается до тех пор, пока не станет равной материнской (рис. 8.3). Примером такой системы служит генератор 82Sr/82Rb.

Рис. 8.3. Графическое представление векового равновесия, когда λp << λd

300