Добавил:
Sekretar
kiopkiopkiop18@yandex.ru
t.me/Prokururor I Вовсе не секретарь, но почту проверяю
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Ординатура / Хирургия / Библиотека им академика М.И. Перельмана / Книга_148_библиотеки_им_акад_М_И_Перельмана
.pdf
Число выходов/массовое число (%)
Массовое число
Масса 99
Масса 134
U-235, выход продуктов
https://t.me/med1917
4.2.3. Ядерное деление, продукты деления
Уран-235 используется не только как топливо в ядерном реакторе, но и как
мишень для получения радионуклидов. Уран-235, облученный тепловыми
нейтронами, претерпевает деление с сечением 586 бн. В результате деления
образуются два осколка ядра
нейтронов. Сумма масс осколков будет близка к массе
235
U плюс некоторое количество свободных
235
U, но они будут
меняться в соответствии с рис. 4.10.
Массы 99Mo и
134
Sn, образующихся в результате реакции:
обозначены на рис. 4.10. Некоторые важные с медицинской точки зрения
радионуклиды образуются в результате деления, например, 90Y (терапия) и
99m
Tc
(диагностика). Они образуются не напрямую, а с помощью генераторной системы:
Рис. 4.10. Выход осколков деления в зависимости от массы
В результате образуются первичные радионуклиды 90Sr и 99Mo, или,
точнее, массовые числа 90 и 99.
Другим важным радионуклидом, образующимся в результате деления, в
ядерной медицине, как для диагностики, так и для терапии, является
Практическое сечение деления для его образования — это сечение деления
умноженное на фракцию осколков с массой 131, или 586·0,029 = 17 бн.
Вероятность образования массы 131 составляет 2,9 % при каждом делении. Йод131 — единственный радионуклид с массой 131, имеющий период полураспада
более 1 ч, а это означает, что все остальные вскоре распадутся до
127
131
I.
235
131
I.
U,
https://t.me/med1917
4.3. ПРОИЗВОДСТВО НА УСКОРИТЕЛЕ
Заряженные частицы, в отличие от нейтронов, не могут диффундировать в
ядро, но должны обладать достаточной кинетической энергией, чтобы
преодолеть кулоновский барьер. Однако заряженные частицы легко ускоряются
до кинетических энергий, которые открывают больше каналов реакции, чем
быстрые нейтроны в реакторе. Пример показан на рис. 4.11, который также
иллюстрирует альтернативные возможности использования p, d, 3He и 4He или α
для получения практических и экономичных ядерных реакций.
127
I(p, 5n)
123
Xe
123
I
124
Xe(p, np)
123
Te(p, n)
122
Te(d, n)
124
Te(p, 2n)
121
Sb( 4 He, 2n)
121
Sb( 3 He, n)
123
Sb( 3 He, 3n)
123
123
123
I
123
I
I
123
Xe
123
I
I
123
I
123
I
Рис. 4.11. Различные ядерные реакции, в результате которых образуется
были опробованы и могут быть проведены при относительно низких энергиях частиц.
образующийся в первых двух реакциях, распадается до
В первой реакции
вымывается из мишени после распада
123
Xe отделяется от мишени и затем распадается, а во второй реакции
123
I с периодом полураспада около 2 ч.
123
I. Все реакции
123
Xe,
123
Ускоритель в физике элементарных частиц может быть очень
габаритным, как, например, в Европейской организации ядерных
исследований (ЦЕРН), диаметр которого превышает 4 км. Ускорители для
производства радионуклидов гораздо меньше, поскольку им необходимо
ускорять частицы до гораздо меньших энергий. Первая реакция на рис. 4.11,
при которой выбрасывается пять нейтронов, является наиболее энергоемкой,
поскольку для нее требуется энергия протонов около 5·10 МэВ = 50 МэВ (по
эмпирическому правилу на каждую выбрасываемую частицу требуется около
10 МэВ). Для всех остальных реакций требуется энергия 20 МэВ или меньше
(см. таблицу 4.2).
Другим преимуществом производства на ускорителе является то, что
обычно легко найти ядерную реакцию, продуктом которой является элемент,
отличный от элемента мишени. Поскольку различные элементы могут быть
разделены химическим путем, продукт обычно имеет высокую удельную
радиоактивность, что важно при маркировке биомолекул.
I
128
Энергия протонов
(МэВ)
Ускоренные частицы
Использование
<10
В основном одиночная частица, p или d
ПЭТ
10–20
Обычно p и d
ПЭТ
30–40
Могут быть доступны p и d, 3He и 4He
ПЭТ, коммерческое производство
40–500
Обычно только p
Часто размещаются в
национальных центрах и имеют
несколько пользователей
https://t.me/med1917
Техническое различие между реакторным и ускорительным облучением
заключается в том, что в реакторе частицы поступают со всех сторон, а в ускорителе
частицы имеют определенное направление. Количество заряженных частиц часто
меньше и обычно измеряется как электрический ток в микроамперах (1 мкА = 6·1012
протонов/с, но 3·1012 альфа-частиц/с из-за удвоенного заряда α-частицы).
ТАБЛИЦА 4.2. ХАРАКТЕРИСТИКИ УСКОРИТЕЛЕЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА
РАДИОНУКЛИДОВ
Недостатком производства на ускорителе является то, что заряженные
частицы останавливаются более эффективно, чем нейтроны; например,
протоны с энергией 16 МэВ останавливаются в 0,6 мм Cu. Стандартный ток
пучка в 100 мкА, попадающий на типичную мишень площадью 2 см2,
приводит к выделению 1,6 кВт в объеме 0,1 см3, что приведет к испарению
большинства материалов, если они не будут эффективно охлаждены. Кроме
того, ускорение пучка происходит в вакууме, но облучение мишени
происходит при атмосферном давлении или в газовых мишенях при
превышении давления в 10–20 раз. Чтобы отделить вакуум от мишени, пучок
должен проникнуть через фольгу, которая поглотит часть энергии частиц, и
они также сильно активируются.
4.3.1. Циклотрон, принцип действия, отрицательные и положительные ионы
Существует несколько типов ускорителей, каждый из которых, в
принципе, может быть использован для получения радионуклидов. В
настоящее время доминирующим для производства радионуклидов является
циклотрон, изобретенный Лоуренсом в начале 1930-х годов. Впервые
циклотроны были установлены в больницах в 1960-х годах, но за последние
два десятилетия малогабаритные циклотроны на базе больниц,
вырабатывающие протоны с энергией 10–20 МэВ, стали довольно
распространенными, особенно с появлением ПЭТ.
Циклотрон состоит из четырех систем:
a) резистивный магнит, способный создавать магнитное поле с
индкуцией 1–2 Тл;
b) вакуумная система до 10–5 Па;
129
Магнитное поле
Дуанты
Высокая частота
Высокое напряжение
Выведенный
пучок
Отклоняющий
электрод
https://t.me/med1917
c) высокочастотная система (около 40 МГц), дающая напряжение с
пиковым значением около 40 кВ, хотя эти цифры могут значительно отличаться
для разных систем;
d) источник ионов, способный ионизировать водород с образованием
свободных протонов, а также дейтерия и α-частиц.
Рис. 4.12. Принцип действия циклотрона. Отрицательный ион вводится в зазор между Dобразными магнитами (дуантами) (1). Переменное электрическое поле прикладывается
поперек промежутка, что приводит к ускорению заряда. Напряжённость магнитного поля,
действующая на движущийся заряд, заставляет его изгибаться по полукруглой траектории
постоянно увеличивающегося радиуса (2). Приложенное электрическое поле меняет
направление каждый раз, когда заряженная частица достигает зазора, так что она
постоянно ускоряется, пока, наконец, не будет выведена (3)
Внутреннее устройство циклотрона показано на рис. 4.12. Источник ионов
обычно размещается внутри вакуума и в центре (внутренний), но в более
габаритных установках может быть и внешним. Ионы подаются снаружи через
центральное отверстие в магните. Основная идея источника ионов заключается
в медленном потоке газа, который превращается в плазму с помощью дугового
разряда. Требуемые виды ионов выводятся через коллиматор и ускоряются в
статическом электрическом поле. Существует несколько типов источников
ионов с различными рабочими характеристиками. В современных ускорителях
обычно используются отрицательные ионы, протоны или дейтерий с двумя
орбитальными электронами. Они способствуют выведению пучка.
Ионы покидают источник ионов с некоторой скоростью. Поскольку
вакуумная камера находится в магнитном поле, ионы движутся по круговой
орбите. Внутри вакуумной камеры находятся два электрода, традиционно
называемые «дуантами», поскольку напоминают форму буквы D. Эти электроды
130
https://t.me/med1917
полые, что позволяет ионам свободно перемещаться внутри них. Между
электродами имеется зазор, называемый ускоряющим зазором. Если между
электродами подать напряжение, ионы будут испытывать градиент потенциала
при прохождении зазора между электродами. Если полярность напряжения
меняется с нужной скоростью, ионы будут постоянно ускоряться при
пересечении зазора, что приведет к увеличению энергии и скорости ионов. По
мере увеличения скорости ионы будут двигаться по круговой орбите
увеличивающегося радиуса. Время, необходимое ионам для возвращения в
зазор, не зависит от их радиуса в ускорителях с энергией <30 МэВ. Для
правильной работы циклотрона необходимо, чтобы частота электрического поля
через дуанты совпадала с частотой циркулирующих ионов, чтобы полярность
менялась при каждом прохождении ионов через дуанты.
В коммерческих ускорителях с высокими токами пучка в несколько
миллиампер обычно используется внутренняя мишень для получения
радионуклидов, расположенная внутри камеры. В ускорителях с меньшими
токами пучка <100 мкА, например, предназначенных для ПЭТ в больницах, чаще
всего пучок выводится на внешнюю систему мишеней. Режимы выведения
зависят от того, ускоряются ли положительные или отрицательные ионы.
Выведение положительных ионов осуществляется с помощью дефлектора,
который создает статическое электрическое поле, действующее на частицы,
находящиеся на внешних орбитах. При этом неизбежно теряется часть тока
пучка, и дефлектор часто становится довольно радиоактивным.
Современные ускорители протонов/дейтерия обычно ускоряют
отрицательные ионы, которые легче выводятся. В этих системах используется
тонкая углеродная фольга, которая удаляет два орбитальных электрона. В
результате частицы резко меняют отрицательный заряд на положительный и
эффективно выводятся из магнитного поля с почти 100-процентной
эффективностью вывода и незначительной активацией.
Выведенный пучок может быть либо транспортирован далее в оптической
системе транспортировки пучка, либо попадет непосредственно на
производственную мишень. Мишень обычно отделяется от вакуума
металлическими фольгами, которые достаточно прочны, чтобы выдержать
разность давлений и тепло от энергии пучка, поскольку она передается и
поглощается фольгами. Причина, по которой используются две фольги,
заключается в том, что тепло, выделяемое при прохождении пучка, должно быть
отведено, чему способствует поток газообразного гелия между фольгами. Гелий
предпочтителен в качестве охлаждающей среды, поскольку в этом газе не
возникает индуцированной активности.
4.3.2. Промышленное производство (низкие и высокие энергии)
Если энергия протона >30 МэВ, частицы становятся релятивистскими, т. е.
их масса и время цикла на орбите увеличиваются. Постоянная частота
ускоряющего электрического поля приводит к тому, что ионы выходят из фазы.
Это можно компенсировать либо увеличением магнитного поля в зависимости
131
Пучок
Облучаемая мишень
Подложка
Водоохлаждение
https://t.me/med1917
от радиуса циклотрона (изохронные циклотроны), либо уменьшением
радиочастоты во время ускорения (синхроциклотроны). Такие ускорители, как
правило, более сложны и дороги, и по этой причине 30 МэВ является типичной
энергией для промышленных ускорителей, которые должны иметь большие токи
пучка, быть надежными и экономичными.
В промышленных ускорителях ток пучка обычно составляет несколько
миллиампер. Поскольку технически сложно извлекать такие высокие токи пучка
из-за проблем с нагревом разделительных фольг, в большинстве промышленных
ускорителей используются внутренние мишени, т.е. мишени, которые
размещаются внутри вакуума циклотрона, как схематично показано на рис. 4.13.
Рис. 4. 13. Схематичное изображение внутренней мишени. Материал мишени обычно тонкий
(несколько десятых долей микрометра) и испаряется на более толстой подложке. С
обратной стороны ансамбль мишеней охлаждается водой. Преимуществом является то,
что пучок распределяется на большой площади, что способствует охлаждению
Многие пациенты в ядерной медицине проходят однофотонную
эмиссионную компьютерную томографию (ОФЭКТ). Помимо полученного в
реакторе
201
и
99m
Tc, промышленные циклотроны обычно производят 67Ga,
Tl. Кроме того, некоторые радионуклиды для ПЭТ, такие как
становятся коммерчески доступными. Растущий спрос на генератор 68Ge/68Ga
также привел к промышленному производству циклотронного материнского
нуклида 68Ge. Только несколько радионуклидов, представляющих интерес для
медицины, требуют энергии производства выше 30 МэВ. Ограниченное число
высокоэнергетических ускорителей с большими токами пучка, как правило, в
национальных физических лабораториях, имеют возможности для
производства, например, 52Fe и 61Cu и других изотопов, используемых в
исследовательской деятельности.
4.3.3. Собственное низкоэнергетическое производство (ПЭТ)
Промышленные ускорители, предназначенные для производства
радиоизотопов для ПЭТ, ограничены как по энергии (<20 МэВ), так и по току
пучка (<100 мкА). Во многих производственных процессах в качестве
материалов мишеней используются газы или вода, и поэтому предпочтение
111
In,
123
124
I
I,
132
20
Ne(d, α)18F
Образующийся 16F будет обладать высокой реакционной способностью. В
инертном газе Ne он будет диффундировать и прилипать к стенкам
мишени; его трудно вывести
21
Ne(p, α)18F
То же, что и выше; кроме того, содержание 21Ne невелико (0,27 %) и
требуется обогащение
19
F(p, d)18F
Продукт и мишень являются одним и тем же элементом; низкая удельная
радиоактивность
16
O(α, d)18F
Дешевая мишень, но ускорители, способные ускорять α-частицы до 35
МэВ, дороги и не распространены
16
O(d, γ)18F
Малое сечение и невозможность получения практических выходов
18
O(p, n)18F
Дорогостоящий обогащенный материал мишени, но энергия протонов низкая
(недорогой ускоритель), что делает эту ядерную реакцию предпочтительной
https://t.me/med1917
отдается внешним мишеням. Благодаря относительно низкому току пучка
выведение не является проблемой. Поскольку внутренние мишени необходимо
вводить и выводить из вакуума циклотрона, они обычно не используются в
циклотронах для ПЭТ.
Важность выбора правильной реакции и материала мишени имеет
решающее значение, что можно проиллюстрировать на примере получения 18F.
Существует несколько ядерных реакций, которые могут быть использованы
(таблица 4.3).
ТАБЛИЦА 4.3. РАЗЛИЧНЫЕ ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ 18F
Важна не только ядерная реакция, но и химический состав мишени.
Облучение 18O в виде газа было бы наиболее чистой мишенью (присутствует только
нуклид мишени), но работа с высокообогащенным газом в дополнение к химии
горячих атомов сложна. Тем не менее, для некоторых применений это может быть
лучшим выбором. Облучение 18O в виде оксида и твердой мишени возможно, но
последующий за облучением процесс растворения мишени и химического
отделения 18F сложен, имеет низкий выход, а другие элементы в оксиде
потенциально могут способствовать нежелательной радиоактивности. Вода,
обогащенная 18O, является предпочтительной мишенью, поскольку 18O является
доминирующим ядром, а водород не способствует какой-либо нежелательной
радиоактивности. Обычно нет необходимости в разделении мишени, так как вода,
содержащая 18F, часто может быть непосредственно использована в химическом
процессе маркировки. Водная мишень также может, после разбавления
физиологическим раствором, вводиться непосредственно пациентам, например,
18
F-фторид для ПЭТ-сканирования костей. Водные мишени производят 18F-фторид
для использования в стереоспецифических нуклеофильных замещениях.
Альтернативным способом получения является производство неонового газа,
20
Ne(d, α)18F. Добавление газа 19F2 к неону в качестве носителя дает 18F19F, который
может быть использован для электрофильного замещения. Добавление носителя
снижает удельную радиоактивность меченого продукта.
133
Радионуклид
Ядерная реакция
Выход (ГБк)
15O 14
N(d, n)15O газовая мишень
15
13N 16
O(p, α)13N жидкая мишень
5
11C 14
N(p, α)11C газовая мишень
40
18F 18
O(p, n)18F жидкая мишень
100
https://t.me/med1917
Проблема заключается в выделении тепла при остановке пучка в нескольких
миллилитрах водной мешени. Мишени высокого давления, которые заставляют
воду оставаться в жидкой фазе, могут решить некоторые из этих проблем, но
производство обычно ограничено токами пучка <40 мкА. Газовые и твердые
мишени выгодны, поскольку они могут выдерживать более высокие токи пучка.
Существует также несколько вариантов получения 11C. К ним относятся:
10
B(d, n)11C, 11B(p, n)11C и 14N(p, α)11C. Реакции с бором проводятся в виде
облучения твердой мишени, а реакция с азотом — в виде облучения газовой
мишени. Стандартные способы производства распространенных позитронных
излучателей, связанных с ПЭТ, приведены в таблице 4.4.
ТАБЛИЦА 4.4. ЧАСТО ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ РАДИОНУКЛИДЫ В ПЭТ
Кислород-15 образуется при бомбардировке природного азота дейтронами
в результате ядерной реакции 14N(d, n)15O . Альтернативой является реакция
15
N(p, n)15O, если пучок дейтерия недоступен. В этом случае мишень необходимо
обогатить. В азотной мишени молекулярный кислород, меченный 15O,
производится напрямую. Прямое получение диоксида углерода, меченного 11C,
возможно при смешивании газовой мешени с 5 % природного диоксида углерода
в качестве носителя. Воду, меченную 15O, предпочтительно получают путем
обработки молекулярного кислорода, меченного 15O.
Углерод-11 образуется при протонной бомбардировке природного азота.
При добавлении небольшого количества кислорода к газовой мешени (<0,5 %)
образуется диоксид углерода (11CO2). Добавление 5 % водорода к мишени
приведет к образованию метана (11CH4).
Жидкие мишени на сегодняшний день являются наиболее
распространёнными и широко используемыми для получения 13N. Реакция
протонов с природной водой приводит к образованию нитрат- и нитрит-ионов,
которые могут быть преобразованы в аммиак путем восстановления. Водные
мишени также могут быть использованы для прямого образования аммиака при
добавлении восстановителя, например, этанола или водорода.
4.3.4. Таргетирование, оптимизация производства с учётом выхода и
примесей, расчеты выхода
Когда в ядро попадает энергичная частица, результат определяется
сложным взаимодействием физических и статистических законов. Важными
параметрами являются энергия влетающей частицы, толщина мишени и сечения
134
Сечение (бн)
Энергия протонов Ep (МэВ)
75
As(p, n)75Se
75
As(p, 4n)72Se
75
As(p, 3n)73Se
https://t.me/med1917
каналов реакции для энергий частиц в мишени. Существуют компьютерные
программы, такие как «Элис» и «Талис», позволяющие рассчитать размер и
энергетическую зависимость сечения для определенного канала реакции, но их
нелегко применять; поэтому следует проявлять осторожность при
интерпретации результатов, полученных с помощью таких программ. Однако
приблизительная оценка энергии облучающих частиц может быть получена с
использованием хорошо известного эмпирического правила в производстве
радионуклидов (проиллюстрировано на рис. 4.14).
Рис. 4.14. Функции возбуждения реакций 75As(p, xn)
получения 73Se является энергия протонов 40 МэВ, которая в мишени понижается до 30 МэВ
72, 73, 75
Se. Оптимальной энергией для
Максимальные сечения находятся при энергии около 10, 30 и 40 МэВ для
реакций (p, n), (p, 3n) и (p, 4n), соответственно. Таким образом, для испускания
одного нуклона требуется около 10 МэВ, т.е. протон с энергией 50 МэВ может
покрыть производство радионуклидов, в котором испускается около пяти
нуклонов. При низкой энергии происходит мешающее образование 75Se, а при
использовании слишком высокой энергии протонов образуется еще одна
нежелательная радионуклидная примесь, а именно 72Se. Последней примеси
можно полностью избежать, ограничив энергию протонов энергией ниже
пороговой для реакции (p, 4n). Примесей, образующихся в результате реакции
(p, n), избежать невозможно, но можно свести к минимуму, используя толщину
мишени, которая позволяет избежать более низких энергий протонов (имеющих
самые высокие сечения (p, n)).
На рисунке 4.14 акцентируется тот факт, что выбранные параметры
производства являются компромиссом. Диапазон протонов 40–30 МэВ хорошо
использует сечение (p, 3n). Некоторое загрязнение 72Se допустимо, чтобы
135
https://t.me/med1917
увеличить выход 73Se. Важным фактором является период полураспада 75Se (T
= 120 д), 73Se (T
= 7,1 ч) и 72Se (T
1/2
= 8,5 д). Иногда можно дождаться распада
1/2
1/2
радиоактивных загрязняющих веществ. Хотя в данном случае это не так, иногда
длительный период полураспада загрязняющего вещества не является серьезным
недостатком. Если период полураспада продукта длительный, то распад
продукта в течение времени облучения мишени может быть незначительным по
сравнению с короткоживущими радионуклидами.
Практическая схема производства радионуклидов выглядит следующим
образом. Изготавливается соответствующая мишень As и облучается протонами
с энергией 40 МэВ. Толщина мишени такова, что она снижает энергию протонов
до 30 МэВ. Это дает выход радиоактивности заданного радионуклида в конце
бомбардировки, который в основном зависит от тока пучка и времени облучения.
Выход обычно выражается в гигабеккерелях на микроампер-час (ГБк/мкА·ч),
т. е. произведенная радиоактивность на интегрированный по времени ток пучка.
По возможности, стараются поддерживать радиоактивность загрязняющих
веществ на низком уровне (< 1 %). Однако после окончания бомбардировки
соотношение продукта по отношению к любым долгоживущим радиоактивным
загрязнителям начинает снижаться.
4.4. ГЕНЕРАТОРЫ РАДИОНУКЛИДОВ
Когда радионуклид (материнский) распадается на другой радиоактивный
нуклид (дочерний), это называется генератором радионуклидов. Большая часть
естественной радиоактивности вырабатывается в генераторных системах,
начиная с изотопов урана и
232
Th, и включает около пятидесяти радиоактивных
дочерних элементов. Некоторые радионуклиды, используемые в ядерной
медицине, вырабатываются генераторными системами, например, 99Mo, из
которого получают
Чрезвычайно длительный период полураспада 99Tc (T
99m
Tc может безопасно использоваться в качестве клинического изотопа при
99m
Tc, который впоследствии распадается до 99Tc.
= 2,1·105 г) означает, что
1/2
отсутствии каких-либо радиологических опасений. В других нуклидах
образование радиоактивного нуклида может быть более важным, например,
позитронный излучатель 52Fe (T
= 8 ч) распадается до 52Mn (T
1/2
= 21 мин),
1/2
который также является позитронным излучателем. Кроме того, радионуклиды,
используемые в терапии, сами могут быть генераторами, например,
ч), распадается до
211
Po (T
= 0,5 с) или
1/2
223
Ra, который генерирует ряд
211
At (T
1/2
= 7
относительно короткоживущих радиоактивных дочерних элементов in situ.
Когда говорят о генераторах в ядерной медицине, обычно рассматривают
особый случай, когда долгоживущий материнский элемент генерирует
короткоживущий дочерний, который после маркировки вводится пациенту. Как
правило, это практичный способ доставки короткоживущих радионуклидов в
больницы, который в противном случае по логистическим соображениям был бы
невозможен. Период полураспада должен быть достаточно длительным, чтобы
радионуклид можно было доставлять в больницы и предоставлять
136
Соседние файлы в папке Библиотека им академика М.И. Перельмана