И некоторые их свойства

Радионуклиды	Период полураспада	Вид распада	Энергия фотонов, кэВ
Визуализация с использованием гамма-камер
^99mTc	6,0 ч	М
^131I	8, 0 дней	β^-
^123I	13 ч	ЭЗ
^133Xe	5,2 дня	β^-
^201Tl	3,0 дня	ЭЗ	69-81 (90 %), 167 (10 %)
^67Ga	3,3 дня	ЭЗ	93 (50 %), 185 (30 %),300 (20 %)
^111In	2,8 дня	ЭЗ	173 (50 %), 247 (50 %)
^81mKr	13 с	М
Исследования in vitro
^51Cr	28 дней	ЭЗ
^125I	60 дней	ЭЗ	27-31 (95 %), 35 (5 %)
^3H	12 лет	β^-	Нет
^14C	5730 лет	β^-	Нет
^57Co	270 дней	ЭЗ	122 (86 %), 136 (24 %)
^58Co	71 день	ЭЗ, β^+	811 (76 %), 511 (24 %)
Визуализация с использованием ПЭТ
^11C	20 мин	β^+
^13N	10 мин	β^+
^15O	2 мин	β^+
^18F	110 мин	β^+
^82Rb	1,3 мин	β^+
^68Ga	1,1 ч	β^+

5.2. Производство р/н в реакторах

Для производства р/н в ядерных реакторах применяются две технологии: а) реакция активации стабильных изотопов в потоке нейтронов; б) извлечение р/н из продуктов деления урана, накапливающихся в тепловыделяющих элементах. Рассмотрим их поочередно.

Внутри активной зоны ядерного реактора, как известно, существуют очень интенсивные потоки нейтронов, возникающие в результате деления ядер урана. Если в такой поток поместить некоторое количество стабильного изотопа (мишень), то под действием бомбардирования нейтронами ядра изотопа будут подвергаться ядерным превращениям, становясь радиоактивными.

Так как нейтроны не имеют заряда, они могут приблизиться к ядру на расстояние действия ядерных сил и в результате ядерной реакции образовать новое составное ядро, имеющее дополнительный нейтрон. Этот процесс называется активацией. Схематически этот процесс обозначается следующим образом

(1.84)

Образовавшееся в результате активации дочернее ядро D имеет излишек нейтронов по сравнению с ядром стабильного изотопа, поэтому обычно оно распадается с испусканием -частицы.

В простейшем случае для получения гипотетического р/н используется как мишень ядро В результате бомбардировки потоком нейтронов оно захватывает нейтрон, новое ядро оказывается в возбужденном состоянии, которое снимается путем испускания γ-излучения. Таким образом,

(1.85)

Активность получаемого дочернего изотопа будет равна

(1.86)

где t – время облучения мишени; N_p (0) – число ядер материнского изотопа в начальный период времени; Φ – флюенс нейтронов.

Максимальная активность дочернего р/н достигается после облучения в течение времени t _max, равному

(1.87)

При облучении мишени в течении периода полураспада активность дочернего р/н достигнет половины от максимальной Если σΦ << λ_D, то уравнение (1.86) переходит в простую зависимость экспоненциального роста активности дочернего р/н

(1.88)

Одной из серьезных проблем при реакторном производстве радионуклидов заключается в том, что вещество мишени и образующегося р/н представляют один и тот же химический элемент. Поэтому их нельзя разделить химическим путем и, следовательно, требуемый радионуклид получается в смеси с дочерним изотопом или, как принято говорить, с "носителем". При мечении фармпрепарата такой смесью присутствие носителя уменьшает отношение активности к полной массе элемента в радиофармпрепарате. Это отношение называют специфической активностью продукта и его по возможности следует увеличивать.

По второй технологии некоторые р/н получают из продуктов деления урана, образующихся тепловыделяющих элементах (твелов) при работе реактора. К таким р/н относятся ⁹⁹Mo, ¹³¹I, ¹³³Xe и др. Эти нуклиды выделяют химическим путем из твэлов, когда они извлекаются из реактора для замены свежими. Радионуклиды, извлекаемые из твэлов, как правило, имеют более высокую специфическую активность, чем получаемые с помощью бомбардировки нейтронами.

5.3. Производство р/н на циклотронах

В циклотроны используются электромагнитные поля для ускорения до высоких энергий пучков протонов, дейтронов и α-частиц, которые затем направляются на мишени. В типичном случае столкновение элементарных частиц с ядрами мишени приводит к увеличению числа протонов в ядре. Такие ядра склонны -распаду или электронному захвату. Они имеют атомные номера отличные от атомных номеров ядер мишени, поэтому химическое разделение их не представляет особых проблем, позволяя получать р/н, свободные от носителей. Проблемы возникают, когда при облучении возникают кроме основного, так называемые примесные радиоактивные изотопы, схемы распада которых содержат высокоэнергетическое γ-излучение. Это излучение ухудшает качество визуализации. В качестве примера можно указать на образование после облучения протонами мишени, состоящей из ¹²⁴Te, кроме нужного р/н ¹²³I небольшого количества ¹²⁴I, испускающего при распаде γ-кванты высокой энергии.

На циклотронах получают многие важные для ЯМ р/н (²⁰¹Tl, ⁶⁷Ga, ¹²³I, ¹¹¹I и др.) и для ПЭТ исследований (¹⁵O, ¹⁸F, ¹³N и др).

Контрольные вопросы

1. Какие основные физические величины используются в СИ и в каких единицах они измеряются?

2. Что такое ионизационный потенциал атомов и в каком энергетическом диапазоне он находится?

3. На какие виды принято разделять фотоны в зависимости от способа их получения?

4. Какая разница в способах ионизации между непосредственно и косвенно ионизирующими излучениями?

5. Опишите основные элементарные частицы, из которых состоит атом.

6. Опишите модели атома Резерфорда и Бора.

7. Какое различие между энергией связи орбитального электрона и энергией связи нуклона в ядре?

8. Почему атомная масса M немного меньше, чем сумма масс всех нуклонов ядра?

9. Какая разница между ионизацией и возбуждением атома?

10. Опишите структуру энергетических уровней многоэлектронного атома.

11. От чего зависит флюоресцентный выход атома?

12. Опишите упрощенные модели ядерных реакций.

13. Что такое внутриядерный каскад и при каких энергиях бомбардирующих частиц он возникает?

14. Какое соотношение существует между постоянной распада и периодом полураспада?

15. В какой момент времени достигает максимального значения активность дочернего радионуклида, если его начальная активность была равной нулю?

16. Охарактеризуйте основные виды радиоактивного распада.

17. Рассчитайте (а) количество атомов и (б) массу ¹³¹I, содержащиеся в образце ¹³¹I (T _1/2 = 8,0 дней) активностью 1,11 ГБк (30 мКи).

18. Рассчитайте (а) скорость распада в минуту и (б) активность в кюри и в беккерелях образца ²⁰¹Tl массой 1 мг (T _1/2 = 73 ч).

19. Какое время потребуется, чтобы образцы ¹²³I (T _1/2 = 13,2 ч) активностью 370 МБк (10 мКи) и ^99mTc (T _1/2 = 6 ч). активностью 1,85 МБк (50 мКи) сравнялись по активности?

20. Если N атомов образца распалось за T _1/2,, какое количество атомов распадется за следующий отрезок времени, равный T _1/2?

21. Как образуются электроны Оже?

22. Какой вид имеют энергетические спектры β-частиц?

23. Какие требования предъявляются при выборе радионуклидов, используемых в в генераторных системах?

24. В чем различие между флюенсом частиц и плотностью потока частиц?

25. В чем различие между ионизационной кермой и поглощенной дозой?

26. Как связаны между собой экспозиционная доха и ионизационная керма в воздухе?

27. Что характеризует поперечное сечение взаимодействия и в каких единицах оно изменяется?

28. Как определяется микроскопическое дифференциальное сечение рассеяния?

29. Как влияет величина прицельного параметра на результат взаимодействия заряженной частицы с атомом?

30. Что понимается под понятием δ-электроны?

31. Какая энергия в среднем требуется для образования пары ионов в воздухе?

32. Дайте определения полной тормозной способности, линейной потере энергии и пробегу заряженных частиц в веществе.

33. В чем различие между полной тормозной способностью и ограниченной тормозной способностью?

34. Почему фотоны и электроны имеют более низкие значения линейных потерь энергии, чем тяжелые заряженные частицы при одинаковой энергии?

35. Объясните почему пробег α-частиц практически равен полному пути, проходимого частицей, в то время как пробег электрона значительно меньше полного пути, проходимого электроном.

36. Какой вид имеет спектр тормозного излучения, испускаемого электроном?

37. Как зависит от энергии электрона дифференциальное (по энергии) сечение испускания тормозного излучения?

38. Как меняется угловое распределение тормозного излучения при изменении энергии электрона?

39. Охарактеризуйте зависимость потери энергии электроном от начальной энергии электронов для материалов с низкими и высокими атомными номерами.

40. Дайте характеристику зависимости основных эффектов взаимодействия фотонов с веществом от начальной энергии фотонов и атомного номера вещества.

41. Если фотон с относительно высокой энергией испытывает комптоновское рассеяние на 180^о, какую максимальную энергию может иметь рассеянный фотон?

42. Какие электроны атомов поглотителя участвуют, в основном, в процессах фотоэлектрического поглощения и комптоновского рассеяния фотонов?

43. Как зависит угловое распределение рассеянных фотонов и средняя доля от энергии фотонов, передаваемая в среду, от энергии фотонов при комптоновском рассеянии?

44. Каким образом в веществе образуется аннигиляционное γ-излучение?

45. Какая разница между линейными коэффициентами передачи энергии и поглощения энергии для фотонов?

46. Предположив, что только 5 % фотонов, испускаемых ¹³¹I (E _γ = 364 кэВ), проходит через слой свинца толщиной 10 см, определите слой половинного ослабления для этих фотонов в свинце.

47. Охарактеризуйте особенности получения радионуклидов разными способами.

Список литературы

1. IAEA. Review of radiation oncology physics: a handbook for teachers and students /Ed. by E.B. Podgorsak. 2003. Vienna (Austria).

2. Машкович В.П., Кудрявцева А.В. защита от ионизирующих излучений. Справочник // М.: Энергоатомиздат. 1995.

3. A. Nahum. Interaction of charges particles with matter // In: Handbook of radiotherapy physics. Theory and practice / Ed. by P. Mayles, A. Nahum, J.-C. Rosenwald. 2007. P. 35 – 56. Taylor & Francis (New York, London).

4. Koch H.W., Motz J.W. Bremsstrahlung cross-section formulas and related data // Rev. Mod. Phys. V. 31. 1959. P.921.

5. ICRU. Radiation dosimetry: electron beams with energy between 1 and 50 MeV // Report No. 35. 1988. Maryland. USA.

6. Roos H., Drepper P., Harder D. The transition from multiple scattering to complete diffusion of high energy electron // In: Proceedings of the fourth symposium on microdosimetry. 1973. EUR 5122.

7. Eyges L. Multiple scattering with energy loss // Phys. Rev. V. 74.1948. Р. 1534.

8. Brahme A. Simple relations for the penetration of high energy electron beams in matter / 1975-011,Dep. Radiation physics, Karolinska institutet, Stockholm, Sweden, 1975.

9. ICRU. Radiation dosimetry: electron with initial energy between 1 and 50 MeV // Report No. 21, Maryland, USA, 1972.

10. Rossi B.B. High energy particles // Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall. 1956.

11. Гусев Н.Г., Климанов В.А., Машкович В.П., Суворов А.П. Защита от ионизирующих излучений. Том 1. Физические основы защиты от излучений // М.: Энергоатомиздат. 1989.

Дата добавления: 2015-10-24