4 курс / Лучевая диагностика / Физика_ядерной_медицины_Часть_1_Климанов_В_А_

4.2.2. Временное равновесие

Когда T1/2 материнского р/н длиннее, чем T1/2 дочернего р/н примерно в ~ 10 раз, то достигается временное равновесие, при котором активность родительского р/н заметно уменьшается со временем и дочерняя активность фактически начинает превосходить родительскую. Затем обе активности уменьшаются со временем, причем отношение активностей сохраняется постоянным (рис. 8.4). Это отношение активностей равняется

После достижения равновесия видимый T1/2 дочернего р/н становится фактически равным физическому T1/2 материнского р/н. Конечно, если дочерний р/н отделить от родительского, то его распад будет проходить в соответствии с его собственным T1/2. Примером такого генератора является 99Mo/99mTc.

Рис. 8.4. Графическое представление временного (переходного) равновесия

301

4.2.3. Неравновесие

Если у материнского р/н период полураспада короче, чем у дочернего р/н, то равновесие никогда не достигается. Активность материнского р/н постоянно уменьшается, активность дочернего р/н вначале возрастает, затем тоже уменьшается, но отношение активностей все время изменяется. В конечном счете после того как большая часть материнского р/н распадается, активность дочернего р/н уменьшается в соответствии с собственным периодом полураспада (рис. 8.5).

Рис.8.5. Графическое представление неравновесия

4.3. Практическое применение

Потенциально в настоящее время предложено около 120 генераторных систем. В табл. 8.4 приводится перечень нескольких наиболее важных для ЯМ генераторов и некоторые их свойства.

Первым коммерческим генератором стала система 132Te/132I, разработанная в Брукхевенской Национальной лаборатории (BNL, USA) в 1951 г. [5]. Там же был создан в конце шестидесятых годов прошлого века самый распространенный сейчас (80 % рынка) генератор 99Mo/99mTc [6]. С тех пор было предложено много различных вариантов этой генераторной системы. В настоящее время практи-

302

чески все коммерческие генераторы 99Mo/99mTc базируются на хроматографическом способе отделения 99mTc от 99Mo. В таких генераторах 99Mo заряжается в колонки из оксида алюминия, которые связывают 99Mo молибдат во много раз большим химическим сродством, чем 99mTc. Стерилизованный изотонический раствор хлорида натрия, проходящий через колонну, вызывает отделение 99mTc от оксида алюминия и удаление его как пертехнетат натрия, в то время как высокое сродство 99Mo молибдата к Al2O3 препятствуют его извлечению из адсорбента. Схематическое изображение генераторной системы 99Mo/99mTc, представлено на рис. 8.6.

Таблица 8.4

Перечень некоторых наиболее важных для ЯМ генераторных систем [1]

5. Мишени

При разработке технологии производства представляющего интерес р/н следует решить три взаимосвязанные задачи: а) выбор ядерной реакции; б) определение условий облучения; в) выбор мишени. Отметим, что выбор подходящей мишени является не менее, а возможно и более важным, чем решение первых двух задач. Рассмотрим эту проблему подробнее.

303

5.1.Физическая и химическая форма

Вобщем случае чистые металлы и элементы являются наилучшими. Если по каким-либо причинам их использование нецелесообразно, другими подходящими материалами являются как сплавы, так и простые соединения такие, как окислы, карбонаты, галагениды. Эти формы также должны быть совместимы с процессингом после облучения. Таким образом, легко разрушаемые соединения иногда бывают более предпочтительными, чем металлы.

Рис. 8.6. Схематическое изображение устройства генераторной системы

99Mo/99mTc [7]

5.2. Тепловые свойства

Во время облучения в мишени возможно значительное выделение тепла как за счет кинетической энергии, оставляемой в мишени падающими частицами, так и за счет ядерных реакций, если они являются экзотермическими. Кроме того, некоторую энергию передают мишени фотоны, образующиеся в результате реакции (n,γ). Количество этой энергии пропорционально массе мишени, поэтому оно существенно для мишеней, масса которых превышает грамм. При облучении мишеней на ускорителях тепловая мощность в ват-

304

тах равна энергии (в МэВ), оставляемой в мишени заряженными частицами, умноженной на ток ускорителя (в мкА). Так, например, толстая мишень, уменьшающая энергию протонов на 20 МэВ, при токе 200 мкА поглощает 4000 Вт на один квадратный сантиметр площади. Если мищень расплавится или испарится, плотность мишени уменьшится, что может привести к сильному уменьшению выхода продукта и даже к разрушению мишени. В случае газообразных мишеней нагревание газа вызовет уменьшение его плотности, что также вызовет уменьшение выхода продукта. Поэтому при облучении мишеней на циклотронах и линейных ускорителях необходимо применять охлаждение мишеней. Кроме того, желательно, чтобы материал мишени имел хорошую теплопроводность и высокую температуру плавления. По этой причине органические соединения и водные растворы не используются в качестве мишеней с высокотоковыми пучками.

5.3. Химическая стабильность, реактивность и чистота

Мишень не должна разрушаться при повышенной температуре или испускать газы, что может привести к разрыву защитной оболочки мишени, а также вступать в реакцию с материалом капсулы. Еще одним повреждающим фактором может явиться недостаточная радиационная стойкость материала мишени, поэтому при необходимости облучения большим флюенсом нейтронов это свойство мишени следует изучить. Важным качеством вещества мишени для облегчения последующего химического процессинга является растворимость в неорганических кислотах (например, HCl).

Как правило, для минимизации радиоактивными загрязнениями, связанными с активацией примесей, мишень должна обладать высокой химической чистотой. Отсюда вытекает необходимость тщательного анализа всех продуктов активации, которые образуются при облучении мишени со сложным изотопным составом. Например, содержание меди в мишени ZnO, используемой для получения 67Cu, должно быть меньше, чем 0,0001 %. Если в состав мишени входит природное вещество, то нередко требуется изотопное обогащение материала мишени, чтобы уменьшить выход конкурирующих реакций на других изотопах, входящих в природное веще-

305

ство. Важным экономическим фактором является возможность восстановления дорогих обогащенных мишени для повторного ис-

пользования. В настоящее время обогащенные мишени применяются для получения важных медицинских р/н 18F, 67Ga, 111In, 103Pd и

201Tl.

5.4. Капсулирование

Для безопасности и предовращения ненужного загрязнения мишени, облучаемые в реакторе, всегда помещаются в контейнеры. Если облучение производится невысоким флюенсом нейтронов и короткое время, то в качестве контейнеров возможно использование небольших пластиковых ампул. Такие ампулы имеют небольшую стоимость и мало активируются. Но при высоких флюенсах пластик разрушается, поэтому в этих случаях применяется высокой чистоты кварц. Кварцевые ампулы для облучения размещаются в специальных алюминиевых держателях. При облучении на ускорителях мишени для охлаждения омываются потоком воды, поэтому обязательно помещаются в капсулы (оболочки). Капсулы обычно изготавливаются из коррозионно-стойких материалов, таких как нержавеющая сталь и алюминий.

Контрольные вопросы

1.Опишите различные методы, применяемые в настоящее время для получения р/н.

2.По каким законам изменяется активность дочернего продукта

сувеличением времени облучения в реакторе и в ускорителе?

3.При каком времени облучения реакция образования р/н достигает насыщения?

4.Как влияет толщина мишени на выход продукта?

5.Если в результате облучения 68Zn протонами в циклотроне ядро испускает три нейтрона, какой продукт образуется в результате реакции? Напишите соответствующее уравнения ядерной реакции?

6.Рассчитайте активность 111In, образующегося в результате облучения в ускорителе 1 г чистого 111Cd 12-МэВ протонами в течении 3 ч при интенсивности пучка 1013 частиц/(см2·с). Поперечное сечение образования 111In равно 200 мбарн, T1/2 = 2,8 д.

306

7.Для чего применяется изотопное обогащение мишени?

8.Каким основным требованиям должен отвечать радионуклидный генератор?

9.Опишите разные виды равновесия, которые могут иметь место

врадионуклидном генераторе.

10.Сколько времени требуется для достижения временного рав-

новесия в генераторе 99Mo/99mTc?

11. Сформулируйте основные требования, предъявляемые к мишеням, облучаемым в реакторах и в ускорителях.

Список литературы

1.Mausner L.F. Radionuclides: cyclotron, reactor, and fission products // In: Nuclear medicine. 2nd edition. V. 1 / Ed. by R.E. Henkin, D. Bova, G.L. Dillehay et al. 2006. Mosby, Inc. P. 358 – 372.

2.Scilard L., Chalmers T.A. Chemical separation of the radioactive element from its bombarded isotope in the Fermi effect // Nature. V. 134. 1934. P. 462.

3.Qaim S.M. Cyclotron production of medical radionuclides // In: Handbook of nuclear chemistry. V. 4. Eds: A. Vertes, S. Nagy, Z. Klencsar et al / Dordrech. The Netherland. 2003. P. 47 – 79.

4.Failla G. The development of filtered radon implants // AJR. V.16. 1926. P. 507 – 525.

5.Winsche W.E., Stang L.G., Turcker R. Production of 132I // Nucleonics. V. 8. 1951. P. 14 – 18.

6.Richards P. Nuclide generators // In: Radioactive pharmaceuticals. Simposium no. 6. Cont. 651111. Washington. DC. 1966. U.S. Atomic Energy Comission.

7.Radionuclide generator: design, operation, and clinical utility/

S.C. Augustine, F.J. Rutar, K.P. Holdeman et al // In: Nuclear medicine. 2nd edition. V. 1 / Ed. by R.E. Henkin, D. Bova, G.L. Dillehay et al. 2006. Mosby, Inc. P. 373 – 381.

307