Физические и химические основы производства...

Физические основы

производства радионуклидов

Р.А. Алиев,

НИИ Ядерной физики МГУ

1

2

Нуклидная карта

N

Z

ЭЗ, +

-

спонтанное деление

гипотетические ядра

линия стабильности

Ru 95

Mo 93Mo 91Mo 90Mo 89Mo 88

Tc 95

Ru 94

Mo 92

Tc 94Tc 93

Ru 96

Mo 94

Nb 93Nb 92 Nb 94 Nb 95 Nb 96 Nb 97Nb 91Nb 90

Tc 96

Ru 97

Mo 95

Tc 97

Ru 98

Mo 96

Tc 98

Ru 99

Mo 97

Tc 99 Tc 100 Tc 101 Tc 102 Tc 103

Ru 100

Mo 98

Ru 101

Mo 99

Ru 102

Mo 100Mo 100 Mo 101Mo 102 Mo 103

Ru 103 Ru 104 Ru 106 Ru 107Ru 105

3

Механизм реакции

1 i 2

4

Различные каналы реакции

69Ga+p

69Ge+n

68Ge+2n

67Ge+3n

68Ga+p+n

68Ga+ +n

67Ga+p+2n

70Ge*

66Zn+

0

200

400

600

800

10 20 30 40 50

s,

мб

ар

н

Энергия возбуждения, МэВ

0

200

400

600

800

10 20 30 40 50

s, м

ба

рн

Энергия возбуждения, МэВ

69Ge

68Ge

68Ga

67Ga

65Zn

67Ge

a)

б)Соотношение продуктов реакции определяется энергией возбуждения составного ядра и не зависит от того, из каких компонентов оно получено

5

Реакции под действием

заряженных частиц (функция

возбуждения)

E EEпор

s s

Экзотермический процесс Эндотермический процесс

r

Потен

циа

льна

я э

нер

гия

6

Реакции под действием

заряженных частиц (функция

возбуждения)

(p,n)

(p,2n) (p,3n)

(p,4n) (p,5n)

(p,6n)

(p,7n)

0 10

10

1 00

1 000

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Энергия протонов, МэВ

Се

чен

ие

, м

бар

н

7

Реакции под действием

нейтронов • Преобладающим процессом в области низких

энергий нейтронов является радиационный захват (n,γ)

• сечение растет с уменьшением энергии как 1/v (нет кулоновского барьера)

• в области 0,5 эВ – 1000 эВ, наблюдаются максимумы сечения, обусловленные резонансными эффектами

• Сечения радиационного захвата тепловых и эпитепловых нейтронов могут быть очень большими, вплоть до 104-106 барн.

• Сечения захвата быстрых (~ 1 МэВ) нейтронов часто близки к геометрическому сечению ядра

8

Реакции под действием

нейтронов

1,0E-03

1,0E-01

1,0E+01

1,0E+03

1,0E+05

1,0E-05 1,0E-03 1,0E-01 1,0E+01 1,0E+03 1,0E+05 1,0E+07 1,0E+09

Энергия нейтрона, эВ

Сечение, барн

9

Изотопные генераторы

90Sr/90Y

99Mo/99mTc

82Sr/82Ru

68Ge/68Ga

225Ac/213Bi

10

ЯДЕРНАЯ МЕДИЦИНА

• Позитронно-эмиссионная томография

(ПЭТ)

• Однофотонная гамма-томография

• Брахитерапия

• Направленная бета- и альфа-

радиотерапия

• Нейтронно-захватная терапия

11

Требования к радионуклидам для

диагностики

• Подходящее гамма-излучение (100-250 кэВ)

• Короткий период полураспада

• Минимальная доза за счет других видов

излучения, отсутствие жестких гамма-линий

• Для ПЭТ: высокий выход и низкая энергия

позитронов при распаде

• Самые популярные: 99mTc, 123I, 111In 201Tl, 18F

12

ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННАЯ

ТОМОГРАФИЯ

13

ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННАЯ

ТОМОГРАФИЯ

14

• 18F (110 min)

• 13N (10 min)

• 11C (20 min)

• 82Rb (1.27 min)

ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННАЯ

ТОМОГРАФИЯ

15

Радионуклиды для

диагностики • 99Tc

• 111In

• 123I

• 18F

16

Радионуклидная терапия

F. Buchegger, F. Perillo-Adamer, Y. M. Dupertuis, A. B. Delaloye Eur. J. Nucl. Med. 33, 2006, 1352

A. I. Kassis. Int. J. Radiat. Biol., 2004, 80, 789–803

17

НАПРАВЛЕННАЯ АЛЬФА-

ТЕРАПИЯ (212Bi)

0 20 40 60 80 100 120

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Сутки

Вы

жи

вае

мо

сть

20 мкКи

Контроль

Miao et al. Clin. Cancer Res. 2005. 11. 15. 5616-21.

18

Радионуклиды для терапии

• 90Y

• 166Ho

• 177Lu

• 213Bi

• 212Bi

• 211At

• 225Ac

19

Характеристики качества

радионуклидной продукции

• Удельная активность

• Радионуклидная чистота

• Радиоизотопная чистота

• Химическая чистота

• Радиохимическая чистота

20

Способы повышения

радиоизотопной чистоты

• Выбор оптимальной энергии частиц

• Выбор оптимального времени

облучения и охлаждения

• Использование изотопно обогащенных

мишеней

• Использование косвенных путей

производства

21

Выбор оптимальной энергии

1

10

100

1000

Сечен

ие

, м

ба

рн

0 5 10 15 20 25 30 35

Энергия протонов, МэВ

124Te(p,n) I

124

124Te(p,2n) I

123

22

Использование косвенных путей

Ru 95

Mo 93

Tc 95

Ru 94

Mo 92

Tc 94Tc 93

Ru 96

Mo 94

Tc 96

Ru 97

Mo 95

Tc 97

Ru 98

Mo 96

Tc 98

Ru 99

Mo 97

Tc 99 Tc 100 Tc 101 Tc 102 Tc 103

Ru 100

Mo 98

Ru 101

Mo 99

Ru 102

Mo 100

Ru 103 Ru 104

n

p

pnn

EC

23

Способы выделения из мишени

• Жидкостная экстракция

• Ионообменная и экстракционная

хроматография

• Осаждение и соосаждение

• Возгонка

• Использование химии горячих атомов

24

Некоторые экстрагенты

P

O O

Ni-Bu

i-Bu

P

O

O

O

O

n-Bu

n-Bu

n-Bu P

O

n-C8H17 n-C8H17

n-C8H17

n-C8H17

I II III

P

O

O

OH

O

H C3

H C3 CH3

CH3

ТБФ (TBP) ТОФО (TOPO) CMPO

Д2ЭГФК (HDEHP) 25

Механизмы жидкостной

экстракции

• Экстракция нейтральных соединений

(GeCl4, I2)

• Сольватный (Pu - TBP)

• Гидратно-сольватный (Fe - ДЭЭ)

• Ионообменный (Tc – амины, Th -

HDEHP)

• Экстракция хелатов (Bi – дитизон, Cu -

ДДТК)

26