Физические основы

производства радионуклидов

Р.А. Алиев,

НИИ Ядерной физики МГУ

1

Ядерные реакции

• Резерфорд, 1911: 14N+4He17O+1H

сокращенная запись 14N(α,p) 17O

• Ф. и И. Жолио-Кюри, 1934: 27Al+4He30P+n или 27Al (α,n) 30P

2

Лоуренс, 1931

3

4

Типы ядерных реакций

• Трансмутация

• Неупругое рассеяние

• Упругое рассеяние

• Термоядерные реакции

• Деление под действием нейтронов

• …

Ядерная реакция – это процесс столкновения атомного

ядра с частицей, другим ядром или взаимодействия с

квантом электромагнитного излучения.

5

Сечение ядерной реакции

Сечение – это вероятность того, что система двух

взаимодействующих частиц перейдет в результате

взаимодействия из одного состояния в другое,

«эффективная площадь» ядра

N= N0n

N0 – число частиц прошедших через единичную площадь, n –

число ядер на этой площади, N – число взаимодействий

1 барн=10-24см2

Один барн примерно соответствует площади поперечного

сечения ядра средних размеров

6

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

7

Ядерные превращения

-

n

+ ЭЗ

,3n

p,n

,n n,2n

,pn d,

,2n

p, d,n

,p n,pn

,n

,np

n, d,p

n,p

n, N

Z

,2n

Радиоактивный распад Ядерные реакции

N

Z

ЭЗ, +

-

спонтанное деление

гипотетические ядра

линия стабильности

8

Энергетика ядерных реакций • Величина Q (МэВ) – энергетический эффект

реакции: Q=-931,5∆M, если масса уменьшается,

энергия выделяется, Q>0, то есть принят знак

величины, противоположный энергии химических

реакций

• Эндотермическая реакция протекает только в том

случае, если налетающая частица имеет энергию

больше некоторой минимальной величины,

называемой порогом реакции. Порог несколько

больше величины Q

2

21

M

MMQEtr

9

Механизм реакции

1 i 2

10

Механизм реакции

• при низких и средних энергиях налетающих частиц (< 100 МэВ) через образование составного ядра

• Время жизни составного ядра оценивается в 10-14 с, >>, чем время, нужное нуклону, чтобы пройти расстояние, равное диаметру ядра (10-20- 10-23 с)

• реакции, идущие через образование составного ядра, можно подразделить на резонансные и нерезонансные

• С ростом энергии возбуждения составного ядра энергетические уровни сливаются и квантовые эффекты не проявляются

• Захват нейтронов низких энергий (эпитепловых) носит выраженный резонансный характер

• Захвату ядрами медленных положительно заряженных частиц препятствует кулоновский барьер

11

Резонансные процессы 10B+α→[14N]*→13C+p

0

1

2

3

1000 2000 3000 4000 5000 6000

d

/dW

,м

бар

н/с

тер

ад

иан

12,5 13,0 13,5 14,0 14,514,5 15,0 15,5

E ( N), exc

14МэВ

E ( ), kin кэВ

1,51

2,19

2,30

3,02

4,40

4,67

0

11,61

12,69

13,16

13,24

13,76

14,7214,91

7,55

p0

p1p2

p3

p

p

p

14N

10B+

13C+p

12

Нерезонансные процессы

• Испарительная модель: энергия, переданная

ядру, успевает перераспределиться между

нуклонами, и если энергия какого-либо

нуклона превысит энергию связи, он покидает

ядро

• Если ядро по-прежнему имеет избыток

энергии, вылетает вторая частица и т.д.

• Остаточная энергия возбуждения излучается

в виде γ-кванта

13

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

,

мб

ар

н

Энергия возбуждения, МэВ

0

200

400

600

800

10 20 30 40 50

, 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

14

Реакции под действием

заряженных частиц (функция

возбуждения)

E EEпор

Экзотермический процесс Эндотермический процесс

r

Потен

циа

льна

я э

нер

гия

15

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

16

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

17

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

18

Изотопные генераторы

90Sr/90Y

99Mo/99mTc

82Sr/82Ru

68Ge/68Ga

225Ac/213Bi

19

ЯДЕРНАЯ МЕДИЦИНА

• Позитронно-эмиссионная томография

(ПЭТ)

• Однофотонная гамма-томография

• Брахитерапия

• Направленная бета- и альфа-

радиотерапия

• Нейтронно-захватная терапия

20

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

21

ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННАЯ

ТОМОГРАФИЯ

22

ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННАЯ

ТОМОГРАФИЯ

23

• 18F (110 min)

• 13N (10 min)

• 11C (20 min)

• 82Rb (1.27 min)

ПОЗИТРОННО-ЭМИССИОННАЯ

ТОМОГРАФИЯ

24

Радионуклиды для

диагностики • 99Tc

• 111In

• 123I

• 18F

25

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

26

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.

27

Радионуклиды для терапии

• 90Y

• 166Ho

• 177Lu

• 213Bi

• 212Bi

• 211At

• 225Ac

28