放射性核素的制备.ppt

第二章放射性核素的制备 2020 3 7 核技术应用 2 主要内容 放射性核素的来源反应堆生产放射性核素加速器生产放射性核素放射性核素发生器 2020 3 7 核技术应用 3 引言 核技术应用的基础是射线与物质的相互作用 这些射线可由反应堆 加速器直接提供 也可由放射性同位素衰变获得 本章中将主要介绍人工放射性核素的制备方法 产量大 品种数量多 生产成本相对低 生产能力低 但品种多 所生产的核素多为无载体 比活度高 目前放射性核素生产最主要的方式之一 2020 3 7 核技术应用 4 2 1放射性核素的来源 分类 天然放射性核素 人工放射性核素 从自然界存在的矿石中提取 通过人工干预的核反应制备 核反应堆生产 加速器生产和核素发生器 2020 3 7 核技术应用 5 2 1 1天然放射性核素 天然放射性核素 原生放射性核素 宇生放射性核素 原始存在于自然界中 宇宙射线与大气和地表中的物质相互作用生成 2020 3 7 核技术应用 6 原生放射性核素 由三个天然放射性衰变系组成 即钍系 232Th或4n系 铀系 238U系或4n 2系 锕系 235U系或4n 3系 共同特点起始都是长寿命元素 寿命大于或接近地球 中间产物都有放射性气体氡 并有放射性淀质生成 最后都生成稳定的核数 2020 3 7 核技术应用 7 钍系 4n系 铀系 4n 2系 4n表示系中各核素的质量数为4的倍数其起始元素是通过一系列 衰变最后生成208Pb 稳定 表示系中各核素的质量数为4的倍数 2其起始元素是通过一系列 衰变最后生成206Pb 稳定 2020 3 7 核技术应用 8 锕系 4n 3系 表示衰变系中各核素的质量数为4的倍数 3其起始元素是235U通过一系列 衰变最后生成207Pb 稳定 镎系 4n 1系 表示衰变系中各核素的质量数为4的倍数 1其起始元素是237Np通过一系列 衰变最后生成209Bi 稳定 此系非天然放射性 在40年代 已通过各种核反应方法合成了这一放射系的所有成员 其衰变子体中无放射性气体氡 Rn 2020 3 7 核技术应用 9 宇生放射性核素 表2 1宇生核素示例 除上述原生放射性核素外 自然界中一些放射性核素如3H 7Be 14C和22Na 它们是宇宙射线与空气中的N O Li等作用在大气层中生成的 2020 3 7 核技术应用 10 2 1 2人工放射性核素 1934年 法国科学家约里奥 居里夫妇用 粒子轰击铝发生核反应获得了第一个人工放射性核素 之后 人们通过反应堆 加速器等制备了大量的各种人工放射性核素 目前 已发现的放射性核素有2000多种 其中人工放射性核素就超过1600种 2020 3 7 核技术应用 11 人工放射性核素主要是通过中子和带电粒子如质子 氘核等轰击天然稳定核素或235U等易裂变材料使其产生核反应来制备的 分类 中子核反应带电粒子核反应光核反应重粒子核反应 低能核反应 E1000MeV 2020 3 7 核技术应用 12 反应堆制备 作为人工放射性核素生产的重要设施之一 反应堆可提供不同能谱的中子和较大的辐照空间 具有可同时辐照多种样品 辐照的样品量大 靶子制备容易 辐照操作简便 成本低廉等优点 此外 从反应堆运行过程中核燃料因发生裂变核反应生成的产物中也可提取大量的放射性核素 核反应堆生产放射性核素已成为放射性核素的主要来源 2020 3 7 核技术应用 13 加速器制备 用加速带电粒子轰击各种靶子物 能引起不同的核反应 生成多种反应堆所不能提供的放射性核素如18F 201Tl等 这也是人工放射性核素最重要的来源之一 加速器能生产的放射性核素品种较多 约占目前已知放射性核素总数的60 以上 但它的产量远比反应堆生产的小 2020 3 7 核技术应用 14 核素发生器制备 将反应堆和加速器生产的某些放射性核素制成放射性核素发生器 可为远离反应堆和加速器的地方提供短寿命放射性核素 所谓放射性核素发生器就是一种可从较长半衰期的母体核素中不断分离出短半衰期子体核素的一种装置 由于放射性子体核素伴随母体核素的衰变而不断累积 可每隔一定时间从母体核素中方便地分离出来并加以收集 2020 3 7 核技术应用 15 2 2反应堆生产放射性核素 核反应堆上制备放射性核素的方法主要有两种 1 通过反应堆产生的中子流照射靶子物 直接生产或通过简单处理生产放射性核素 即 n 法 2 从辐照后的235U等易裂变材料产生的裂变产物中分离 即 n f 法 2020 3 7 核技术应用 16 2 2 1中子核反应及其特点 中子不带电 当它与原子核作用时 由于不存在库仑势垒 因此不同能量的中子均能引发核反应 最主要的核反应类型有 n n p n n f n 2n 以及多次中子俘获 2020 3 7 核技术应用 17 1 n 反应 n 是生产放射性核素最重要 最常用的核反应 利用 n 反应可在反应堆上生产大多数元素的放射性核素 通过 n 反应直接生成所需要的放射性核素例如59Co n 60Co 191Ir n 192Ir 31P n 32P等 由于 n 反应直接生成的放射性核素均为靶元素的同位素 不能通过化学方法将目标核素与其靶子元素进行分离 因此 所制备的放射性核素一般都是有载体的 2020 3 7 核技术应用 18 通过 n 反应 再经核衰变生成所需要的放射性核素 由于靶子元素与目标核素不是同一种元素 因此可通过物理或化学方法将靶子元素与目标核素进行分离 获得比活度 放射化学纯度及放射性核素纯度都很高的无载体的目标核素 2020 3 7 核技术应用 19 2 n f 反应 235U等易裂变核素俘获中子发生 n f 反应 生成数百种裂变元素 因此裂变产物的组成相当复杂 以235U为例 它在热中子引起裂变的产物中包括36种元素的160多种核素 A 72 161 通过化学分离的办法可从这些裂变产物中提取在国防工业和国民经济中有重要应用价值的放射性核素 如90Sr 95Zr 99Mo 131I 137Cs 144Ce等 2020 3 7 核技术应用 20 3 n p 反应 4 n 反应 n p 反应要求中子有较高能量 一般由快中子诱发 由于核内势垒随原子序数的增大而增高 因此 n p 反应适于制备原子序数较低的放射性核素 如14C 32P 58Co等 与 n 反应加 衰变以及 n p 反应一样 利用 n 反应也可以生产无载体放射性核素 用富集的6Li生产氚就是采用了该核反应方式 即6Li n 3H 2020 3 7 核技术应用 21 2 2 2反应堆辐照法生产放射性核素 反应堆辐照法生产的放射性核素 其产量与产品质量不仅受反应堆所能提供的辐照条件与能力影响 而且与核反应的选择 靶子的制备 提取工艺等因素有关 此外 还必须注意靶件在堆内辐照时的安全性 2020 3 7 核技术应用 22 1 放射性核素生产要求反应堆提供的条件 一般5 1013cm 2 s 1以上 特殊要求在1 1015cm 2 s 1以上 多达数十个的辐照孔道 依据生产放射性核素半衰期的长短设置不同的运行方式 干孔道采用空气冷却靶件 湿孔道采用纯净水冷却靶件 2020 3 7 核技术应用 23 2 靶件的制备 1 靶子物的选择与处理 A选择适合的靶子物化学形态 B尽可能采用高丰度的靶子元素作为靶子物 靶子元素含量尽量高 靶子元素的化学纯度要高 靶子物辐照后易于处理并转化为所需的化学形态 堆内辐照时靶件的稳定性 化学稳定性 热稳定性 辐照稳定性 好 如采用天然或低丰度的靶子元素作靶 某些核素要发生两次中子俘获才能生产 2020 3 7 核技术应用 24 2 靶子物的结构设计及制备 靶件的结构设计包括靶筒结构设计 靶芯的结构 靶子物的形态 及其在靶筒内的分布方式设计 靶件需要根据反应堆所能提供的辐照孔道的参数 孔道尺寸 中子类型及中子注量率分布 靶件装量及发热量 靶件辐照管道冷却方式以及靶件出入堆的抓取工具等条件设计 以保证辐照时靶件及反应堆的安全 制备辐照靶件时还要考虑靶子物装载量 内外包装形式等 2020 3 7 核技术应用 25 3 辐照靶件的焊封 辐照靶件必须具有良好的密封性 以保证同位素靶件在反应堆辐照过程中不发生放射性物质泄漏 4 辐照靶件的质量控制 靶件需要经过靶件密封性检测 表面污染等检测合格后才能入堆辐照 可采用的办法有工业CT 中子照相技术 谱仪测量等进行无损检测 2020 3 7 核技术应用 26 3 靶件的辐照 选择合适的辐照条件和保证辐照过程的安全是至关重要的 靶件的辐照应注意以下几点 A选择适合的核反应及中子能谱 适合在反应堆上生产放射性核素 一般其原子序数要求在20以上 对于原子序数位于20和35之间的放射性核素的生产 可以选用能量高的快中子 当原子序数大于36时 通常选用 n 反应生产放射性核素 2020 3 7 核技术应用 27 B尽可能高的中子注量率 C适合的辐照时间 反应堆生产放射性核素的产额与中子注量率成正比 因此 应采用尽可能高的中子注量率 以提高目标核素的产额 某一同位素生产靶件的最佳辐照时间可以根据靶件的辐照产额公式来计算 2020 3 7 核技术应用 28 产额的计算 假设稳定核素S被入射粒子轰击生成放射性核素A 核素A仅以衰变方式减少并且生成稳定核素B 例 在照射时间内 核素A的产率与入射粒子注量率 cm 2 s 1 热中子俘获截面 s b 1b 10 24cm2 和靶核数Ns成正比 即核素A的生产率为 sNs 同进它又随着 ANA的衰变速率而减少 2020 3 7 核技术应用 29 因此 核素A的净增长率为 式中NA为照射时间t后核素A的原子数 初始条件t 0时 NA 0 则上述微分的方程的解为 其放射性活度为 2020 3 7 核技术应用 30 4 辐照靶件的处理 辐照后的靶件处理包括目标放射性物理处理 化学处理及其进一步加工成各种放射性制品 辐照后的靶件一般都需要经过化学处理 目标核素的分离与纯化 后才能制成满足用户需要的放射性核素制品 化学处理方法有溶剂萃取法 沉淀法 离子交换法 蒸 干 馏 电化学法 热原子反冲法等 2020 3 7 核技术应用 31 5 放射性核素产品的质量 放射性核素的产品质量是通过物理检验 化学检验以及生物检验等质量检验方法予以保证的 其产品质量指标包括 放射性活度 放射性纯度 放射化学纯度 化学纯度 载体含量及医用制剂的无菌 无热源检测等 2020 3 7 核技术应用 32 6 某些重要核素的生产工艺 表2 2反应堆生产的一些重要放射性核素 2020 3 7 核技术应用 33 98Mo n 99Mo 124Xe n 125Xe 130Te n 131Te 2020 3 7 核技术应用 34 1 131I干法生产工艺 A一种是 n f 法 即235U n f 131I 从辐照后的235U靶件中分离裂变产物131I 但提取率较低 并且从大量的裂变产物中提取裂变131I会另外产生大量的放射性废物 B另一种是 n 法 即以单质碲或碲的各种化合物为原料 入堆辐照后 碲经过130Te n 131Te和 衰变生成131I 再将131I从靶材料中分离出来 生产方式 2020 3 7 核技术应用 35 过滤器 B 流量计 C 压力计 D 蒸发炉 E 纯化炉 F 吸收柱 G 阀 活性碳柱 I 活性碳测量柱 J 真空泵图2 5131I干法生产系统示意图 干法生产装置主要包括加热蒸馏 碱液吸收 废气处理三部分组成 干法生产装置 2020 3 7 核技术应用 36 加热蒸馏装置由管式加热电炉 带温度控制仪 纯化加热炉 石英舟皿 石英加热管组成 碱液吸收装置由两级碱液吸收柱组成 第一级吸收柱容积50mL 第二级吸收柱容积250mL 废气处理装置废物处理装置由三级强碱液洗涤塔组成 每级洗涤塔容积1000mL 碱液浓度为5 0mol L 1NaOH 除此之外 操作的工作箱或热室需配置除碘过滤器 2020 3 7 核技术应用 37 2 125I循环回路间歇式生产工艺 生产方式 A是将124Xe封装在不锈钢筒内制成内靶 然后置于高纯铝筒内做成辐照靶件入堆辐照 B是间歇循环回路法 采用这种方法生产125I 不需要制备124Xe气体靶 并且 该生产办法相对简单 得到的125I纯度高 生产能力也较前一种办法高 2020 3 7 核技术应用 38 间歇循环回路法生产125I的工艺流程 2020 3 7 核技术应用 39 2 2 3从裂变产物中提取放射性核素 1 裂变核反应 图2 7中子引发的铀核裂变示意图 2020 3 7 核技术应用 40 2 裂变产物的组成其质量分布 裂变产物的组成是随时间变化的 当一个可裂变物质的靶在反应堆内照射了T时间并冷却t时间后 裂片核素i的放射性Ai可用下式来表示 式中N 可裂变物质的原子核数 I 中子能量 裂变截面 Yi 核素i的裂变产额 i 核素i的衰变常数 在N I 不变的情况下 裂变产物的放射性与裂变产额Yi有关 并随着T t而变化 2020 3 7 核技术应用 41 图2 8不同能量的中子诱发235U裂变的质量 产额图 裂变产额是指是指裂变产物的某一种核素或某一质量链在重核裂变过程中产生的几率 它通常用每100次核裂变产生的裂变产物原子数来表示 2020 3 7 核技术应用 42 3 裂变产物分离 离子交换分离 溶剂萃取分离 萃取色层分离 沉淀分离法 其它方法 选择性好 回收率高 易于实现自动化操作 易于放射性屏蔽 简便 快速 选择性高 易于连续操作和远距离控制 对于性质相似的元素的分离更能显示其优越性 操作繁杂 程序冗长 回收率和去污率较低 超临界流体萃取法和采用离子液体为萃取介质的方法 2020 3 7 核技术应用 43 B长寿命裂片元素及超铀元素的分离 目前 长寿命裂片核素及超铀核素主要从核动力堆卸出的乏燃料中提取 乏燃料的后处理主要目的是回收235U 并提取军用核素239Pu 在235U 239Pu提取回收后 其它的裂变产物和超铀元素全部转入废液中 2020 3 7 核技术应用 44 C中短寿命裂片元素的分离 裂变99Mo的提取 235U裂变生成99Mo产额为6 06 可以从235U的裂变产物中大量提取99Mo 裂变99Mo的提取一般采用Al2O3色层分离 HDEHP溶剂萃取或萃取色层分离 安息香肟沉淀分离法等 下面以日本开展的裂变99Mo生产为例介绍裂变裂变99Mo生产技术 2020 3 7 核技术应用 45 a235U靶件的制备 图2 9235U靶件结构图 2020 3 7 核技术应用 46 b235U靶件的辐照及冷却 辐照条件 中子注率量2 1013cm 2 s 1 3 1013cm 2 s 1 辐照4d 7d 冷却时间 2d 冷却2d后 一个靶件将产生2 81 1012Bq99Mo 4 1 1012Bq131I 2 59 1012Bq133Xe等裂片元素 2020 3 7 核技术应用 47 c辐照后235U靶件的处理 靶件用10mol L 1的硝酸溶解 在靶件溶解时131I和133Xe等放射性气体释放出来 经碱液吸收塔吸收131I后 含133Xe的放射性气体经过液氮冷却的分子筛 以捕集133Xe 溶解完全后 加入碘的载体以进一步除去放射性131I 向反萃液加入NaNO2以除去溶液中的H2O2 并通过蒸馏办法减小反萃液体积 经处理后的反萃液加入氧化铝色谱柱 99Mo被氧化铝所吸附 然后用0 1mol L 1的稀硝酸和水洗涤色谱柱 再用0 1mol L 1的氨水将99Mo洗提出来 即为产品 2020 3 7 核技术应用 48 2020 3 7 核技术应用 49 表2 3裂变99Mo中放射性杂质含量 注 辐照时间7d 测量时间为辐照之后7d 2020 3 7 核技术应用 50 裂变131I的提取 裂变131I是裂变法生产99Mo时的副产物之一 由于裂变131I的产额为3 1 因此可以从裂变产物中大规模生产131I 裂变同位素生产过程中 在切割和酸性溶解时都有131I逸出 采用负压方式可将其收集 不管采用何种方式溶靶 留在溶液中的131I一般都采用先酸化 后蒸馏或热气载带等措施使其分离出来 2020 3 7 核技术应用 51 图2 12IRE裂变同位素99Mo 131I 133Xe分离流程图 2020 3 7 核技术应用 52 图2 13纯化流程图 2020 3 7 核技术应用 53 第三讲 2020 3 7 核技术应用 54 2 3加速器生产放射性核素 用加速器产生的高速带电粒子轰击含有选定的稳定核素的靶 可制备很多品种的放射性核素 这些放射性核素大多数因核内中子贫乏而以正电子或低能 射形式衰变 半衰期一般较短 比活度高 并且可以得到无载体放射性核素 尽管它的生产能力较低 但由于它在工业 农业 尤其是生物医学方面具有特殊的用途 其用量不断增加 现已成为放射性核素生产不可缺少的手段 2020 3 7 核技术应用 55 2 3 1加速器生产反射性核素的发展简史 自1934年人工放射性核素发现后 回旋加速器就用于放射性核素的制备 使人工放射性核素在短短三年内就从3个增加到197个 从20世纪60年代初到现在 世界上用于生产放射性核素的加速器从不到5台猛增到数百台 并且新增加的核医学诊断用核素中80 是用加速器生产的 近年来 医学诊断用贫中子放射性核素的消费量逐渐增大 有些核素的作用出现了逐渐取代部分反应堆生产的放射性核素的趋势 2020 3 7 核技术应用 56 2 3 2加速器的组成及分类 加速器主要由三个部分组成 离子源用于提供所需加速的电子 正电子 质子 反质子以及重离子等粒子 真空加速系统该系统中有一定形态的加速电场 为了使粒子在不受空气分子散射的条件下加速 整个系统放在真空度极高的真空室内 导引 聚焦系统用一定形态的电磁场来引导并约束被加速的粒子束 使之沿预定轨道接受电场的加速 衡量一个加速器的性能的指标有两个 一是粒子所能达到的能量 二是粒子流的强度 流强 加速器按其作用原理不同可分为静电加速器 直线加速器 回旋加速器 电子感应加速器 同步回旋加速器 对撞机等 2020 3 7 核技术应用 57 1 高压倍加加速器 这是最早使用过的用来加速粒子的高压装置 它利用倍压速流的原理制成的 虽然加速后粒子的能量不高 一般在1MeV左右 但用它得到的高速粒子数量大 束流强 因此至今仍有实验室使用它来加速粒子 2020 3 7 核技术应用 58 2 静电加速器 图2 19范得格拉夫静电加速器示意图 静电加速器是利用静电高压加速带电粒子的装置 它可用以加速电子或质子 通过输电带将喷电针电晕放电的电荷输送到一个绝缘的空心金属电极内 使之充电至高电压以加速带电粒子 2020 3 7 核技术应用 59 3 回旋加速器 图2 20回旋加速器示意图 回旋加速器是利用磁场使带电粒子作回旋运动 在运动中经高频电场反复加速的装置 2020 3 7 核技术应用 60 2020 3 7 核技术应用 61 4 直线加速器 图2 21粒子加速器实物图 直线加速器是利用沿直线轨道分布的高频电场加速电子 质子和重离子的装置 2020 3 7 核技术应用 62 LinacCoherentLightSource 2020 3 7 核技术应用 63 2 3 3加速器生产放射性核素的特点 带电粒子核反应的库仑势垒高 适于制备轻元素的放射性核素如11C 13N 15O和18F等 加速器生产核素时 入射粒子是带电粒子 所生成的放射性核素都是贫中子的核素 加速器生产的放射性核素 一般与靶核不是同一元素 故易于用化学分离 制得高比活度或无载体的放射性核素 加速器生产放射性核素也有一些缺点 如大部分核素的生产能力要比反应堆生产小得多 生产成本高 制备靶及靶子冷却技术难度大 较短的半衰期使它的使用范围 时间 空间 受到限制 2020 3 7 核技术应用 64 2 3 4加速器生产放射性核素的核反应类型 加速器生产放射性核素中发生的主要核反应有 采用 粒子引发的核反应 氘核引发核反应 质子核反应 3He引起的核反应等 采用 粒子引发的核反应有 n p 2n 等 氘核反应有 d n d 2n d 反应 质子引发的 p n 反应是加速器生产放射性核素的主要核反应 3He引起的核反应有 3He n 3He 2n 3He p 等 2020 3 7 核技术应用 65 2 3 5加速器生产放射性核素 加速器参数 核反应产额 产品核纯度 带电粒子束必须具有足够的能量 带电粒子束必须具有足够的粒子流量 入射粒子静止质量越小 能量越大 靶核原子序数越小 则产额越大 发生核反应时 可能同时会发生竞争反应 从而导致产品纯度不高 因此需要选择合适的核反应及入射粒子能量 2020 3 7 核技术应用 66 固体靶 液体靶和气体靶 内靶方式是将靶件放在加速器的真空室内照射 其生产效率高 但操作复杂 外靶方式是将粒子束引出真空室 在真空室外面照射靶件 有专门的靶材料液体 气体进出管道 合适的厚度 耐高温 导热性能好 热稳定性好 熔点高 2020 3 7 核技术应用 67 C辐照产额计算 带电粒子引起核反应的反应截面 强烈地依赖于轰击粒子的能量 这种核反应截面随入射粒子通量变化的函数关系 称激发函数 已知激发函数后 厚靶 辐照时所期望获得的放射性核素总放射性量A可表示如下 当辐照时间显著小于 至少5倍 同位素的半衰期时 上式可近似表示如下 2020 3 7 核技术应用 68 D辐照靶件的处理 粒子束轰击后的靶件经各种物理 化学方法处理后 可得到无载体的放射性核素 固体靶 1 易挥发物质 干法蒸馏技术进行分离提取 固体靶还可反复使用 2 难挥发物质 溶解 萃取 层析或共沉淀等 靶件一次性使用 液体靶和气体靶 相对要简单些 2020 3 7 核技术应用 69 2 3 6加速器生产放射性核素的应用 工业上 57Co 22Na 109Cd作为穆斯堡尔效应 正电子湮没技术 X射线荧光分析用的放射源 在农业和环境保护中 47K 74As 203Pb示踪原子 在医学上的应用 柠檬酸67Ga用于肿瘤诊断 123I标记的碘化钠用于诊断甲状腺 2020 3 7 核技术应用 70 2 3 7加速器生产放射性核素123I 1 直接法制备 直接法制备123I需要中 低能加速器 用质子或氘在富集Te同位素上引发核反应 Te靶制备中使用高丰度的Te同位素如124Te 123Te和122Te的氧化物 通过加热将这些氧化物熔融在Pt 铂 盘内形成辐照靶 照射后的靶需要经过化学方法分离出123I 123I的化学分离方法多用干法蒸馏法 其具有操作简单 蒸馏时间短 几分钟 回收率高 接近100 放射性废物量小等优点 2020 3 7 核技术应用 71 2 间接法制备 国际上主要发展的间接法有 127I p 5n 123Xe 123I 124Xe p x 123I和124Xe n 123Xe 123I 间接法生产123I需要使用中 高能回旋加速器或电子加速器 主要杂质为半衰期60d的125I 20世纪80年代 出现了采用高富集度的124Xe通过124Xe p x 123I反应生产123I的方法 也有用高富集度124Xe 电子加速器 通过124Xe n 123Xe核反应也可制备123I 2020 3 7 核技术应用 72 2 4放射性核素发生器 放射性核素发生器是人工放射性核素获得的另一种方式 它通过简单的操作 能定期从长寿命的母体核素中分离出短寿命子体核素 为短寿命子体核素的应用 特别是在那些远离反应堆和不具备加速器的地方应用提供了有利条件 目前放射性核素发生器应用最多的还是核医学 它所使用的母体核素也是通过反应堆或加速器生产的 2020 3 7 核技术应用 73 2 4 1放射性核素发生器基本原理 放射性核素发生器 是利用母体与子体核素的半衰期和它们的物理 化学等性质上差异 采用各种物理 化学手段将不断生成的子体核素从母体核素中分离出来的装置 2020 3 7 核技术应用 74 实用的放射性核素发生器中 子体核素的半衰期短 而母体核素的半衰期相对较长 放射性核素发生器以其母子体核素或直接以子体核素来命名 例如母体为99Mo 子体为99mTc的装置就叫99Mo 99mTc发生器或99mTc发生器 2020 3 7 核技术应用 75 1 放射性母体 子体的相互关系 假设 t 0时 只有母体核数 N1 0 在t时刻 剩下的母体核数为 母体核素衰变只产生单一子体放射性核素时 对于子体核素有 2020 3 7 核技术应用 76 任何时刻t 子体核素的活度为 对于母体核素A衰变时产生多子体核素的情况 由于母体核素衰变成某一子体核素B的衰变分支比是一定的 因此 子体核素的活度为 图2 22母子体核素活度 时间曲线A 母体核素 B 子体核素 C 总活度 2020 3 7 核技术应用 77 2 瞬间平衡与长期平衡 由于发生器中母体核素的寿命一般都比子体核素的寿命长 即由单一子体核素活度公式在时 有 像这样一个恒定的活度比值的情况称之为瞬时平衡 在瞬时平衡情况下 子体活度减少的速率与母体活度减少的速率相同 当且t足够大时 有或 此时 母子体核素活度几乎相等 这种平衡称为长期平衡 2020 3 7 核技术应用 78 2 4 2放射性核素发生器的类型 根据母子体核素的分离方式 放射性核素发生器的类型主要有色谱型发生器 升华型发生器 萃取型发生器 由于色谱型发生器具有结构紧凑 淋洗操作简单 易防护等优点 已经成为目前最常用的一种放射性核素发生器 2020 3 7 核技术应用 79 2 4 3制备放射性核素发生器的要求 1 母体核素的选择 在选择母体核素时 通常需要考虑子体核素的用途及核性质 射线类型 能量 半衰期等 母体核素的半衰期 母子体核素的分离 母体核素的生产能力等几个方面来考虑 母体核素主要通过三种途径获得 核反应堆辐照 回旋加速器辐照 从核裂变产物中提取 2020 3 7 核技术应用 80 2 发生器结构设计 放射性核素发生器的结构 随母体和子体核素分离方法 发生器规格的不同而不同 分离方法是根据有利于母子体核素的分离和对子体核素纯度等的要求来选择的 通常采用的分离方法有离子色谱法 溶剂萃取法和升华法等 其中最常用的是离子色谱法 2020 3 7 核技术应用 81 2 4 4医用放射性核素发生器应具备的条件 子体核素有适当长短的半衰期 合适的辐射类型和能量 子体核素应具有良好的药物学性质 放射性核素发生器的母体核素容易大量生产 另外 要求母体核素的半衰期应尽可能的长 使发生器具有较长的使用期 母 子体核素容易分离 2020 3 7 核技术应用 82 2 4 5主要放射性核素发生器的制备 自从1957年99mTc问世以来 99Mo 99mTc发生器 99Mo 99mTcGenerator 的临床应用极大地促进了核医学影像的发展 1 99Mo 99mTc发生器 99Mo 99mTc发生器中母体核素99Mo主要有两种获得方式 235U n f 99Mo和98Mo n 99Mo法 由于采用裂变99Mo生产的色谱发生器具有发生器制作简单 淋洗方便 易防护 容易达到无菌 无热源的要求等优点 非常适于临床应用 已经成为目前最主要的一种发生器类型 2020 3 7 核技术应用 83 A裂变型99Mo 99mTc发生器 图2 2399Mo 99mTc发生器结构及外观 母体核素99Mo以99MoO42 的形式吸附在Al2O3柱上 然后用0 9 NaCl等洗脱液将高价 7 的99mTc以99mTcO4 的形式洗脱下来 而母体仍留在发生器内 2020 3 7 核技术应用 84 图2 24裂变99Mo 99mTc发生器制备工艺流程及环境区域划分示意图 1 裂变型99Mo 99mTc发生器制备工艺流程及环境区域划分 2020 3 7 核技术应用 85 2 裂变型99Mo 99mTc发生器的主要制备工序 柱填料的预处理 柱填料装柱 裂变99Mo料液上柱及预淋洗 柱填料主要为三氧化二铝 装柱后 采用低酸度的HCl溶液对柱填料进行洗涤 以尽可能除去非常细小的三氧化二铝 采用湿法装柱 由于酸性条件下氧化铝表面带正电荷 它能吸附呈负电的钼酸根 所以装柱时酸度控制在pH 2 3左右 采用加压或负压方式将一定量的裂变99Mo加入色谱柱内 然后用0 9 的生理盐水预淋洗 检验发生器管路是否通畅 2020 3 7 核技术应用 86 3 发生器质量控制条件 淋洗液性状无色透明液体 淋洗效率 淋洗曲线 核纯 放化纯 发生器放射性活度 淋出液酸度要求淋洗液pH4 0 pH7 0 铝含量要求铝含量 10 g mL 1 细菌内毒素等生物指标内毒素含量 2 0EU mL 1 2020 3 7 核技术应用 87 B凝胶型99Mo 99mTc发生器 由于235U靶件制备及裂变99Mo提取工艺复杂 设备投入巨大 并需要处理大量强放射性