Ускорители частиц

Ускорители частиц

1.1.1      Справочная информация

Ускорители частиц изначально были разработаны для того, чтобы придавать высокую кинетическую энергию заряженным частицам для изучения структуры материи и природы ядерных сил Кинетическая энергия ускоренных частиц может варьироваться от миллионов электрон-вольт для электронов до 1012 электрон-вольт  для протонов и тяжелых ионов.  Высокоэнергетические ускорители частиц используются в основном как исследовательский инструмент, в то время как низкоэнергетические ускорители используются в промышленности и медицине.

В ускорителе частиц, мишень обстреливается высокоэнергетическими заряженными частицами, такими как протоны  (p или H+), дейтоны (D+) или альфа частицы (He2+).  Ядерные реакции происходят между ядрами атомов материала мишени и высокоэнергетическими заряженными частицами ускорителя.  Соответствующий выбор ускоренных частиц и вещества мишени приводит к образованию новых нуклидов внутри  вещества мишени. Радионуклиды, полученные таким способом, могут быть побочным продуктом работы ускорителей частиц, или ускоритель может быть разработан специально для производства радиоизотопов (что характерно для подавляющего большинства радиоизотопов предназначенных для медицинского использования).

 
(~30 МэВ) циклотроны, в которых лучи заряженных частиц, ускоряются искривлёнными электрическими полями, и ограничиваются магнитными полями, которые придают их траектории движения вид плоской спирали, являются наиболее распространённым видом ускорителей для получения радиоизотопов медицинского применения. Пучки частиц должны быть извлечены из спирального пути и направлены на цель. Процесс их извлечения не отличается эффективностью для ускоренных протонов и дейтонов, поэтому коммерческие низкоэнергетические циклотроны используются для  ускорения отрицательных ионов водорода (H-) и дейтерия (D-) (получаемых в результате добавления дополнительного орбитального электрона к атому водорода и дейтерия).  Ускоренные отрицательные ионы далее лишаются двух электронов для получения протонов и дейтонов, которые выбрасываются за пределы спирали под воздействием магнитного поля.

30 MэВ циклотроны используются для производства радионуклидов медицинского применения.

 

Полезный пучек характеризуется:

  • Видом частиц в пучке
  • Энергией образующегося пучка (вплоть до 30 MэВ).
  • Числом частиц в секунду (эквивалентно интенсивности пучка). Интенсивность пучка обычно варьируются от 15 до 300 микроампер.  Интенсивность пучка более высокая, чем эти возможна, но тогда возникает необходимость охлаждения мишени.

Получение радионуклидов оптимизируется за счёт правильного выбора вида и энергии частиц пучка, времени облучения, вещества мишени,  толщины (плотности) мишени и угла её наклона по отношению к пучку.

На следующем рисунке показан многоцелевой циклотрон, предназначенный для медицинского применения. Обычно он располагается в или рядом с медицинским учреждением для того, чтобы сделать возможным использование изотопов с малыми периодами полураспада.  Он может использоваться как для выработки пучков частиц в терапевтических целях, так и для производства медицинских радиоизотопов.

Вид потенциально возможной ядерной реакции зависит от  нуклида мишени, вида и энергии используемых частиц.  Он не зависит от интенсивности пучка, которым определяется уровень тепловыделения в мишени.

Циклотрон производит радионуклиды, используемые в фармацевтической индустрии или для PET (Позитрон эмиссионная томография) и SPECT (Простая фотон эмиссионная компьютерная томография) визуализации (диагностики).  PET визуализация состоит в синхронном детектировании двух фотонов с энергией 511 кэВ, возникших в результате аннигиляции позитрона.  PET камеры обладают высокой чувствительностью. Они используются для наблюдения функционирования и физиологического состояния органов, таких как мозг, сердце и могут обнаружить малейшие признаки заболевания.  Большинство радиоизотопов применяемых в PET имеют очень короткий период полураспада и следовательно PET томограф должен  размещаться рядом с местом их производства. SPECT это технология визуализации, с использование радионуклидов, в которой изображения собираются из серии проекций, сделанных с различных углов вокруг органа. Радионуклиды используемые для  SPECT томографии обычно имеют больший период полураспада, чем те, которые используются в PET томографии.  Таблица 3 содержит перечень радионуклидов, используемых в PET и SPECT томографии.

Таблица 3

PET и SPECT радионуклиды

SPECT радионуклиды PET радионуклиды
Ga-67 F-18
Tl-201 O-15
I-123 N-13
  C-11

 

Ядерные реакции, используемые в циклотроне для наработки PET и SPECT радионуклидов, описаны далее.

1.1.2      Протон-нейтрон (p,n) и (p,xn) ядерные  реакции

В протон-нейтронных реакциях,  быстро двигающийся протон взаимодействует с ядром нуклида мишени и в результате излучается один или несколько нейтронов. Эта реакция обозначается как  (p,n), при излучении одного нейтрона, или (p,xn)  при излучении нескольких нейтронов. Реакции (p,n) и (p,xn), как правило, используются для получения радионуклидов медицинского назначения. В Таблице 4 приведены примеры (p,n) и (p,xn) реакций с информацией о  веществе мишени и необходимой энергии протонов и интенсивности пучка.

 

Таблица 4

Примеры радионуклидов, полученных в результате  (p,n) и (p,xn) реакций

Продукт Реакция Нуклид мишень Мишень Типичная энергия протонов Типичная интенсивность пучка
F-18 (p,n) O-18 Обогащенная вода 19 МэВ 20 mA
Ga-67 (p,2n) Zn-68 Обогащенный цинк 29 МэВ 300 mA
 

Tl-201

 

(p,3n)

 

 

Tl-203

Мишень — обогащенная Tl-203 электролитически чистая пластина Cu  

31 МэВ

 

300 mA

 

I-123

 

(p,2n)

 

 

Xe-124

 

Высокоочищенный газ — Xe-124

 

31 МэВ

 

125 mA

 

Пластина материала мишени или контейнер (для газообразных или жидких  мишеней) может быть изготовлена из таких металлов как алюминий, титан, медь или серебро. Эти материалы  также обстреливаются и могут становиться радиоактивными. Рисунок 5 демонстрирует пример вертикально расположенной мишени ускорителя, содержащей  8 газонаполненных или жидких PET мишеней.

1.1.3      Другие ядерные реакции, использующиеся в ускорителях

Существуют и другие заряженные частицы, которые могут быть использованы для получения медицинских радиоизотопов. Таблица 5 содержит некоторые примеры.

Таблица 5

Другие протонные и нейтронные ядерные реакций применяемые для получения медицинских радиоизотопов

Продукт Реакция Мишень Замечания
C-11 (p, a) N-14 Мишенью является  высокоочищенный газ N с добавками в виде трассера O. Продукт может содержать и другие изотопы углерода
F-18 (d, a) Ne-20  
O-15 (d,n) N-14  
O-15 (p,pn) O-16 (в натуральной воде) Излучаются протон и нейтрон.  Продукт может содержать N-13 как продукт (p. a) реакции и F-18 от микроколичеств O-18 в воде.

 

Облучение мишени более тяжёлыми частицами, такими как альфа частицы или ядра гелия, применяется для получения радиоизотопов, связанных с исследовательской практикой. В Таблице 6 приведены примеры альфа/нейтрон и ядро гелия/нейтрон реакций.

Таблица 6

Примеры альфа/нейтрон и ядро гелия/нейтрон реакций используемых при получении радионуклидов для медицинских целей

Продукт Реакция Мишень
K-38 (a,n) K-38
Br-77 (a,2n) As-75
At-211 (a,2n) Bi-209
Br-76 (He3,2n) As-75
Br-75 (He3,3n) As-75
Cr-48 (He3,3n) Ti-48

 

1.1.4      Расщепление

В процессе расщепления  ядра мишени обстреливается высокоэнергетическими частицами, такими как протоны, дейтоны или альфа частицы.   Ядра мишени расщепляются, Продукты расщепления собираться и обрабатываться. Этот процесс используется для получения небольших количеств радионуклидов для исследований. Например, небольших количеств Бериллия-7, Ванадия-48 и меди-67 которые могут быть получены в результате взаимодействия протонов с мишень из окиси цинка.

Наиболее распространённая ядерная реакция, используемая в ускорителях частиц для получения радионуклидов, – это протонная бомбардировка, сопровождающаяся излучением одного или более нейтронов.