放射性核素的制備

1、2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用1第二章第二章 放射性核素的制備放射性核素的制備2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用2主要內(nèi)容主要內(nèi)容放射性核素的來源放射性核素的來源反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性核素反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性核素加速器生產(chǎn)放射性核素加速器生產(chǎn)放射性核素放射性核素發(fā)生器放射性核素發(fā)生器2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用3引引 言言 核技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)是射線與物質(zhì)的相互作用，這些射線可由反應(yīng)核技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)是射線與物質(zhì)的相互作用，這些射線可由反應(yīng)堆、加速器直接提供，也可由放射性同位素衰變獲得。堆、加速器直接提供，也可由放射性同位素衰變獲得。 反應(yīng)堆制備反應(yīng)堆制備 加速器生產(chǎn)加速器生產(chǎn) 本章中將主要介紹人工放射性核素的制備方

2、法。本章中將主要介紹人工放射性核素的制備方法。產(chǎn)量大、品種數(shù)量多、生產(chǎn)成本相對(duì)低產(chǎn)量大、品種數(shù)量多、生產(chǎn)成本相對(duì)低 生產(chǎn)能力低，但品種多、所生產(chǎn)的核素多生產(chǎn)能力低，但品種多、所生產(chǎn)的核素多為無載體、比活度高。為無載體、比活度高。目前放射性核素生產(chǎn)最主要的方式之一目前放射性核素生產(chǎn)最主要的方式之一 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用42.1 放射性核素的來源放射性核素的來源分分 類類天然放射性核素天然放射性核素人工放射性核素人工放射性核素從自然界存在的礦石中提取從自然界存在的礦石中提取 通過人工干預(yù)的核反應(yīng)制備通過人工干預(yù)的核反應(yīng)制備 核反應(yīng)堆生產(chǎn)、加速器生產(chǎn)和核素發(fā)生器核反應(yīng)堆生產(chǎn)、加速器生產(chǎn)和核素

3、發(fā)生器 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用52.1.1 天然放射性核素天然放射性核素天然放射性核素天然放射性核素原生放射性核素原生放射性核素 宇生放射性核素宇生放射性核素 原始存在于自然界中原始存在于自然界中 宇宙射線與大氣和地表中的宇宙射線與大氣和地表中的物質(zhì)相互作用生成物質(zhì)相互作用生成 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用6原生放射性核素原生放射性核素 由三個(gè)天然放射性衰變系組成，即釷系由三個(gè)天然放射性衰變系組成，即釷系( (232Th或或4n系系) )，鈾系（鈾系（238U系或系或4n+2系），錒系（系），錒系（235U系或系或4n+3系系) )共同特點(diǎn)共同特點(diǎn) 起始都是長(zhǎng)壽命元素，壽命大于或接近地球

4、。起始都是長(zhǎng)壽命元素，壽命大于或接近地球。 中間產(chǎn)物都有放射性氣體氡。并有放射性淀質(zhì)生成。中間產(chǎn)物都有放射性氣體氡。并有放射性淀質(zhì)生成。 最后都生成穩(wěn)定的核數(shù)。最后都生成穩(wěn)定的核數(shù)。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用7 釷系釷系4n系系 鈾系鈾系4n+2系系 4n4n表示系中各核素的質(zhì)量數(shù)為表示系中各核素的質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)的倍數(shù) 其起始元素是其起始元素是 通過一系列通過一系列衰變最后生成衰變最后生成208Pb( (穩(wěn)定穩(wěn)定) )Th23290 表示系中各核素的質(zhì)量數(shù)為表示系中各核素的質(zhì)量數(shù)為4的倍數(shù)的倍數(shù)+2+2 其起始元素是其起始元素是 通過一系列通過一系列衰變最后生成衰變最后生成206Pb(穩(wěn)定

5、穩(wěn)定) )U238922022-5-12核技術(shù)應(yīng)用8錒系錒系4n+3系系表示衰變系中各核素的質(zhì)量數(shù)為表示衰變系中各核素的質(zhì)量數(shù)為4 4的倍數(shù)的倍數(shù)+3+3其起始元素是其起始元素是235U通過一系列通過一系列衰變最后生成衰變最后生成207Pb( (穩(wěn)定穩(wěn)定) )镎系镎系4n+1系系表示衰變系中各核素的質(zhì)量數(shù)為表示衰變系中各核素的質(zhì)量數(shù)為4 4的倍數(shù)的倍數(shù)+1+1其起始元素是其起始元素是237Np通過一系列通過一系列衰變最后生成衰變最后生成209Bi( (穩(wěn)定穩(wěn)定) )此系非天然放射性，在此系非天然放射性，在4040年代，已通過各種核反應(yīng)方法合成了這一放年代，已通過各種核反應(yīng)方法合成了這一放射系的

6、所有成員。其衰變子體中無放射性氣體氡（射系的所有成員。其衰變子體中無放射性氣體氡（Rn）2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用9宇生放射性核素宇生放射性核素 表表2-1 宇生核素示例宇生核素示例 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和和22Na，它們是宇宙射線與空氣中的，它們是宇宙射線與空氣中的N、O、Li等作用在大氣層中生成的。等作用在大氣層中生成的。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用102.1.2 人工放射性核素人工放射性核素 1934年，法國(guó)科學(xué)家約里奧年，法國(guó)科學(xué)家約里奧居居里夫婦用里夫婦用粒子轟擊鋁發(fā)生核反應(yīng)粒子轟擊鋁發(fā)

7、生核反應(yīng)獲得了獲得了第一個(gè)人工放射性核素第一個(gè)人工放射性核素。之。之后，人們通過反應(yīng)堆、加速器等制后，人們通過反應(yīng)堆、加速器等制備了大量的各種人工放射性核素。備了大量的各種人工放射性核素。 目前，已發(fā)現(xiàn)的放射性核素有目前，已發(fā)現(xiàn)的放射性核素有2000多種，其中人工放射性核素就多種，其中人工放射性核素就超過超過1600種。種。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用11 人工放射性核素主要是通過人工放射性核素主要是通過中子和帶電粒子中子和帶電粒子如質(zhì)子、氘核等轟擊如質(zhì)子、氘核等轟擊天然天然穩(wěn)定核素或穩(wěn)定核素或235U等易裂變材料使其產(chǎn)生核反應(yīng)來制備的。等易裂變材料使其產(chǎn)生核反應(yīng)來制備的。 分分 類類 入射

8、粒子的種類入射粒子的種類入射粒子的能量入射粒子的能量 中子核反應(yīng)中子核反應(yīng)帶電粒子核反應(yīng)帶電粒子核反應(yīng)光核反應(yīng)光核反應(yīng)重粒子核反應(yīng)重粒子核反應(yīng)低能核反應(yīng)低能核反應(yīng)（E50MeV）中能核反應(yīng)中能核反應(yīng)（50MeVE1000MeV）2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用12反應(yīng)堆制備反應(yīng)堆制備 作為人工放射性核素生產(chǎn)的重要設(shè)施之一，反作為人工放射性核素生產(chǎn)的重要設(shè)施之一，反應(yīng)堆可提供不同能譜的中子和較大的輻照空間，具應(yīng)堆可提供不同能譜的中子和較大的輻照空間，具有可同時(shí)有可同時(shí)輻照輻照多種樣品、輻照的樣品量大、靶子制多種樣品、輻照的樣品量大、靶子制備容易、輻照操作簡(jiǎn)便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。此外，備容易、輻照操作簡(jiǎn)

9、便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。此外，從反應(yīng)堆運(yùn)行過程中核燃料因發(fā)生從反應(yīng)堆運(yùn)行過程中核燃料因發(fā)生裂變核反應(yīng)生成裂變核反應(yīng)生成的產(chǎn)物的產(chǎn)物中也可提取大量的放射性核素。中也可提取大量的放射性核素。核反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性核素已成為放射性核素的主要來源。核反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性核素已成為放射性核素的主要來源。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用13加速器制備加速器制備 用加速帶電粒子轟擊各種靶子物，能引起不用加速帶電粒子轟擊各種靶子物，能引起不同的核反應(yīng)，生成多種反應(yīng)堆所不能提供的放射同的核反應(yīng)，生成多種反應(yīng)堆所不能提供的放射性核素如性核素如18F、201Tl等。這也是人工放射性核素最等。這也是人工放射性核素最重要的來源之一。

10、加速器能生產(chǎn)的重要的來源之一。加速器能生產(chǎn)的放射性核素品放射性核素品種較多種較多，約占目前已知放射性核素總數(shù)的，約占目前已知放射性核素總數(shù)的60%以以上，但它的上，但它的產(chǎn)量遠(yuǎn)比反應(yīng)堆生產(chǎn)的小產(chǎn)量遠(yuǎn)比反應(yīng)堆生產(chǎn)的小。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用14核素發(fā)生器制備核素發(fā)生器制備 將反應(yīng)堆和加速器生產(chǎn)的某些放射性核素制成放射性核素發(fā)生器，將反應(yīng)堆和加速器生產(chǎn)的某些放射性核素制成放射性核素發(fā)生器，可為遠(yuǎn)離反應(yīng)堆和加速器的地方提供可為遠(yuǎn)離反應(yīng)堆和加速器的地方提供短壽命放射性核素短壽命放射性核素。 所謂放射性核素發(fā)生器就是一種可所謂放射性核素發(fā)生器就是一種可從較長(zhǎng)半衰期的母從較長(zhǎng)半衰期的母體核素體核素

11、中不斷中不斷分離分離出出短半衰期子體核素短半衰期子體核素的一種裝置。由于的一種裝置。由于放射性子體核素伴隨母體核素的衰變而不斷累積，可每隔放射性子體核素伴隨母體核素的衰變而不斷累積，可每隔一定時(shí)間從母體核素中方便地分離出來并加以收集。一定時(shí)間從母體核素中方便地分離出來并加以收集。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用152.2 反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性核素反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性核素核反應(yīng)堆上制備放射性核素的方法主要有兩種：核反應(yīng)堆上制備放射性核素的方法主要有兩種： （1 1）通過反應(yīng)堆產(chǎn)生的中子流照射靶子物，直）通過反應(yīng)堆產(chǎn)生的中子流照射靶子物，直接生產(chǎn)或通過簡(jiǎn)單處理生產(chǎn)放射性核素，即接生產(chǎn)或通過簡(jiǎn)單處理生產(chǎn)放射性核

12、素，即（n，）法法；（2 2）從輻照后的）從輻照后的235U等易裂變材料產(chǎn)生的裂變等易裂變材料產(chǎn)生的裂變產(chǎn)物中分離，即產(chǎn)物中分離，即（n，f）法法。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用162.2.1 中子核反應(yīng)及其特點(diǎn)中子核反應(yīng)及其特點(diǎn) 中子不帶電，當(dāng)它與原子核作用時(shí)，由中子不帶電，當(dāng)它與原子核作用時(shí)，由于不存在庫侖勢(shì)壘，因此不同能量的中子均于不存在庫侖勢(shì)壘，因此不同能量的中子均能引發(fā)核反應(yīng)。能引發(fā)核反應(yīng)。 最主要的核反應(yīng)類型有最主要的核反應(yīng)類型有（n，）、）、（n，p）、（）、（n，）、（）、（n，f）、（）、（n，2n），），以及多次中子俘獲。以及多次中子俘獲。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用171

13、.（n, ）反應(yīng)反應(yīng) （n, ）是生產(chǎn)放射性核素最重要、最常用的是生產(chǎn)放射性核素最重要、最常用的核反應(yīng)，利用核反應(yīng)，利用（n, ）反應(yīng)可在反應(yīng)堆上生產(chǎn)大反應(yīng)可在反應(yīng)堆上生產(chǎn)大多數(shù)元素的放射性核素。多數(shù)元素的放射性核素。 通過（通過（n, n, ）反應(yīng)直接生成所需要的放射性核素）反應(yīng)直接生成所需要的放射性核素 例如例如59Co（n, ）60Co、191Ir（n, ）192Ir、31P（n, ）32P等。由于等。由于（n, ）反應(yīng)直接生成的放射性核素反應(yīng)直接生成的放射性核素均為靶元素的同位素均為靶元素的同位素，不能通過化，不能通過化學(xué)方法將目標(biāo)核素與其靶子元素進(jìn)行分離，因此，所制備的放射性核素學(xué)方

14、法將目標(biāo)核素與其靶子元素進(jìn)行分離，因此，所制備的放射性核素一般都是有載體的。一般都是有載體的。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用18 通過通過（n, ）反應(yīng)，再經(jīng)反應(yīng)，再經(jīng)核衰變核衰變生成所需要的放射性核素生成所需要的放射性核素 989999( , )mMo nMoTc Te13052(n,)Te13152-15minI13153 由于靶子元素與目標(biāo)核素由于靶子元素與目標(biāo)核素不是同一種元素不是同一種元素，因此可通，因此可通過物理或化學(xué)方法將靶子元素與目標(biāo)核素進(jìn)行過物理或化學(xué)方法將靶子元素與目標(biāo)核素進(jìn)行分離分離，獲得，獲得比活度、放射化學(xué)純度及放射性核素純度都很高的比活度、放射化學(xué)純度及放射性核素純

15、度都很高的無載體無載體的目標(biāo)核素。的目標(biāo)核素。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用192.（n, f）反應(yīng)反應(yīng) 235U等易裂變核素俘獲中子發(fā)生等易裂變核素俘獲中子發(fā)生（n, f）反應(yīng)，生成數(shù)百種裂變?cè)?，因此裂變產(chǎn)反應(yīng)，生成數(shù)百種裂變?cè)?，因此裂變產(chǎn)物的組成相當(dāng)復(fù)雜。物的組成相當(dāng)復(fù)雜。 以以235U為例為例，它在熱中子引起裂變的產(chǎn)物中包括，它在熱中子引起裂變的產(chǎn)物中包括36種元素的種元素的160多多種核素種核素（A=72161）。）。通過化學(xué)分離的辦法可從這些裂變產(chǎn)物中提取通過化學(xué)分離的辦法可從這些裂變產(chǎn)物中提取在國(guó)防工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有重要應(yīng)用價(jià)值的放射性核素，如在國(guó)防工業(yè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)中有重要應(yīng)用價(jià)

16、值的放射性核素，如90Sr、95Zr、99Mo、131I、137Cs、144Ce等。等。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用203.（n, p）反應(yīng)反應(yīng)4.（n, ）反應(yīng)反應(yīng)（n，p）反應(yīng)要求中子有較高能量，一般由快中子誘發(fā)。反應(yīng)要求中子有較高能量，一般由快中子誘發(fā)。 由于核內(nèi)勢(shì)壘隨原子序數(shù)的增大而增高，因此由于核內(nèi)勢(shì)壘隨原子序數(shù)的增大而增高，因此，（，（n，p）反應(yīng)適于反應(yīng)適于制備原子序數(shù)較低的放射性核素，如制備原子序數(shù)較低的放射性核素，如14C、32P、58Co等。等。 與與（n, ）反應(yīng)加反應(yīng)加- -衰變以及衰變以及（n，p）反應(yīng)一樣，利用反應(yīng)一樣，利用（n, ）反應(yīng)反應(yīng)也可以生產(chǎn)無載體放射性

17、核素。用富集的也可以生產(chǎn)無載體放射性核素。用富集的6Li生產(chǎn)氚就是采用了該核反應(yīng)生產(chǎn)氚就是采用了該核反應(yīng)方式，即方式，即6Li（n, ）3H。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用212.2.2 反應(yīng)堆輻照法生產(chǎn)放反應(yīng)堆輻照法生產(chǎn)放射性核素射性核素 反應(yīng)堆輻照法生產(chǎn)的放射性核素，其產(chǎn)量與產(chǎn)反應(yīng)堆輻照法生產(chǎn)的放射性核素，其產(chǎn)量與產(chǎn)品質(zhì)量不僅受反應(yīng)堆所能提供的品質(zhì)量不僅受反應(yīng)堆所能提供的輻照條件與能力輻照條件與能力影影響，而且與響，而且與核反應(yīng)的選擇核反應(yīng)的選擇、靶子的制備靶子的制備、提取工藝提取工藝等因素有關(guān)。此外，還必須注意靶件在堆內(nèi)輻照時(shí)等因素有關(guān)。此外，還必須注意靶件在堆內(nèi)輻照時(shí)的的安全性安全性。2

18、022-5-12核技術(shù)應(yīng)用221. 放射性核素生產(chǎn)要求反應(yīng)堆提供的條件放射性核素生產(chǎn)要求反應(yīng)堆提供的條件 A. 高中子注量率高中子注量率B. 足夠的輻照時(shí)間足夠的輻照時(shí)間C. 反應(yīng)堆運(yùn)行方式反應(yīng)堆運(yùn)行方式D. 反應(yīng)堆安全保障反應(yīng)堆安全保障一般一般51013cm-2s-1以上，特殊要求在以上，特殊要求在11015cm-2s-1以上以上 多達(dá)數(shù)十個(gè)的輻照孔道多達(dá)數(shù)十個(gè)的輻照孔道 依據(jù)生產(chǎn)放射性核素半衰期的長(zhǎng)短設(shè)置不同的運(yùn)行方式依據(jù)生產(chǎn)放射性核素半衰期的長(zhǎng)短設(shè)置不同的運(yùn)行方式 干孔道采用空氣冷卻靶件，濕孔道采用純凈水冷卻靶件干孔道采用空氣冷卻靶件，濕孔道采用純凈水冷卻靶件 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)

19、用232. 靶件的制備靶件的制備 （1）靶子物的選擇與處理靶子物的選擇與處理 A 選擇適合的靶子物化學(xué)形態(tài)選擇適合的靶子物化學(xué)形態(tài) B 盡可能采用高豐度的靶子元素作為靶子物盡可能采用高豐度的靶子元素作為靶子物 靶子元素靶子元素含量盡量高含量盡量高、靶子元素的、靶子元素的化學(xué)純度要高化學(xué)純度要高、靶子物輻照后、靶子物輻照后易于處理并轉(zhuǎn)化為所需的化學(xué)形態(tài)、堆內(nèi)輻照時(shí)靶件的穩(wěn)定性（化學(xué)易于處理并轉(zhuǎn)化為所需的化學(xué)形態(tài)、堆內(nèi)輻照時(shí)靶件的穩(wěn)定性（化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、輻照穩(wěn)定性）好。穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性、輻照穩(wěn)定性）好。 如采用天然或低豐度的靶子元素作靶如采用天然或低豐度的靶子元素作靶 , ,某些核素要發(fā)生兩

20、次中子俘某些核素要發(fā)生兩次中子俘獲才能生產(chǎn)獲才能生產(chǎn)。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用24（2）靶子物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備靶子物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制備 靶件的靶件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括包括靶筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靶筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、靶芯的結(jié)構(gòu)靶芯的結(jié)構(gòu)（靶子物的形（靶子物的形態(tài)）及其在態(tài)）及其在靶筒內(nèi)的分布方式靶筒內(nèi)的分布方式設(shè)計(jì)。靶件需要根據(jù)反應(yīng)堆所能提供設(shè)計(jì)。靶件需要根據(jù)反應(yīng)堆所能提供的輻照孔道的參數(shù)（孔道尺寸、中子類型及中子注量率分布）、靶的輻照孔道的參數(shù)（孔道尺寸、中子類型及中子注量率分布）、靶件裝量及發(fā)熱量、靶件輻照管道冷卻方式以及靶件出入堆的抓取工件裝量及發(fā)熱量、靶件輻照管道冷卻方式以及靶件出入堆的抓取工具等條件

21、設(shè)計(jì)，以保證輻照時(shí)靶件及反應(yīng)堆的安全。具等條件設(shè)計(jì)，以保證輻照時(shí)靶件及反應(yīng)堆的安全。 制備制備輻照靶件時(shí)還要考慮靶子物裝載量、內(nèi)外包裝形式等輻照靶件時(shí)還要考慮靶子物裝載量、內(nèi)外包裝形式等 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用25（3）輻照）輻照靶件的焊封靶件的焊封 輻照靶件必須具有良好的輻照靶件必須具有良好的密封性密封性，以保證同位素靶件在反應(yīng)堆輻，以保證同位素靶件在反應(yīng)堆輻照過程中照過程中不發(fā)生放射性物質(zhì)泄漏不發(fā)生放射性物質(zhì)泄漏。（4）輻照）輻照靶件的質(zhì)量控制靶件的質(zhì)量控制 靶件需要經(jīng)過靶件靶件需要經(jīng)過靶件密封性密封性檢測(cè)、檢測(cè)、表面污染表面污染等檢測(cè)合格后才能入堆輻照。等檢測(cè)合格后才能入堆輻照。

22、可采用的辦法有工業(yè)可采用的辦法有工業(yè)CT、中子照相技術(shù)、中子照相技術(shù)、譜儀測(cè)量等進(jìn)行譜儀測(cè)量等進(jìn)行無損檢測(cè)無損檢測(cè)！2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用263. 靶件的輻照靶件的輻照 選擇合適的輻照條件和保證輻照過程的安全是至關(guān)重要的。靶件的選擇合適的輻照條件和保證輻照過程的安全是至關(guān)重要的。靶件的輻照應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：輻照應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： A 選擇適合的核反應(yīng)及中子能譜選擇適合的核反應(yīng)及中子能譜 適合在反應(yīng)堆上生產(chǎn)放射性核素，一般其原子序數(shù)要求在適合在反應(yīng)堆上生產(chǎn)放射性核素，一般其原子序數(shù)要求在20以上。以上。對(duì)于原子序數(shù)位于對(duì)于原子序數(shù)位于20和和35之間的放射性核素的生產(chǎn)，可以選用能量高之間的放射

23、性核素的生產(chǎn)，可以選用能量高的快中子；當(dāng)原子序數(shù)大于的快中子；當(dāng)原子序數(shù)大于36時(shí)，通常選用時(shí)，通常選用（n, ）反應(yīng)生產(chǎn)放射性核反應(yīng)生產(chǎn)放射性核素。素。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用27B 盡可能高的中子注量率盡可能高的中子注量率C 適合的輻照時(shí)間適合的輻照時(shí)間 反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性核素的產(chǎn)額與中子注量率成正反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性核素的產(chǎn)額與中子注量率成正比。因此，應(yīng)采用盡可能高的中子注量率，以提高目比。因此，應(yīng)采用盡可能高的中子注量率，以提高目標(biāo)核素的產(chǎn)額。標(biāo)核素的產(chǎn)額。 某一同位素生產(chǎn)靶件的最佳輻照時(shí)間可以根據(jù)靶件的某一同位素生產(chǎn)靶件的最佳輻照時(shí)間可以根據(jù)靶件的輻照產(chǎn)額公式來計(jì)算。輻照產(chǎn)額公式來計(jì)

24、算。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用28產(chǎn)額的計(jì)算產(chǎn)額的計(jì)算 假設(shè)假設(shè)穩(wěn)定核素穩(wěn)定核素S被入射粒子轟擊生成放射性核素被入射粒子轟擊生成放射性核素A，核素，核素A僅以衰變僅以衰變方式減少并且生成穩(wěn)定核素方式減少并且生成穩(wěn)定核素B。 (sAnSAB ， ）穩(wěn)定） 1/2(2324240.5314.66NaNaMg(nbTh ， ）穩(wěn)定） 例：例： 在照射時(shí)間內(nèi)，核素在照射時(shí)間內(nèi)，核素A的產(chǎn)率與入射粒子注量率的產(chǎn)率與入射粒子注量率（cm-2s-1）、）、熱熱中子俘獲截面中子俘獲截面s（b，1b=10-24cm2）和靶核數(shù)和靶核數(shù)Ns成正比，即核素成正比，即核素A的生的生產(chǎn)率為產(chǎn)率為sNs；同進(jìn)它又隨著

25、；同進(jìn)它又隨著ANA的衰變速率而減少。的衰變速率而減少。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用29因此，核素因此，核素A的凈增長(zhǎng)率為：的凈增長(zhǎng)率為： AssAAdNNNdt 式中式中 NA為照射時(shí)間為照射時(shí)間t t后核素后核素A A的原子數(shù)。的原子數(shù)。 初始條件初始條件t=0時(shí)，時(shí)，NA0，則上述微分的方程的解為：，則上述微分的方程的解為： ( )(1)ssAANtANte 其放射性活度為：其放射性活度為： ( )(1)AtAAAssA tNNe 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用304. 輻照靶件的處理輻照靶件的處理 輻照后的靶件處理包括目標(biāo)放射性物理處理、化輻照后的靶件處理包括目標(biāo)放射性物理處理、化學(xué)處

26、理及其進(jìn)一步加工成各種放射性制品。輻照后的學(xué)處理及其進(jìn)一步加工成各種放射性制品。輻照后的靶件一般都需要經(jīng)過化學(xué)處理（目標(biāo)核素的靶件一般都需要經(jīng)過化學(xué)處理（目標(biāo)核素的分離與純分離與純化化）后才能制成滿足用戶需要的放射性核素制品。）后才能制成滿足用戶需要的放射性核素制品。 化學(xué)處理方法化學(xué)處理方法有溶劑萃取法、沉淀法、離子交換有溶劑萃取法、沉淀法、離子交換法、蒸（干）餾、電化學(xué)法、熱原子反沖法等。法、蒸（干）餾、電化學(xué)法、熱原子反沖法等。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用315. 放射性核素產(chǎn)品的質(zhì)量放射性核素產(chǎn)品的質(zhì)量 放射性核素的產(chǎn)品質(zhì)量是通過物理檢驗(yàn)、放射性核素的產(chǎn)品質(zhì)量是通過物理檢驗(yàn)、化學(xué)檢驗(yàn)

27、以及生物檢驗(yàn)等質(zhì)量檢驗(yàn)方法予以化學(xué)檢驗(yàn)以及生物檢驗(yàn)等質(zhì)量檢驗(yàn)方法予以保證的，其保證的，其產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)包括：放射性活度、包括：放射性活度、放射性純度、放射化學(xué)純度、化學(xué)純度、載放射性純度、放射化學(xué)純度、化學(xué)純度、載體含量及醫(yī)用制劑的無菌、無熱源檢測(cè)等。體含量及醫(yī)用制劑的無菌、無熱源檢測(cè)等。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用326. 某些重要核素的生產(chǎn)工藝某些重要核素的生產(chǎn)工藝表表2-2 反應(yīng)堆生產(chǎn)的一些重要放射性核素反應(yīng)堆生產(chǎn)的一些重要放射性核素2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用339999mTcTc98Mo（n，）99Mo-，113mIn113mIn112Sn（n，）113 SnEcIT 1

28、25I124Xe（n，）125Xe131I130Te（n，）131Te2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用34（1）131I干法生產(chǎn)工藝干法生產(chǎn)工藝 A 一種是一種是（n，f）法，即法，即235U（n，f）131I，從輻照后的，從輻照后的235U靶件中分離裂靶件中分離裂 變產(chǎn)物變產(chǎn)物131I。但提取率較低，并且從大量的裂變產(chǎn)物中提取裂變。但提取率較低，并且從大量的裂變產(chǎn)物中提取裂變131I會(huì)另會(huì)另 外產(chǎn)生大量的放射性廢物。外產(chǎn)生大量的放射性廢物。 B 另一種是另一種是（n，）法，即以單質(zhì)碲或碲的各種化合物為原料，入堆法，即以單質(zhì)碲或碲的各種化合物為原料，入堆 輻照后，碲經(jīng)過輻照后，碲經(jīng)過130Te（n

29、，）131Te和和- -衰變生成衰變生成131I，再將，再將131I從靶從靶 材料中分離出來。材料中分離出來。 生產(chǎn)方式生產(chǎn)方式2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用35過濾器，B流量計(jì)，C壓力計(jì)，D蒸發(fā)爐，E純化爐，F(xiàn)吸收柱，G閥，活性碳柱，I活性碳測(cè)量柱，J真空泵 圖圖2-5 131I干法生產(chǎn)系統(tǒng)示意圖干法生產(chǎn)系統(tǒng)示意圖干法生產(chǎn)裝置主要包括加干法生產(chǎn)裝置主要包括加熱蒸餾熱蒸餾、堿液吸收堿液吸收、廢氣處理廢氣處理三部分組成。三部分組成。 干法生產(chǎn)裝置干法生產(chǎn)裝置2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用36 加熱蒸餾裝置加熱蒸餾裝置由管式加熱電爐（帶溫度控制儀）、純化加熱爐、石英舟皿、石英加熱管組成。 堿液吸收裝置

30、堿液吸收裝置由兩級(jí)堿液吸收柱組成。第一級(jí)吸收柱容積50mL，第二級(jí)吸收柱容積250mL。 廢氣處理裝置廢氣處理裝置廢物處理裝置由三級(jí)強(qiáng)堿液洗滌塔組成，每級(jí)洗滌塔容積1000mL,堿液濃度為5.0molL-1NaOH。除此之外，操作的工作箱或熱室需配置除碘過濾器。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用37（2）125I循環(huán)回路間歇式生產(chǎn)工藝循環(huán)回路間歇式生產(chǎn)工藝 生產(chǎn)方式生產(chǎn)方式生產(chǎn)生產(chǎn)125I的主要核反應(yīng)的主要核反應(yīng)IXenXe125125124),(目前有兩種生產(chǎn)方法：目前有兩種生產(chǎn)方法： A 是將是將124Xe封裝在不銹鋼筒內(nèi)制成內(nèi)靶，然后置于高純鋁筒內(nèi)做成輻封裝在不銹鋼筒內(nèi)制成內(nèi)靶，然后置于高純鋁

31、筒內(nèi)做成輻 照靶件入堆輻照。照靶件入堆輻照。 B 是是間歇循環(huán)回路法間歇循環(huán)回路法。采用這種方法生產(chǎn)。采用這種方法生產(chǎn)125I，不需要制備，不需要制備124Xe氣體氣體 靶，并且，該生產(chǎn)辦法相對(duì)簡(jiǎn)單，得到的靶，并且，該生產(chǎn)辦法相對(duì)簡(jiǎn)單，得到的125I純度高，生產(chǎn)能力也較純度高，生產(chǎn)能力也較 前一種辦法高。前一種辦法高。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用38間歇循環(huán)回路法生產(chǎn)間歇循環(huán)回路法生產(chǎn)125I的工藝流程的工藝流程 125I間歇循環(huán)生產(chǎn)工藝流間歇循環(huán)生產(chǎn)工藝流程程2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用392.2.3 從裂變產(chǎn)物中提取放從裂變產(chǎn)物中提取放射性核素射性核素1. 裂變核反應(yīng)裂變核反應(yīng)圖圖2-7

32、 2-7 中子引發(fā)的鈾核裂變示意圖中子引發(fā)的鈾核裂變示意圖 nSrXenU1094381405410235922nKrBa108936144563nKrSb1099411335142022-5-12核技術(shù)應(yīng)用402. 裂變產(chǎn)物的組成其質(zhì)量分布裂變產(chǎn)物的組成其質(zhì)量分布 裂變產(chǎn)物的組成是隨時(shí)間變化的。當(dāng)一個(gè)可裂變物質(zhì)的靶在反應(yīng)堆內(nèi)裂變產(chǎn)物的組成是隨時(shí)間變化的。當(dāng)一個(gè)可裂變物質(zhì)的靶在反應(yīng)堆內(nèi)照射了照射了T時(shí)間并冷卻時(shí)間并冷卻t時(shí)間后，裂片核素時(shí)間后，裂片核素i i的放射性的放射性Ai可用下式來表示：可用下式來表示： (1)iiTtiiANI Yee 式中式中 N可裂變物質(zhì)的原子核數(shù)；可裂變物質(zhì)的原子

33、核數(shù)； I中子能量；中子能量； 裂變截面；裂變截面； Yi核素核素i的裂變產(chǎn)額；的裂變產(chǎn)額； i核素核素i的衰變常數(shù)。的衰變常數(shù)。在在N、I、不變的情況下，不變的情況下，裂變產(chǎn)物的放射性與裂變裂變產(chǎn)物的放射性與裂變產(chǎn)額產(chǎn)額Yi有關(guān)，并隨著有關(guān)，并隨著T、t而變化。而變化。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用41圖圖2-8 不同能量的中子誘發(fā)不同能量的中子誘發(fā)235U裂變的質(zhì)量裂變的質(zhì)量-產(chǎn)額圖產(chǎn)額圖裂變產(chǎn)額裂變產(chǎn)額是指是指裂變是指是指裂變產(chǎn)物的某一種核素或某產(chǎn)物的某一種核素或某一質(zhì)量鏈在重核裂變過一質(zhì)量鏈在重核裂變過程中產(chǎn)生的幾率。它通程中產(chǎn)生的幾率。它通常用每常用每100次核裂變產(chǎn)生次核裂變產(chǎn)生的

34、裂變產(chǎn)物原子數(shù)來表的裂變產(chǎn)物原子數(shù)來表示（示（%）。）。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用423. 裂變產(chǎn)物分離裂變產(chǎn)物分離離子交換分離離子交換分離 溶劑萃取分離溶劑萃取分離 萃取色層分離萃取色層分離 沉淀分離法沉淀分離法 其它方法其它方法 A 裂片元素的分離方法裂片元素的分離方法 選擇性好，回收率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化選擇性好，回收率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操作、易于放射性屏蔽操作、易于放射性屏蔽 簡(jiǎn)便、快速、選擇性高、易于連續(xù)操作和簡(jiǎn)便、快速、選擇性高、易于連續(xù)操作和遠(yuǎn)距離控制遠(yuǎn)距離控制 對(duì)于性質(zhì)相似的元素的分離更能顯示其優(yōu)對(duì)于性質(zhì)相似的元素的分離更能顯示其優(yōu)越性越性 操作繁雜、程序冗長(zhǎng)、回收率和去污率

35、較低操作繁雜、程序冗長(zhǎng)、回收率和去污率較低 超臨界流體萃取法和采用離子液體為超臨界流體萃取法和采用離子液體為萃取介質(zhì)的方法萃取介質(zhì)的方法 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用43B 長(zhǎng)壽命裂片元素及超鈾元素的分離長(zhǎng)壽命裂片元素及超鈾元素的分離 目前，長(zhǎng)壽命裂片核素及超鈾核目前，長(zhǎng)壽命裂片核素及超鈾核素主要從核動(dòng)力堆卸出的乏燃料中提素主要從核動(dòng)力堆卸出的乏燃料中提取。乏燃料的后處理主要目的是取。乏燃料的后處理主要目的是回收回收235U，并提取軍用核素，并提取軍用核素239Pu。在。在235U、239Pu提取回收后，其它的裂變產(chǎn)物和提取回收后，其它的裂變產(chǎn)物和超鈾元素全部轉(zhuǎn)入廢液中。超鈾元素全部轉(zhuǎn)入廢液中

36、。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用44C 中短壽命裂片元素的分離中短壽命裂片元素的分離裂變裂變99Mo的提取的提取 235U裂變生成裂變生成99Mo產(chǎn)額為產(chǎn)額為6.06%，可以，可以從從235U的裂變產(chǎn)的裂變產(chǎn)物中大量提取物中大量提取99Mo。裂變。裂變99Mo的提取一般采用的提取一般采用Al2O3色層色層分離、分離、HDEHP溶劑萃取或萃取色層分離溶劑萃取或萃取色層分離、-安息香肟沉安息香肟沉淀分離法等。淀分離法等。 下面以日本開展的裂變下面以日本開展的裂變99Mo生產(chǎn)為例介紹裂變裂變生產(chǎn)為例介紹裂變裂變99Mo生產(chǎn)技術(shù)。生產(chǎn)技術(shù)。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用45a 235U靶件的制備靶件的制

37、備 圖圖2-9 235U靶件結(jié)構(gòu)圖靶件結(jié)構(gòu)圖 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用46b 235U靶件的輻照及冷卻靶件的輻照及冷卻 輻照條件輻照條件：中子注率量：中子注率量21013cm-2s-131013cm-2s-1， 輻照輻照4d7d。冷卻時(shí)間冷卻時(shí)間：2d。 冷卻冷卻2d后，一個(gè)靶件將產(chǎn)生后，一個(gè)靶件將產(chǎn)生2.811012Bq99Mo、 4.11012Bq 131I、2.591012Bq 133Xe等裂片元素。等裂片元素。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用47c 輻照后輻照后235U靶件的處理靶件的處理 靶件用靶件用10molL-1的硝酸溶解。在靶件的硝酸溶解。在靶件溶解時(shí)溶解時(shí)131I和和133X

38、e等放射性氣等放射性氣體釋放出來體釋放出來，經(jīng)堿液吸收塔吸收，經(jīng)堿液吸收塔吸收131I后，含后，含133Xe的放射性氣體經(jīng)過液氮冷的放射性氣體經(jīng)過液氮冷卻的分子篩，以捕集卻的分子篩，以捕集133Xe。溶解完全后，加入碘的載體以進(jìn)一步除去放射性溶解完全后，加入碘的載體以進(jìn)一步除去放射性131I。 向反萃液加入向反萃液加入NaNO2以除去溶液中的以除去溶液中的H2O2，并通過蒸餾辦法減小，并通過蒸餾辦法減小反萃液體積。經(jīng)處理后的反萃液加入氧化鋁色譜柱反萃液體積。經(jīng)處理后的反萃液加入氧化鋁色譜柱，99Mo被氧化鋁所被氧化鋁所吸附，然后用吸附，然后用0.1molL-1的稀硝酸和水洗滌色譜柱，再用的稀硝

39、酸和水洗滌色譜柱，再用0.1molL-1的氨的氨水將水將99Mo洗提洗提出來，即為產(chǎn)品。出來，即為產(chǎn)品。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用48裂變裂變99Mo提取流程提取流程2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用49表表2-3 裂變裂變99Mo中放射性雜質(zhì)含量中放射性雜質(zhì)含量注：輻照時(shí)間7d，測(cè)量時(shí)間為輻照之后7d。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用50裂變裂變131I的提取的提取 裂變裂變131I是裂變法生產(chǎn)是裂變法生產(chǎn)99Mo時(shí)的時(shí)的副產(chǎn)物副產(chǎn)物之一，由于裂之一，由于裂變變131I的產(chǎn)額為的產(chǎn)額為3.1%，因此可以從裂變產(chǎn)物中大規(guī)模生產(chǎn)，因此可以從裂變產(chǎn)物中大規(guī)模生產(chǎn)131I。 裂變同位素生產(chǎn)過程中，在切割和酸

40、性溶解時(shí)都有裂變同位素生產(chǎn)過程中，在切割和酸性溶解時(shí)都有131I逸出，采用負(fù)壓方式可將其收集；不管采用何種方式溶靶，逸出，采用負(fù)壓方式可將其收集；不管采用何種方式溶靶，留在溶液中的留在溶液中的131I一般都采用先酸化、后蒸餾或熱氣載帶等一般都采用先酸化、后蒸餾或熱氣載帶等措施使其分離出來。措施使其分離出來。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用51圖圖2-12 IRE裂變同位素裂變同位素99Mo、131I、133Xe分離流程圖分離流程圖2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用52圖圖2-13 純化流程圖純化流程圖2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用53第三講2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用542.3 加速器生產(chǎn)放射性核素加速

41、器生產(chǎn)放射性核素 用加速器產(chǎn)生的用加速器產(chǎn)生的高速帶電粒子轟擊含有選定的穩(wěn)定核素高速帶電粒子轟擊含有選定的穩(wěn)定核素的靶的靶，可制備很多品種的放射性核素。這些放射性核素大多，可制備很多品種的放射性核素。這些放射性核素大多數(shù)因核內(nèi)中子貧乏而以正電子或低能數(shù)因核內(nèi)中子貧乏而以正電子或低能射形式衰變，半衰期一射形式衰變，半衰期一般較短，比活度高，并且可以得到無載體放射性核素，盡管般較短，比活度高，并且可以得到無載體放射性核素，盡管它的生產(chǎn)能力較低，但由于它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)，尤其是生物醫(yī)它的生產(chǎn)能力較低，但由于它在工業(yè)、農(nóng)業(yè)，尤其是生物醫(yī)學(xué)方面具有學(xué)方面具有特殊的用途特殊的用途，其用量不斷增加，現(xiàn)已成為放射

42、性，其用量不斷增加，現(xiàn)已成為放射性核素生產(chǎn)不可缺少的手段。核素生產(chǎn)不可缺少的手段。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用552.3.1 加速器生產(chǎn)反射性核加速器生產(chǎn)反射性核素的發(fā)展簡(jiǎn)史素的發(fā)展簡(jiǎn)史 自自1934年人工放射性核素發(fā)現(xiàn)后，回旋加速器就用于放射性核素的年人工放射性核素發(fā)現(xiàn)后，回旋加速器就用于放射性核素的制備，使人工放射性核素在短短三年內(nèi)就從制備，使人工放射性核素在短短三年內(nèi)就從3個(gè)增加到個(gè)增加到197個(gè)。個(gè)。 從從20世紀(jì)世紀(jì)60年代初到現(xiàn)在，世界上用于生產(chǎn)放射性核素的加速器從不年代初到現(xiàn)在，世界上用于生產(chǎn)放射性核素的加速器從不到到5臺(tái)猛增到數(shù)百臺(tái)；并且新增加的核醫(yī)學(xué)診斷用核素中臺(tái)猛增到數(shù)百臺(tái)

43、；并且新增加的核醫(yī)學(xué)診斷用核素中80是用加速器是用加速器生產(chǎn)的。近年來，生產(chǎn)的。近年來，醫(yī)學(xué)診斷醫(yī)學(xué)診斷用貧中子放射性核素的消費(fèi)量逐漸增大，有些用貧中子放射性核素的消費(fèi)量逐漸增大，有些核素的作用出現(xiàn)了逐漸取代部分反應(yīng)堆生產(chǎn)的放射性核素的趨勢(shì)。核素的作用出現(xiàn)了逐漸取代部分反應(yīng)堆生產(chǎn)的放射性核素的趨勢(shì)。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用562.3.2 加速器的組成及分類加速器的組成及分類加速器主要由三個(gè)部分組成：加速器主要由三個(gè)部分組成：離子源離子源用于提供所需加速的用于提供所需加速的電子電子、正電子正電子、質(zhì)子質(zhì)子、反質(zhì)子反質(zhì)子以及以及重離重離子子等粒子；等粒子；真空加速系統(tǒng)真空加速系統(tǒng)該系統(tǒng)中有一定

44、形態(tài)的加速該系統(tǒng)中有一定形態(tài)的加速電場(chǎng)電場(chǎng)，為了使粒子在不受，為了使粒子在不受空氣分子散射的條件下加速，整個(gè)系統(tǒng)放在空氣分子散射的條件下加速，整個(gè)系統(tǒng)放在真空度真空度極高的真空室內(nèi)；極高的真空室內(nèi)；導(dǎo)引、聚焦系統(tǒng)導(dǎo)引、聚焦系統(tǒng)用一定形態(tài)的用一定形態(tài)的電磁場(chǎng)電磁場(chǎng)來引導(dǎo)并約束被來引導(dǎo)并約束被加速加速的的粒子束粒子束，使之沿預(yù)定使之沿預(yù)定軌道軌道接受電場(chǎng)的加速。接受電場(chǎng)的加速。 衡量一個(gè)衡量一個(gè)加速器的性能的指標(biāo)加速器的性能的指標(biāo)有兩個(gè)：一是粒子所能達(dá)到的能量；二是有兩個(gè)：一是粒子所能達(dá)到的能量；二是粒子流的強(qiáng)度（流強(qiáng)）。加速器按其粒子流的強(qiáng)度（流強(qiáng)）。加速器按其作用原理作用原理不同可分為靜電加速

45、器、直不同可分為靜電加速器、直線加速器、回旋加速器、電子感應(yīng)加速器、同步回旋加速器、對(duì)撞機(jī)等。線加速器、回旋加速器、電子感應(yīng)加速器、同步回旋加速器、對(duì)撞機(jī)等。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用571. 高壓倍加加速器高壓倍加加速器 這是最早使用過的用來加速粒子的這是最早使用過的用來加速粒子的高壓裝置。它利用高壓裝置。它利用倍壓速流倍壓速流的原理制成的原理制成的。雖然加速后粒子的能量不高，一般的。雖然加速后粒子的能量不高，一般在在1MeV左右，但用它得到的高速粒子左右，但用它得到的高速粒子數(shù)量大，束流強(qiáng)，因此至今仍有實(shí)驗(yàn)室數(shù)量大，束流強(qiáng)，因此至今仍有實(shí)驗(yàn)室使用它來加速粒子。使用它來加速粒子。2022-

46、5-12核技術(shù)應(yīng)用582. 靜電加速器靜電加速器 圖圖2-19 范得格拉夫靜電加速器示意圖范得格拉夫靜電加速器示意圖 靜電加速器是利用靜電加速器是利用靜電高壓加速帶電粒子靜電高壓加速帶電粒子的裝置。它可用以的裝置。它可用以加速加速電子或質(zhì)子電子或質(zhì)子，通過輸電，通過輸電帶將噴電針電暈放電的帶將噴電針電暈放電的電荷輸送到一個(gè)絕緣的電荷輸送到一個(gè)絕緣的空心金屬電極內(nèi)，使之空心金屬電極內(nèi)，使之充電至高電壓以加速帶充電至高電壓以加速帶電粒子。電粒子。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用593. 回旋加速器回旋加速器 圖圖2-20 回旋加速器示意圖回旋加速器示意圖 回旋加速器是回旋加速器是利用磁場(chǎng)使帶電粒利用磁

47、場(chǎng)使帶電粒子作回旋運(yùn)動(dòng)，在子作回旋運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)中經(jīng)高頻電場(chǎng)運(yùn)動(dòng)中經(jīng)高頻電場(chǎng)反復(fù)加速的裝置。反復(fù)加速的裝置。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用602022-5-12核技術(shù)應(yīng)用614. 直線加速器直線加速器 圖圖2-21 粒子加速器實(shí)物圖粒子加速器實(shí)物圖 直線加速器是利用直線加速器是利用沿直線軌道分布的高頻沿直線軌道分布的高頻電場(chǎng)加速電子、質(zhì)子和電場(chǎng)加速電子、質(zhì)子和重離子的裝置。重離子的裝置。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用62Linac Coherent Light Source2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用632.3.3 加速器生產(chǎn)放射性核加速器生產(chǎn)放射性核素的特點(diǎn)素的特點(diǎn)帶電粒子核反應(yīng)的庫侖勢(shì)壘高，

48、適于帶電粒子核反應(yīng)的庫侖勢(shì)壘高，適于制備輕元素的放射性核素制備輕元素的放射性核素如如11C、13N、15O和和18F等。等。加速器生產(chǎn)核素時(shí)，入射粒子是帶電粒子，所生成的放射性核素都加速器生產(chǎn)核素時(shí)，入射粒子是帶電粒子，所生成的放射性核素都是是貧中子的核素貧中子的核素。加速器生產(chǎn)的放射性核素，一般與靶核不是同一元素，故加速器生產(chǎn)的放射性核素，一般與靶核不是同一元素，故易于用化易于用化學(xué)分離學(xué)分離，制得，制得高比活度或無載體的放射性核素高比活度或無載體的放射性核素。 加速器生產(chǎn)放射性核素也有一些加速器生產(chǎn)放射性核素也有一些缺點(diǎn)缺點(diǎn)，如大部分核素的生產(chǎn)能力要，如大部分核素的生產(chǎn)能力要比反應(yīng)堆生產(chǎn)小

49、得多，生產(chǎn)成本高；制備靶及靶子冷卻技術(shù)難度大；較短比反應(yīng)堆生產(chǎn)小得多，生產(chǎn)成本高；制備靶及靶子冷卻技術(shù)難度大；較短的半衰期使它的使用范圍（時(shí)間、空間）受到限制。的半衰期使它的使用范圍（時(shí)間、空間）受到限制。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用642.3.4 加速器生產(chǎn)放射性核加速器生產(chǎn)放射性核素的核反應(yīng)類型素的核反應(yīng)類型 加速器生產(chǎn)放射性核素中發(fā)生的主要核反應(yīng)有：加速器生產(chǎn)放射性核素中發(fā)生的主要核反應(yīng)有：采用采用粒子引發(fā)的粒子引發(fā)的核反應(yīng)、氘核引發(fā)核反應(yīng)、質(zhì)子核反應(yīng)、核反應(yīng)、氘核引發(fā)核反應(yīng)、質(zhì)子核反應(yīng)、3He引起的核反應(yīng)等引起的核反應(yīng)等。采用采用粒子引發(fā)的核反應(yīng)有粒子引發(fā)的核反應(yīng)有（，n）、（）、（，

50、p）、（）、（，2n）等。等。氘核反應(yīng)有氘核反應(yīng)有（d，n）、（）、（d，2n）、（）、（d，）反應(yīng)。反應(yīng)。質(zhì)子引發(fā)的質(zhì)子引發(fā)的(p，n)反應(yīng)是加速器生產(chǎn)放射性核素的主要核反應(yīng)，反應(yīng)是加速器生產(chǎn)放射性核素的主要核反應(yīng)，3He引起的核反應(yīng)有引起的核反應(yīng)有（3He，n）、（）、（3He，2n）、（）、（3He，p）等。等。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用652.3.5 加速器生產(chǎn)放射性核素加速器生產(chǎn)放射性核素加速器參數(shù)加速器參數(shù) 核反應(yīng)產(chǎn)額核反應(yīng)產(chǎn)額 產(chǎn)品核純度產(chǎn)品核純度 A 核反應(yīng)的選擇核反應(yīng)的選擇帶電粒子束必須具有足夠的帶電粒子束必須具有足夠的能量能量 帶電粒子束必須具有足夠的帶電粒子束必須具有足

51、夠的粒子流量粒子流量 入射粒子靜止質(zhì)量越小，能量越大，靶核入射粒子靜止質(zhì)量越小，能量越大，靶核原子序數(shù)越小，則產(chǎn)額越大原子序數(shù)越小，則產(chǎn)額越大 發(fā)生核反應(yīng)時(shí)，可能同時(shí)會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，從發(fā)生核反應(yīng)時(shí)，可能同時(shí)會(huì)發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，從而導(dǎo)致產(chǎn)品純度不高，因此需要選擇而導(dǎo)致產(chǎn)品純度不高，因此需要選擇合適的核合適的核反應(yīng)及入射粒子能量反應(yīng)及入射粒子能量 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用66B 加速器用靶件的制備加速器用靶件的制備 固體靶固體靶 液體靶和氣體靶液體靶和氣體靶 內(nèi)靶方式是將靶件放在加速器的真空室內(nèi)照射，內(nèi)靶方式是將靶件放在加速器的真空室內(nèi)照射， 其生產(chǎn)效率高，但操作復(fù)雜。其生產(chǎn)效率高，但操作復(fù)雜。外

52、靶方式是將粒子束引出真空室，在真空室外面外靶方式是將粒子束引出真空室，在真空室外面 照射靶件。照射靶件。有專門的靶材料液體有專門的靶材料液體/ /氣體進(jìn)出管道氣體進(jìn)出管道 合適的厚度、耐高溫、導(dǎo)熱性能好、熱穩(wěn)定性好、熔點(diǎn)高合適的厚度、耐高溫、導(dǎo)熱性能好、熱穩(wěn)定性好、熔點(diǎn)高2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用67C 輻照產(chǎn)額計(jì)算輻照產(chǎn)額計(jì)算 帶電粒子引起核反應(yīng)的反應(yīng)截面，強(qiáng)烈地依賴于轟擊粒子的能量。帶電粒子引起核反應(yīng)的反應(yīng)截面，強(qiáng)烈地依賴于轟擊粒子的能量。這種核反應(yīng)截面隨入射粒子通量變化的函數(shù)關(guān)系，稱這種核反應(yīng)截面隨入射粒子通量變化的函數(shù)關(guān)系，稱激發(fā)函數(shù)激發(fā)函數(shù)。已知激。已知激發(fā)函數(shù)后，發(fā)函數(shù)后，“厚靶

53、厚靶”輻照時(shí)所期望獲得的放射性核素輻照時(shí)所期望獲得的放射性核素總放射性量總放射性量A可表可表示如下：示如下：12244016.25 1010( ) ( )3.7 10tEmenJAE S E dEZ 當(dāng)輻照時(shí)間顯著小于（至少當(dāng)輻照時(shí)間顯著小于（至少5 5倍）同位素的半衰期時(shí)，上式可近似表倍）同位素的半衰期時(shí)，上式可近似表示如下：示如下：7010( ) ( )EmJtAE S E dEZT7; 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用68D 輻照靶件的處理輻照靶件的處理 粒子束轟擊后的靶件經(jīng)各種物理、化學(xué)方法處理后，粒子束轟擊后的靶件經(jīng)各種物理、化學(xué)方法處理后，可得到可得到無載體的放射性核素?zé)o載體的放射性核

54、素。固體靶固體靶：1 1）易揮發(fā)物質(zhì)：）易揮發(fā)物質(zhì)：干法蒸餾技術(shù)進(jìn)行分離提取干法蒸餾技術(shù)進(jìn)行分離提取，固固體靶還可反復(fù)使用體靶還可反復(fù)使用；2 2）難揮發(fā)物質(zhì)：）難揮發(fā)物質(zhì)：溶解、萃取、層析或溶解、萃取、層析或共沉淀等，共沉淀等，靶件一次性使用靶件一次性使用。液體靶和氣體靶：液體靶和氣體靶：相對(duì)要簡(jiǎn)單些。相對(duì)要簡(jiǎn)單些。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用692.3.6 加速器生產(chǎn)放射性核素加速器生產(chǎn)放射性核素的應(yīng)用的應(yīng)用 工業(yè)上，工業(yè)上， 57Co、22Na、109Cd作為穆斯堡爾效應(yīng)、作為穆斯堡爾效應(yīng)、正電子湮沒技術(shù)、正電子湮沒技術(shù)、X 射線熒光分析用的射線熒光分析用的放射源放射源。在農(nóng)業(yè)和環(huán)境保護(hù)

55、中，在農(nóng)業(yè)和環(huán)境保護(hù)中，47K、74As、203Pb 示蹤原子示蹤原子。在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，檸檬酸在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，檸檬酸67Ga用于用于腫瘤診斷腫瘤診斷，123I標(biāo)標(biāo)記的碘化鈉用于記的碘化鈉用于診斷甲狀腺診斷甲狀腺。 2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用702.3.7 加速器生產(chǎn)放射性核素加速器生產(chǎn)放射性核素123I1. 直接法制備直接法制備 直接法制備直接法制備123I需要中、低能加速器，用質(zhì)子或氘在富集需要中、低能加速器，用質(zhì)子或氘在富集Te同位素同位素上引發(fā)核反應(yīng)。上引發(fā)核反應(yīng)。Te靶制備中使用高豐度的靶制備中使用高豐度的Te同位素如同位素如124Te、123Te和和122Te的氧化物，通過加熱將這

56、些氧化物熔融在的氧化物，通過加熱將這些氧化物熔融在Pt（鉑）（鉑）盤內(nèi)形成輻照盤內(nèi)形成輻照靶。照射后的靶需要經(jīng)過靶。照射后的靶需要經(jīng)過化學(xué)方法分離化學(xué)方法分離出出123I。 123I的化學(xué)分離方法多用的化學(xué)分離方法多用干法蒸餾法干法蒸餾法。其具有操作簡(jiǎn)單、蒸餾時(shí)。其具有操作簡(jiǎn)單、蒸餾時(shí)間短（幾分鐘）、回收率高（接近間短（幾分鐘）、回收率高（接近100%）、放射性廢物量小等優(yōu)點(diǎn)）、放射性廢物量小等優(yōu)點(diǎn)2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用712. 間接法制備間接法制備 國(guó)際上主要發(fā)展的間接法有：國(guó)際上主要發(fā)展的間接法有：127I（p，5n）123Xe123I、124Xe（p，x）123I和和124Xe（，

57、n）123Xe123I。間接法生產(chǎn)。間接法生產(chǎn)123I需要使用中、高能回旋加需要使用中、高能回旋加速器或電子加速器，主要雜質(zhì)為速器或電子加速器，主要雜質(zhì)為半衰期半衰期60d的的125I 20世紀(jì)世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了采用高富集度的年代，出現(xiàn)了采用高富集度的124Xe通過通過124Xe（p，x）123I 反應(yīng)生產(chǎn)反應(yīng)生產(chǎn)123I 的方法。的方法。 也有用高富集度也有用高富集度124Xe、電子加速器，通過電子加速器，通過124Xe（，n）123Xe核反核反應(yīng)也可制備應(yīng)也可制備123I。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用722.4 放射性核素發(fā)生器放射性核素發(fā)生器 放射性核素發(fā)生器放射性核素發(fā)生器是人工放射

58、性核素獲得的是人工放射性核素獲得的另一種方式。它通過簡(jiǎn)單的操作，能定期從長(zhǎng)壽另一種方式。它通過簡(jiǎn)單的操作，能定期從長(zhǎng)壽命的母體核素中分離出短壽命子體核素，為短壽命的母體核素中分離出短壽命子體核素，為短壽命子體核素的應(yīng)用，特別是在那些遠(yuǎn)離反應(yīng)堆和命子體核素的應(yīng)用，特別是在那些遠(yuǎn)離反應(yīng)堆和不具備加速器的地方應(yīng)用提供了有利條件。目前不具備加速器的地方應(yīng)用提供了有利條件。目前放射性核素發(fā)生器應(yīng)用最多的還是放射性核素發(fā)生器應(yīng)用最多的還是核醫(yī)學(xué)核醫(yī)學(xué)。它所。它所使用的母體核素也是通過反應(yīng)堆或加速器生產(chǎn)的。使用的母體核素也是通過反應(yīng)堆或加速器生產(chǎn)的。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用732.4.1 放射性核素發(fā)生

59、器基放射性核素發(fā)生器基本原理本原理 放射性核素發(fā)生器放射性核素發(fā)生器，是利用母體與子體核素的，是利用母體與子體核素的半衰期和它們的物理、化學(xué)等性質(zhì)上差異，采用各半衰期和它們的物理、化學(xué)等性質(zhì)上差異，采用各種物理、化學(xué)手段將種物理、化學(xué)手段將不斷生成的子體核素從母體核不斷生成的子體核素從母體核素中分離出來的裝置素中分離出來的裝置。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用74n實(shí)用的放射性核素發(fā)生器中，實(shí)用的放射性核素發(fā)生器中，子體核素的半衰子體核素的半衰期短，而母體核素的半衰期相對(duì)較長(zhǎng)期短，而母體核素的半衰期相對(duì)較長(zhǎng)。放射性。放射性核素發(fā)生器以其母子體核素或直接以子體核素核素發(fā)生器以其母子體核素或直接以子體

60、核素來命名，例如母體為來命名，例如母體為99Mo、子體為、子體為99mTc的裝的裝置就叫置就叫99Mo-99mTc發(fā)生器發(fā)生器或或99mTc發(fā)生器。發(fā)生器。2022-5-12核技術(shù)應(yīng)用751. 放射性母體子體的相互關(guān)系放射性母體子體的相互關(guān)系 假設(shè)假設(shè)：t0時(shí)，只有母體核數(shù)（時(shí)，只有母體核數(shù)（N1,0），在），在t時(shí)刻，剩下的母體核數(shù)為：時(shí)刻，剩下的母體核數(shù)為： 11,1,0ttNNe 母體核素衰變只產(chǎn)生母體核素衰變只產(chǎn)生單一子體單一子體放射性核素時(shí)，對(duì)于子體核素有：放射性核素時(shí)，對(duì)于子體核素有： 12112211,022tdNNNN eNdt 12121,021()ttNNee 2022-5