رادیواکتیو

توليد راديونوكليدها

در سال 1896 بكرل راديواكتيويته طبيعي را در سولفات اورانيل پتاسيم كشف نمود. از آن زمان، پيروماري كوري، ای. رادفورد و اف. سادي تلاشهاي فراواني را براي كشف تعداد زيادي از عناصر راديواكتيو بعمل آوردند. كار همه اين دانشمندان نشان داده است كه كليه عناصر پيدا شده در طبيعت با يك عدد اتمي بزرگتر از  83(بيسموت) راديواكتيو هستند. راديواكتيويته مصنوعي ابتدا بوسيله اي- كوري و اف ژوليو در سال 1934 گزارش گرديد. اين دانشمندان هدفهاي بور و آلومينيوم را با ذرات -a از پلونيوم پرتودهي نموده و پوزيترونهاي گسيل شده از هدف را حتي پس از برداشتن چشمه ذرات -a مشاهده نمودند. اين كشف اكتيويته القائي يا مصنوعي گستره وسيعي از اهميت فوق العادة آنها را بازنمود. تقريباً در همان زمان، كشف سيكلوترون، نوترون، و دوترون بوسيله دانشمندان مختلف توليد تعداد بسيار بيشتري راديواكتيويته هاي مصنوعي را امكان پذير ساخت. در حال حاضر، بيشتر از 2700 راديونوكليد در سيكلوترون، راكتور و مولد نوترون و شتابدهنده خطي توليد شده اند.

راديونوكليدهاي بكاررفته در پزشكي هسته اي اكثراً از انواعي هستند كه بطور مصنوعي توليد شده اند. اين راديونوكليدها در ابتدا در يك سيكلوترون يا يك راكتور توليد مي شوند. نوع راديونوكليد توليد شده در يك سيكلوترون يا يك راكتور بستگي به ذره پرتودهي، انرژي آن و هسته هاي هدف دارد. از آنجا كه اين تجهيزات پرهزينه هستند، و راديونوكليدهائي توليد مي كنند كه به تجهيزات خودكار هدايت مي شوند كلاً محدود هستند. راديونوكليدهاي با عمر بسيار كوتاه تنها در مؤسساتي قابل دسترسي هستند كه داراي تجهيزات سيكلوترون يا راكتور بوده، و نمي توانند براي مؤسسات يا بيمارستان حمل شوند چرا كه سريعاً فروپاشي مي كنند. با وجود اين براي تأسيسات خودكار چشمه ثانوي از راديونوكليدها بويژه با نيمه عمر كوتاه وجود دارد كه بنام مولد راديونوكليد بوده و بطور مفصل در فصل بعدي مورد بحث قرار مي گيرند.

راديونوكليدهاي توليد شده در سيكلوترون

در يك سيكلوترون، ذرات باردار همچون پروتون ها، دوترونها، ذرات -a، ذرات ³He و امثال آنها در مسيري دايره اي در D‌ هاي تحت خلأ و بوسيله يك ميدان الكترومغناطيسي شتاب داده مي شوند (شكل 4-1). اين ذرات شتاب يافته
مي توانند چند كيلو الكترون (keV) تا چندين ميليارد الكترون ولت (MeV يا BeV) انرژي بسته به نوع و طرح سيكلوترون داشته باشند.

شكل 4-1: شماتيك يك سيكلوترون، V تغيير دهنده ولتاژ، S‌ چشمه يون، A‌ و B‌، D ها با خلأ، D‌ منحرف كننده W، پنجره.

از آنجا كه ذرات باردار در امتداد مسيرهاي تحت ميدان مغناطيسي با افزايش تدريجي انرژي حركت مي كنند، هر اندازه شعاع ذره پرتابه افزايش پيدا كند انرژي آن نيز افزايش خواهد يافت. در يك سيكلوترون معيني، رابطه انرژي با شعاع ثابت مي باشد. يونهاي سنگين همچون ¹⁶O، ¹⁴N، ³²S نيز بطور موفقيت آميزي در شتابدهنده هاي يون سنگين شتاب داده شده اند.

هنگامي كه عناصر پايداري با قراردادن آنها در باريكه خارجي ذرات شتاب داده شده يا در باريكه داخلي در شعاعي معين در يك سيكلوترون پرتودهي مي شوند، ذرات شتاب داده شده هسته هاي هدف را پرتودهي نموده و واكنش هاي هسته اي بوقوع مي پيوندد. در يك واكنش هسته اي، ذره فرودي ممكن است هسته اي را پس از برهمكنش ترك نموده، مقداري انرژي در آن رها نمايد و يا ممكن است بطور كامل بوسيله هسته جذب گردد، كه بستگي به انرژي ذره فرودي دارد. در هر حالت، هسته اي با انرژي برانگيختگي تشكيل و انرژي برانگيختگي بوسيله گسيل نوكلئونها (يعني پروتون ها و نوترونها) پراكنده مي شوند. هنگاميكه هسته قبلي از نظر انرژي زايي ميسر نباشد، گسيل ذره با گسيل پرتو - g دنبال
مي گردد. بسته به انرژي انتقال يافته بوسيله ذره فرودي تعدادي نوكلئون بطور تصادفي از هسته هدف پرتودهي شده گسيل مي شوند، كه منجر به تشكيل نوكليدهاي متفاوت مي گردد. با افزايش انرژي ذره پرتابه، هسته هاي بيشتري گسيل يافته، و لذا نوكليدهاي با گوناگوني بيشتري توليد مي شوند.

هر واكنش هسته اي براي توليد يك نوكليد داراي انرژي آستانه يا Q معيني است، كه در واكنش جذب يا آزاد مي شود. اين نياز انرژي از اختلاف بين جرمهاي هسته هدف باضافه ذره پرتابه و جرمهاي نوكليد محصول باضافه ذرات گسيل يافته حاصل مي شود. در واكنش هاي هسته اي كه در آنها نياز به جذب انرژي است، ذرات پرتابه بايد داراي انرژي بالاتر از انرژي آستانه باشند؛ در غير اين صورت واكنش هسته اي انجام پذير نخواهد بود. علاوه بر آن، چنانچه ذرات پرتابه يا گسيل يافته باردار باشند، در اين صورت، انرژي كولني اضافي بدليل وجود سركولني بين ذره باردار و هسته هدف يا هسته گسيل يافته بايد به مقدار Q- واكنش هسته اي افزوده شود.

مثالي از يك راديونوكليد ساده توليد شده در سيكلوترون ¹¹¹In است، كه بوسيله پرتودهي ¹¹¹Cd با پروتونهاي با انرژي 12MeV‌در يك سيكلوترون توليد
مي شود. واكنش هسته اي بصورت زير نوشته مي شود

¹¹¹Cd(p,n)¹¹¹In

كه در آن ¹¹¹Cd هدف، پروتون (p) ذره پرتابه، نوترون (n) ذره گسيل يافته، و ¹¹¹In راديونوكليد محصول مي باشد. در اين حالت، يك نوكلئون ثانوي ممكن است گسيل نگردد چرا كه ممكن است انرژي رهايي پس از گسيل نوترون اوليه كافي نباشد. انرژي برانگيختگي كه براي گسيل هر نوكلئون ديگر كافي نباشد از طريق گسيل - g آزاد مي گردد. بعنوان مثالي ديگر، واكنش هاي هسته اي با انرژي نسبتاً بالاي القائي در ⁸⁹Y با پرتودهي پروتونهاي با انرژي 40MeV در ذيل آورده شده اند :

⁸⁹Y + p(40MeV)®⁸⁹Zr + n

                         ®⁸⁹Y +p    

                            ®⁸⁸Zr + 2n

                           ®⁸⁸Y + pn

                           ®⁸⁸Sr + 2p

                           ®⁸⁷Zr + 3n

                            ®⁸⁷Y + p2n

اگرچه كليه واكنش هاي مذكور در مثال بالا امكان پذير هستند، محتمل ترين واكنش ها (p,3n) و(p,p2n) با پروتونهاي 40MeV مي باشد.

همانگونه كه مي توان درك نمود، راديونوكليدهاي توليد شده كه با اعداد اتمي ايزوتوپهاي هدف متفاوت است از نظر تئوري نبايد داراي هر گونه ايزوتوپ پايدار (" سرد " يا " همراه بر ") قابل آشكارسازي بوسيله روشهاي معمولي آناليز باشد، و چنين محصولاتي بنام بدون همراه بر[1] هستند. با وجود اين در عمل، داشتن اين محصولات بدون حضور هر ايزوتوپ پايدار غير ممكن خواهد بود. اصطلاح ديگري براي اين محصولات "بدون افزايش همراه بر "(NCA) بدين معني است كه هيچگونه ايزوتوپ پايداري بصورت پيشنهادي به محصولات افزوده
نمي شود. ماده هدف براي پرتودهي بايد خالص و ترجيحاً تك ايزوتوپي يا حداقل غني شده از نظر ايزوتوپي جهت اجتناب از توليد راديونوكليدهاي ديگر باشد. انرژي و نوع ذره پرتابه بايد بطريقي انتخاب گردد كه از آلودگي با راديونوكليدهاي ناخواسته حاصل از واكنش هاي هسته اي اضافي اجتناب گردد. از آنجا كه ايزوتوپهاي گوناگوني از عناصر مختلف ممكن است در يك سيستم پرتودهي توليد شوند، جداسازي ايزوتوپها از يك عنصر ضروري بوده، اين امر مي تواند با روشهاي شيميائي مناسب همچون استخراج با حلال، ته نشيني،
تبادل يوني، و تقطير حاصل گردد. راديونوكليدهاي توليدي سيكلوترون معمولاً با كمبود نوترون همراه بوده و لذا با روش گسيل ⁺b يا گيراندازي الكترون فروپاشي مي نمايند.