Искусственные источники ионизирующих излучений. Лекция 5

1. 04.03.2023

ЛЕКЦИЯ 5
ИСКУССТВЕННЫЕ ИСТОЧНИКИ
ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
Байтимирова Марина Олеговна

2. Содержание лекции

Искусственные радионуклиды: продукты
деления, продукты нейтронной активации,
продукты ядерного синтеза.
Использование ионизирующих излучений в
медицине.
2

3. Из истории открытия искусственной радиоактивности

1919 г. - Э. Резерфорд, облучая атомы азота α-частицами,
осуществил первую в мире искусственную ядерную реакцию:
14
4
17
1
N
He
O
7
2
8
1H
1934 г. - супруги Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, облучая
алюминиевую мишень ускоренными α-частицами, получили
первый искусственный радионуклид фосфора Т1/2 (30Р) = 2,55
минуты по ядерной реакции:
27
13
1
Al+ 24 He 30
P+
15
0n
1935 г. - итальянский физик Энрико Фéрми был удостоен
Нобелевской премии по физике за получение искусственного
радионуклида при облучении мишени нейтронами.
1939 г. - открыто деление ядер урана, которое стало наиболее
мощным источником получения искусственных радионуклидов.
3

4.

1932 г. - открытие нейтрона (Дж. Чедвик)
- теория ядерной модели атома, протоннонейтронного строения ядра (Д.Д. Иваненко
и независимо от него B. Гейзенберг)
- создание ускорителя заряженных частиц
(Дж. Кокрофт, Э. Уолтон)
1934 г. - получение искусственных радионуклидов при
облучении нейтронами нерадиоактивных веществ
(Ф. Жолио и И. Кюри; Э. Ферми)
1939 г. - открытие деления ядер урана под действием
нейтронов (О. Ган, Ф. Штрассман)
1940 г. - открытие спонтанного деления ядер урана
(Г.Н. Флеров и А. Петржак); открытие плутония и
нептуния (Г. Сиборг, Э. Макмиллан, Ф. Эйблсон)
4

5.

ДЕЛЕНИЕ УРАНА,1938
Ф.Штрассман
О. Ган
Л. Мейтнер
235U
+ n = [236U] =>
140Ba + 94Kr +2 n g + Энергия
5

6. Продукты деления тяжелых ядер

Распределение продуктов деления по массам
,% 7
a
6
10
5
1
4
0.1
3
0.01
90
0.001
,% 8
0.0001
7
95
100
105
A
b
6
0.00001
60
80
100
120
140
160 А
5
4
A
3
130
135
140
145
Тонкая структура выходов: а - легкий максимум, А= 90-102;
b - тяжелый максимум, А=131-146
150
6

7. Элементный состав продуктов деления

Всего элементов в ПД 36 (от Zn с z = 30 до Dy с z = 66).
Перио
д
Ряд
IV
5
V
6
VI
30Zn
31Ga
32Ge
33As
34Se
35Br
37Rb
38Sr
39Y
40Zr
41Nb
42Mo
43Tc
7
47Ag
48Cd
49In
50Sn
51Sb
52Te
53I
8
55Cs
56Ba
57La*
* Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy.
36Kr
44Ru
45Rh
46Pd
54Xe
7

8.

Тяжёлые продукты
в ОЯТ
Фрагмент схемы образования трансурановых
радионуклидов при нейтронной активации
8

9. Глобальное загрязнение плутонием некоторых стран

Район
Q
Германия
67-148
Ирландия
33-127
Англия
33-122
Япония
90
Район
Украина:
район ЧАЭС
Q
>3700
Россия:
Район ПО Маяк
Район БелАЭС
Район ЛенАЭС
~1400
~150
~180
Q – плотность загрязнения плутонием (Бк/м2)
(37 Бк/м2 = 1 мКи/км2)
В атмосферу выброшено 8-10 тонн плутония.
Стоимость чистого оружейного плутония-239 составляет около $4000 за грамм
9

10. Продукты нейтронной активации

Проблема долговременного загрязнения объектов биосферы
ПД тяжелых ядер связана с изотопами 137Cs (Т1/2 = 30 лет) и
90Sr
(Т1/2 = 29,12 года). Радиоактивное загрязнение
территорий такими радионуклидами как 95Zr, 106Ru, 144Ce
имеющими относительно небольшие периоды полураспада,
снизится во времени.
В атомных реакторах и при ядерных взрывах образуются не
только продукты деления и изотопы трансурановых
элементов, а также продукты нейтронной активации,
называемые «наведёнными» радионуклидами (60Со, 56Mn,
55Fe, 59Fe и др.).
Реакции образования изотопа 60Со:
59
Со + 01 n → 60Со,
60
Ni + 01 n → 60Со + 11 p.
10

11.

Динамика объемной активности 3H в атмосферных осадках (1) и речной воде (2)
на территории России в 1975– 2020 гг.
11

12. Продукты ядерного синтеза

• При ядерном синтезе сливаются (соединяются) два
ядра с малыми атомными массами в ходе экзотермической
реакции:
2
1
H+ 31 H 24 He+ 01n + 17,6 МэВ
• Реакции ядерного синтеза являются единственным
способом получения нуклидов с порядковым номером
более 100:
242
22
260
1
Pu+
Ne
Rf+4
94
10
104
0n
243
95
22
261
Am+ 10
Ne 105
Db+4 01n
12

13.

13

14. Использование ионизирующих излучений в медицине

Среди диагностических процедур 78 % всех исследований приходится на рентгенодиагностику, 21 % на
стоматологию и 1 % на ядерную медицину.
Типичные значения индивидуальных эффективных доз пациентов при
различных диагностических процедурах, мЗв
Процедура
Германия
Россия
-
0,67
Рентген конечностей и суставов
0,06
-
Маммография
0,5
0,56
Рентген спинного мозга
2
0,7
-
Рентген ЖКТ
8–18
3,3
Рентген головы
0,03
-
Холецистография
7,1
-
Фотофлюорография грудной клетки
поясница
грудь
14

15.

Отличие ядерной медицины от таких разделов медицинской
радиологии, как лучевая терапия и рентгеновские методы
исследования, заключается
в использовании РФП.
Радиофармацевтические препараты (РФП) – это
диагностические или лечебные средства, которые в готовой
для использования форме содержат один или несколько
радионуклидов.
15

16.

Ядерная медицина
разрабатывает
теорию и
практику применения РФП
для лечения, а также
исследования
органов и
систем человека и
распознавания болезней.
РН используются в индикаторных
количествах, поэтому не влияют на
процессы в организме.
Диагноз врача основан на
различиях в поведении РФП в
организме при нормальном и
патологическом состояниях.
16

17. Ядерная медицина

Использование радионуклидов в области медицинской
радиоизотопной
диагностики
называется
ядерной
медициной.
• Изотопы 131I, 125I применяются для оценки функции
щитовидной железы; 24Na позволяет определять скорость
кровотока и проницаемость сосудов; 99mTc используется для
изучения функционального состояния щитовидной железы,
слюнных желез, сердца, скелета, опухолей головного
мозга, печени и почек; изотопы кобальта 60Co и цезия 137Cs
используют в терапии и как индикаторы.
• Дозы, получаемые за процедуру при использовании
фармпрепаратов в среднем несколько выше, чем в
рентгенодиагностике: при исследовании щитовидной
железы – 15 мЗв (в среднем в мире), сосудов сердца – 8
мЗв, головного мозга – 6 мЗв и костей – 4,5 мЗв.
17

18. Радиофармпрепарат

Радиофармацевтический препарат (радиофармпрепарат или
РФП) – лекарственный препарат, который в готовой для
использования форме содержит один или несколько
радионуклидов (радиоактивных изотопов).
Процесс создания РФП включает в себя:
Поиск или синтез химического соединения,
Выбор радионуклида,
Разработку метода введения радионуклида в структуру
выбранного химического соединения с формированием
желаемой фармакокинетки,
Разработку состава, технологии и методов контроля
лекарственной формы РФП,
Доклиническое исследование на животных,
Клинические исследования нового РФП.
18

19. Классификация радионуклидов

В состав любого РФП входит радионуклид
19

20. Классификация радионуклидов

В
РФП
диагностического
назначения
РН
является
информационным носителем, излучение которого, проникая за
пределы организма, регистрируется внешними детекторами.
При этом в зависимости от типа излучения РН
диагностического назначения могут быть отнесены к двум
группам:
1) РН для однофотонной эмиссионной компьютерной
томографии (ОФЭКТ, SPECT).
γ-излучатели с энергией γ-квантов в пределах 100-200 кэВ и T1/2
от нескольких минут до нескольких суток.
2) РН для позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ, PET) –
β+-излучатели с T1/2 от нескольких секунд до нескольких часов.
20

21. Радионуклиды-излучатели позитронов

21

22. Радионуклиды для ОФЭКТ

ОФЭКТ – диагностическая процедура,
основанная на регистрации отдельных γквантов, которые образуются при распаде
РН, входящих в состав РФП.
Характеристики РН:
Моноэнергетическое γизлучение,
Энергия в пределах 100-200
кэВ,
Высокий выход,
Небольшую внутреннюю
конверсию,
Т1/2 сопоставим с
продолжительностью
исследования,
Простой и экономичный
способ получения.
22

23. ОФЭКТ

23

24. ОФЭКТ, 99mTc

24

25.

Позитронная эмиссионная томография
(ПЭТ)
• ПЭТ радиотрейсеры: биологически
активные молекулы, меченные
короткоживущими изотопами с
позитронным типом распада
• Распределение радиотрейсера в
органах и тканях детектируется с
помощью ПЭТ сканнера в виде ПЭТ
изображения
• Благодаря уникальным
характеристикам радионуклидов ПЭТ
дает возможность визуализации
практически любых биохимических
процессов in-vivo
Аннигиляция позитрона сопровождается образованием
двух γ-квантов с энергией 511 кэВ, разлетающихся под
углом 180о, регистрируемых кольцом детекторов по
схеме совпадений
25

26. ПЭТ-радионуклиды

26

27. Радиотрейсеры на основе меченых аминокислот в диагностике опухолей мозга

Меченые аминокислоты представляют собой важнейший класс
радиотрейсеров для ПЭТ исследований мозга. Ввиду малого
накопления в сером веществе их использование дает более
контрастные изображения опухоли по сравнению с ФДГ.
определение границ опухоли
дифференцирование опухоли
и метастаз
мониторинг терапии
дифференцирование опухоли
и очага воспаления
определение стадии
злокачественности (более
сложно, чем в случае ФДГ)
наиболее распространеным
РФП класса аминокислот
является метионин-11С (T1/2 =
20.4 мин)
27

28. ПЭТ-радионуклиды

11C →11B +β+ +ν
28

29. 18F-ФДГ

29

30.

Одно из первых исследований
щитовидной железы с
использованием 131I
FDG-PET/CT scan in patient with merkel cell
carcinoma (18F-дизоксиглюкоза)
https://www.facebook.com/photo.php?fbid=10
151859561367357&set=a.10151859561282357.
1073741830.364429672356&type=3&theater
30

31. Коммерциализация синтеза 18F-ФДГ: производство в автоматизированных модулях кассетного типа

Synthera,
IBA
FASTLab, GE Healthcare
250 000 Евро
Цена одноразовой кассеты
300 Евро
31

32.

32

33.

Некоторые цифры…
Ежегодно в мире выявляется более 10 млн. случаев рака,
и около 6 млн. человек умирают от него ежегодно.
По прогнозам ВОЗ эта цифра удвоится к 2020 г.
Страна
Число процедур на 1000 чел в год
Канада
65
США
52
Япония
48
Великобритания
39
Германия
34
Чехия
28
Нидерланды
16
Россия
7-13
33

34.

Мировой рынок ядерной медицины
34

35. Терапевтическое использование ионизирующих излучений

% 90
80
70
60
США, всего 41%
50
Россия, всего 23 %
40
30
20
10
Лейкемия
Рак тела
матки
Рак шейки
матки
Рак груди
Рак легких
0
Частота процедур и место локализации
35

36. Радиотерапия

Телетерапия - использование внешних пучков
сфокусированного рентгеновского излучения и излучения
радионуклидных источников, сфокусированных на место
локализации опухоли.
• Брахитерапия
–
использование
для
терапии
капсулированных радионуклидов, приближенных к месту
локализации опухоли (125I, 198Au, 103Pd, 192Ir, 137Cs, 60Co, 106Ru,
90Sr).
• Также
в
терапии
применяют
радионуклидные
фармацевтические препараты. При введении внутрь
организма они селективно откладываются в каком-то органе,
концентрируясь в раковых клетках.
• В терапии с использованием ионизирующих излучений на
долю телетерапии и брахитерапии приходится более 90 % от
всех проводимых в мире процедур, на радиофармакотерапию
– 7 %.
36

37.

γ-пушка
Лучевая терапия, радиотерапия использование в лечебных целях
разнообразных видов ионизирующих
излучений различных энергий.
1- контейнер с источником излучения;
2- стол для размещения больного.
Брахитерапия – разновидность радиотерапии, когда источник излучения
вводится внутрь пораженного органа.
192Ir, 125I, 137Cs, 60Co, 226Ra
37

38.

Процедура проведения брахитерапии предстательной железы
38

39.

Аппликационная брахитерапия
Внутрисосудистая брахитерапия
39

40.

Первая в Китае операция по клиническому лечению рака печени с применением
микросфер, содержащих иттрий-90, была успешно проведена 28 сентября 2021
года в центре ядерной медицины "Boao" корпорации CNNC.
40

41.

Данные
на 2016 г.
41

42.

42

43.

43

44.

44