核反应

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第四章 核反应
第一节 核反应的能量 第二节 核反应的机制 第三节 诱发裂变 第四节 基本粒子 第五节 人工放射性的生长与衰变
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第五节 人工放射性的生长与衰变

主要内容: 中子引发的核反应
中子引发核反应的类型 产额计算


带电粒子引发的核反应
带电粒子引发核反应的类型 产额计算


主要放射性核素的生产

核反应的选择,要求:高比活度、高放射性纯度、高产额和 生产工艺经济; 靶子物的选择,要求:靶子元素含量高,纯度高,易于处 理,有良好的辐照稳定性和热稳定性; 照射方法,不同反应有不同要求; 照射时间,可以根据产额公式来确定; 化学处理和产品纯度鉴定,分离放射性和非放射性的杂质, 并制成可供应用的化学形式。
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同步辐射光源的突出特点

其波长或能量分布是连续的,在很宽的波长范围发出连续的光,可用于 相当广泛的研究对象; 同步辐射光是很准直的、亮度很高的、高通量的和具有偏振性及具有特 定时间结构的脉冲光源。 其能量分布和亮度还可以精确计算,能准确观察晶体的点阵参数或取向 的微小变化; 同步辐射还是一种极为“干净”的光源,光谱中无杂质谱线存在,可用来 做要求极高的研究,如分析相对含量万亿分之一(10-12)的元素。 同步辐射具有上述这么多优异的性质,它的重要性越来越明显地在科学 技术的各个领域里表现出来。
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同步加速器和同步辐射

1947年美国波洛克(H. Pollock)在调 试70MeV同步加速器时发现了强烈的 ‘弧光’,后经实验证实,这种“弧光”是 高速运动的电子在加速器里磁场作用 下产生的辐射光。因在同步加速器上 发现的,所以简称同步辐射 (synchrotron radiation)。



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中子引发的核反应类型

(n,p)和(n,α)反应:

(n,p)和(n,α)反应发射带电粒子,需要克服库仑势 垒,较高能量的中子才能引发;

常用的热中子反应堆中只有少数几种轻原子核才容易进行这 两类反应,例如32S(n,p)32P,35Cl(n,p)35S,6Li(n, α)3H等。

在(n,p)和(n,α)反应中,靶核和产核是不同的元素, 所以能制得无载体的放射性制剂。
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产额计算

用核反应生产放射性核素时,所得产物的产额与轰击 粒子的能量和强度、受照射物质的靶核数、核反应截 面、照射时间、核素的半衰期等因素有关。

设靶核A在轰击粒子的作用下生成放射性核素B,在照 射时间内B以一定速度生成,同时B通过衰变又在不断 减少。
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产额计算

在单位时间内形成的放射性核素B的原子数应为 φσANA; 单位时间内放射性核素B的衰变率为λBNB; 在照射过程中放射性核素B原子数的净增加率为: dNB/dt=φσANA-λBNB

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主要放射性核素的生产

通过核反应生产放射性核素主要有三种 途径:

用中子核反应生产(反应堆、中子源); 用带电粒子核反应生产(加速器); 从裂变产物中提取。
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加速器生产放射性核素的特点

带电粒子核反应所生成的放射性核素一般是缺中子 的,它们是电子俘获衰变或是β+衰变,具有这些核性 质的放射性核素用于医疗诊断中有定位准确、病人受 的剂量小等优点。 加速器生产的放射性核素一般不是靶元素的同位素, 可用化学方法分离制得无载体或高比活度的放射性核 素。 加速器建造投资少,运行管理方便,便于就地生产, 因而能广泛用于生产短寿命核素。


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放射性核素的纯度概念

核素的放射性活度和纯度,采用下述的表示方法: 放射性浓度:单位体积溶液内所含的放射性活度,单位:贝可/毫 升。 放射性比活度:每克或每摩尔核素所含的放射性活度,单位:贝 可/克或贝可/摩。 放射性[核素]纯度:某核素的放射性活度占产品总放射性活度的 百分比。 放射化学纯度:某放射性核素在给定化学状态中的放射性活度占 总放射性活度的百分比。如 Na2H32PO4的放射化学纯度>99%表 示产品中以磷酸盐形式存在的32P占总放射性的99%以上,其它状 态的32P(如焦磷酸盐、偏磷酸盐等)小于1%。
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产额计算

当t=T1/2(t/T1/2=1) 时,放射性活度已达 到最大活度的50%。

辐照时间到t=2T1/2 (t/T1/2=2)时,放射 性活度达到最大活度 的75%。

辐照10个半衰期 (t=10T1/2)可达到 99.9%的最大活度。
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产额计算

假设中子通量φ在靶体内和辐照时间ti内不变且NA也不 变。经ti时间辐照后放置td时间的物质的放射性活度可以 用下式表示: AB=φσANA[1-exp(-λBti)]exp(-λBtd)



t——照射时间;
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产额计算

靶核A的原子数与元素的质量m的关系为: NA=NAVHm/M 式中NAV为阿伏加德罗常数(6.02×1023),M为靶核元素的原子 量,H为靶核A的同位素丰度,m为被照射元素质量。

由此可得: AB=φσANAVHm/M [1-exp(-λBt)] 代入NAV=6.02×1023,σA以b(1b=10-24cm2)表示,φ以cm-2s-1表 示,则有: AB=0.6022φσAHm/M [1-exp(-λBt)] 或AB=0.6022φσAHm/M [1-(1/2)t/T1/2]

如果照射时间比核B的半衰期短得多,t<<T1/2,则上式可简化为: AB=IYBt 若t>>T1/2,即照射达到饱和时,则: AB=IYB/λB 厚靶产额Y是粒子能量的函数,可从核素生产的有关手册中查得。

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主要放射性核素的生产

获得放射性核素有两种途径:

一种是从天然放射性物质(如铀矿和钍矿) 中提取; 另一种是通过核反应或核裂变来制备。
来自百度文库
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回旋加速器(cyclotron)


属共振加速器一类,用一个大磁铁形成导引磁场,电子、质子或 其它轻重离子在磁场中以一定频率沿圆弧轨道回旋运动,由高频 电场对带电粒子实现共振加速。 1930年劳伦斯(E. O. Lawrence)为了克服直线加速器尺寸过长 的困难,提出了建造回旋加速器的工作原理。第二年他和他的研 究生一起制成世界上第一台回旋加速器。 回旋加速器结构紧凑、占地面积小,价格便宜,且运行维护方 便,已有商业产品出售。 适用于生产核医学用同位素,如11C, 13N, 15O, 18F, 67Ga, 111In, 123I, 201Tl等,可作放射性治疗,也供材料科学、活化分析及辐照探伤 等。

按照加速电场和粒子轨道的形态分类:

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静电加速器

1931年美国范德格拉夫(R. T. Van de Graaff)创建了第一台 静电加速器,质子能量被加速 到1.5 MeV;

高压型加速器,利用静电荷所 产生的高压电场来加速带电粒 子的加速器。 分为电子和离子静电加速器。

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中子引发的核反应类型

(n,γ)反应:

生产放射性核素普遍采用的核反应; 反应中核的原子序数没有改变,生成的核素一般都 是β放射性核素; 在高通量中子的作用下,靶核可能发生多次中子俘 获反应而得到质量数更高的核素,例如:44Ca (n,γ)45Ca(n,γ)46Ca(n,γ)47Ca等。 多中子俘获反应在超铀元素生产中非常重要。

事实上中子通量φ在所有靶体内都有一个降低梯度,为减 小误差应选择薄靶短时间照射。 反应截面不能太大,否则靶厚度影响不能忽略。

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带电粒子引发的核反应



主要是质子、氘核、3He和α粒子引起的核反应。 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。质子 引发的其它核反应有(p,2n),(p,α)反应。 氘核反应有(d,n),(d,2n),(d,α)反应。(d,n)反应通常 是放能反应,(d,2n)反应是吸能反应,后者要求氘核有较高的能量 (10-15 MeV)。(d,α)反应的库仑势垒较高,只能用于制备低原子 序数的放射性核素,如24Mg(d,α)22Na。 3He核反应有(3He,n),(3He,2n),(3He,p)等,如16O(3He, p)18F。 α粒子的核反应有(α,n),(α,p),(α,2n)等。如79Br(α, n)82Rb,121Sb(α,2n)123I。 α粒子引发的核反应广泛用于制备超铀 元素,如253Es(α,n)256Md。 制备超锕系元素则要用加速重离子的方法。
图为电子作圆周运动时产生辐射的示 意图。在电子运动轨道的切线方向发 出电磁辐射。
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同步加速器和同步辐射


同步辐射的发现是现代光源的一次极为重大的进展,是继历史上电 光源、x光光源和激光光源之后,对人类文明带来重要的变革的第四 个新光源。 使用光来观察物 质时,必须是所 用光的波长大致 与被观察的对象 的尺度相同。同 步辐射作为光源 范围大,适用于 研究原子、分子、 蛋白和细胞等。
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中子引发的核反应类型

(n,f)反应 次级核反应
6Li(n,α)3H产生的高能反冲氚的次级反应:在
反应堆中照射Li2CO3 时,氚能使氧发生16O(t, n)18F反应。

快中子与含氢(或氘)物质碰撞产生的p和d也可以 发生次级核反应:在反应堆中照射H310BO3可发生 10B(p,α)7Be反应,照射 LiOD可产生6Li(d, n)7Be反应。


φ——轰击粒子流的通量密度(中子/厘米2·秒); σA——靶核的核反应截面(b); NA——被照射物质中的靶原子数; NB——照射T时间后产核的原子数; λB——产核的衰变常数;
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产额计算

若轰击粒子的通量密度φ和核反应的截面σA为常数; 在大多数情况下,NA在照射过程中几乎保持不变,且 t=0时,NB=0; 上述微分方程的解为: NB=(φσANA/λB)[1-exp(-λBt)] 放射性活度为:AB=λBNB=φσANA[1-exp(-λBt)] [Bq或s-1]


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加速器的基本部件

粒子源 真空加速室 束流导引聚焦系统 束流输运与分析系统
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加速器的分类

依加速粒子达到的能量可分为:

低能加速器 中能加速器 高能加速器
< 100 MeV 100 MeV-1 GeV 1-100 GeV
超高能加速器 >100 GeV 静电加速器 直线加速器 回旋加速器 同步加速器
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产额计算

核反应产额计算的基本公式: NB=(φσANA/λB)[1-exp(-λBt)]

该式不能直接用于加速器生产核素的计算,因为反应 截面随轰击粒子能量的不同而有很大的变化,它是随 轰击粒子射入靶中的深度而变的变量。

实际生产中常根据厚靶产额进行计算。
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厚靶与厚靶产额

厚靶:靶的厚度大于轰击粒子在靶中的射程。 厚靶产额:在单位时间照射后,单位束流强度在厚靶 中产生的放射性活度。


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回旋加速器(cyclotron)
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同步加速器和同步辐射

同步加速器是一种可获得较高能量的加速粒子的装置。 工作原理:高速的粒子围绕着一条固定轨道作圆周运动,通过调变 轨道上磁场使之与粒子的能量同步增长,以维持粒子的旋转周期与 电场的周期同步,实现对粒子的共振加速。

高能粒子对撞机的出现和高能加速器的组合,使加速离子的能量大 大提高。如美国的质子反质子对撞机已在900 GeV能量下运行。北 京正负电子对撞机也达到2.8 GeV。




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反应堆

核反应堆的全称是核裂变反应堆(nuclear fission reactor),简称反应堆(reactor); 是一种可控核裂变链式反应并把产生的能量转 换成热能或电能的一种装置。 将于专章详细介绍(核能)


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放射性核素生产程序

根据核素的核性质和对产品的要求来确定生产程序:
直线加速器

属于直线共振加速器一类。应用高频电磁场来加速粒子的加速 器,被加速的粒子沿直线轨道运动。 1928年德国维德罗埃(R.Widroe)研制成功第一台直线加速器。 分为电子和离子直线加速器两类。 优点在于加速粒子的束流强度高,且能量可逐节增加,不受限 制。缺点是设备投资高,高频功率消耗大,致使运行费用昂贵。

常用单位:贝可/微安小时。
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产额计算

单位时间照射后,产核B的生成率为IYB,产核B的原子数为 IYB/λB,核B的原子数NB的净变化率为: dNB/dt= IYB/λB-λBNB 上式对t积分可得: AB=λBNB= IYB/λB[1-exp(-λBt)] 式中AB为核B的放射性活度,YB为产核B的厚靶产额,I为粒子束强 度(单位为微安)
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