放射性核素的制备

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分
类
人工放射性核素主要是通过中子和带电粒子如质子、氘核等轰击天然 稳定核素或235U等易裂变材料使其产生核反应来制备的。 中子核反应 带电粒子核反应 光核反应 重粒子核反应 低能核反应（E<50MeV） 中能核反应 （50MeV<E<1000MeV） 高能核反应 （E>1000MeV）
共同特点
✰ 起始都是长寿命元素，寿命大于或接近地球。
✰ 中间产物都有放射性气体氡。并有放射性淀质生成。 ✰ 最后都生成稳定的核数。
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1. 钍系—4n系 4n表示系中各核素的质量数为4的倍数
208Pb(稳定) Th 其起始元素是 232 通过一系列 α 衰变最后生成 90
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（2）靶子物的结构设计及制备
靶件的结构设计包括靶筒结构设计、靶芯的结构（靶子物的形
态）及其在靶筒内的分布方式设计。靶件需要根据反应堆所能提供
的辐照孔道的参数（孔道尺寸、中子类型及中子注量率分布）、靶 件装量及发热量、靶件辐照管道冷却方式以及靶件出入堆的抓取工 具等条件设计，以保证辐照时靶件及反应堆的安全。 制备辐照靶件时还要考虑靶子物装载量、内外包装形式等
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1. 放射性核素生产要求反应堆提供的条件
A. 高中子注量率
一般5×1013cm-2· s-1以上，特殊要求在1×1015cm-2· s-1以上
B. 足够的辐照时间
多达数十个的辐照孔道
C. 反应堆运行方式
依据生产放射性核素半衰期的长短设臵不同的运行方式
D. 反应堆安全保障
干孔道采用空气冷却靶件，湿孔道采用纯净水冷却靶件
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2.2.1 中子核反应及其特点
中子不带电，当它与原子核作用时，由 于不存在库仑势垒，因此不同能量的中子均 能引发核反应。 最主要的核反应类型有（n，γ）、 （n，p）、（n，α）、（n，f）、（n， 2n），以及多次中子俘获。
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上，但它的产量远比反应堆生产的小。
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核素发生器制备
将反应堆和加速器生产的某些放射性核素制成放射性核素发生器， 可为远离反应堆和加速器的地方提供短寿命放射性核素。
所谓放射性核素发生器就是一种可从较长半衰期的母 体核素中不断分离出短半衰期子体核素的一种装臵。由于 放射性子体核素伴随母体核素的衰变而不断累积，可每隔
的产物中也可提取大量的放射性核素。
核反应堆生产放射性核素已成为放射性核素的主要来源。
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加速器制备
用加速带电粒子轰击各种靶子物，能引起不 同的核反应，生成多种反应堆所不能提供的放射 性核素如18F、201Tl等。这也是人工放射性核素最 重要的来源之一。加速器能生产的放射性核素品 种较多，约占目前已知放射性核素总数的60%以
方式，即6Li（n, α）3H。
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2.2.2 反应堆辐照法生产放 射性核素
反应堆辐照法生产的放射性核素，其产量与产 品质量不仅受反应堆所能提供的辐照条件与能力影 响，而且与核反应的选择、靶子的制备、提取工艺 等因素有关。此外，还必须注意靶件在堆内辐照时
的安全性。
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核Байду номын сангаас术应用
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B 尽可能高的中子注量率
反应堆生产放射性核素的产额与中子注量率成正 比。因此，应采用尽可能高的中子注量率，以提高目
标核素的产额。
C 适合的辐照时间 某一同位素生产靶件的最佳辐照时间可以根据靶件的 辐照产额公式来计算。
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产额的计算
假设稳定核素S被入射粒子轰击生成放射性核素A，核素A仅以衰变 方式减少并且生成稳定核素B。
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（3）辐照靶件的焊封
辐照靶件必须具有良好的密封性，以保证同位素靶件在反应堆辐 照过程中不发生放射性物质泄漏。
（4）辐照靶件的质量控制
靶件需要经过靶件密封性检测、表面污染等检测合格后才能入堆辐照。 可采用的办法有工业CT、中子照相技术、γ谱仪测量等进行无损检测！
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4. 辐照靶件的处理
辐照后的靶件处理包括目标放射性物理处理、化
学处理及其进一步加工成各种放射性制品。辐照后的 靶件一般都需要经过化学处理（目标核素的分离与纯 化）后才能制成满足用户需要的放射性核素制品。 化学处理方法有溶剂萃取法、沉淀法、离子交换 法、蒸（干）馏、电化学法、热原子反冲法等。
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3. 靶件的辐照
选择合适的辐照条件和保证辐照过程的安全是至关重要的。靶件的 辐照应注意以下几点： A 选择适合的核反应及中子能谱
适合在反应堆上生产放射性核素，一般其原子序数要求在20以上。
对于原子序数位于20和35之间的放射性核素的生产，可以选用能量高
的快中子；当原子序数大于36时，通常选用（n, γ）反应生产放射性核 素。
表示衰变系中各核素的质量数为4的倍数+1
其起始元素是237Np通过一系列α衰变最后生成209Bi(稳定) 此系非天然放射性，在40年代，已通过各种核反应方法合成了这一放 射系的所有成员。其衰变子体中无放射性气体氡（Rn）
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宇生放射性核素
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22Na，它们是宇宙射线与空气中的N、O、Li 等作用在大气层中生成的。
1.（n, γ）反应
（n, γ）是生产放射性核素最重要、最常用的 核反应，利用（n, γ）反应可在反应堆上生产大 多数元素的放射性核素。
① 通过（n, γ）反应直接生成所需要的放射性核素 例如59Co（n, γ）60Co、191Ir（n, γ）192Ir、31P（n, γ）32P等。由于 （n, γ）反应直接生成的放射性核素均为靶元素的同位素，不能通过化 学方法将目标核素与其靶子元素进行分离，因此，所制备的放射性核素 一般都是有载体的。
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因此，核素A的净增长率为：
dN A s N s A N A dt
式中 NA为照射时间t后核素A的原子数。
初始条件t=0时，NA＝0，则上述微分的方程的解为：
N A (t )
其放射性活度为：
s N s A
(1 e
At
)
AA (t ) A N A s Ns (1 eAt )
( n，） S A B(稳定） s A
例：
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( n，） 24 24 Na Na Mg(稳定） 0.53b T1/2 14.66 h
在照射时间内，核素A的产率与入射粒子注量率Ф（cm-2· s-1）、热 中子俘获截面σs（b，1b=10-24cm2）和靶核数Ns成正比，即核素A的生 产率为ФσsNs；同进它又随着λANA的衰变速率而减少。
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2.1.2 人工放射性核素
1934年，法国科学家约里奥· 居 里夫妇用α粒子轰击铝发生核反应 获得了第一个人工放射性核素。之 后，人们通过反应堆、加速器等制 备了大量的各种人工放射性核素。
目前，已发现的放射性核素有 2000多种，其中人工放射性核素就 超过1600种。
235U等易裂变核素俘获中子发生（n,
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3.（n, p）反应
（n，p）反应要求中子有较高能量，一般由快中子诱发。 由于核内势垒随原子序数的增大而增高，因此，（n，p）反应适于 制备原子序数较低的放射性核素，如14C、32P、58Co等。
4.（n, α）反应
与（n, γ）反应加β-衰变以及（n，p）反应一样，利用（n, α）反应 也可以生产无载体放射性核素。用富集的6Li生产氚就是采用了该核反应
第二章 放射性核素的制备
主要内容
放射性核素的来源
反应堆生产放射性核素
加速器生产放射性核素
放射性核素发生器
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引 言
核技术应用的基础是射线与物质的相互作用，这些射线可由反应 堆、加速器直接提供，也可由放射性同位素衰变获得。
反应堆制备
产量大、品种数量多、生产成本相对低
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② 通过（n, γ）反应，再经核衰变生成所需要的放射性核素
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Mo(n, ) 99Mo 99Tc m
131 52
130 52
Te (n,γ)
Te
β15min
131 53
I
由于靶子元素与目标核素不是同一种元素，因此可通 过物理或化学方法将靶子元素与目标核素进行分离，获得 比活度、放射化学纯度及放射性核素纯度都很高的无载体 的目标核素。
目前放射性核素生产最主要的方式之一
加速器生产
生产能力低，但品种多、所生产的核素多 为无载体、比活度高。
本章中将主要介绍人工放射性核素的制备方法。
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2.1 放射性核素的来源
天然放射性核素 分 类 人工放射性核素
通过人工干预的核反应制备 核反应堆生产、加速器生产和核素发生器 从自然界存在的矿石中提取
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5. 放射性核素产品的质量 放射性核素的产品质量是通过物理检验、 化学检验以及生物检验等质量检验方法予以 保证的，其产品质量指标包括：放射性活度、 放射性纯度、放射化学纯度、化学纯度、载 体含量及医用制剂的无菌、无热源检测等。
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一定时间从母体核素中方便地分离出来并加以收集。
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2.2 反应堆生产放射性核素
核反应堆上制备放射性核素的方法主要有两种：
（1）通过反应堆产生的中子流照射靶子物，直 接生产或通过简单处理生产放射性核素，即（n， γ）法； （2）从辐照后的235U等易裂变材料产生的裂变 产物中分离，即（n，f）法。
2. 铀系—4n+2系
表示系中各核素的质量数为4的倍数+2
206Pb(稳定 U 其起始元素是 238 通过一系列α衰变最后生成 92 )
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3. 锕系—4n+3系 表示衰变系中各核素的质量数为4的倍数+3 其起始元素是235U通过一系列α衰变最后生成207Pb(稳定) 4. 镎系—4n+1系
表2-1 宇生核素示例
核素
14C 3H 7Be
半衰期 5730a 12.3a 53.28d
起源 宇宙射线作用，14N（n，p）14C 宇宙射线与N和O相互作用；宇宙线散裂； 6Li（n，p）3H 宇宙射线与N和O相互作用
天然活度 ～15Bq· g-1 ～1.2×10-3Bq· kg-1 ～0.01Bq· kg-1
入 射 粒 子 的 种 类
入 射 粒 子 的 能 量
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反应堆制备
作为人工放射性核素生产的重要设施之一，反
应堆可提供不同能谱的中子和较大的辐照空间，具
有可同时辐照多种样品、辐照的样品量大、靶子制 备容易、辐照操作简便、成本低廉等优点。此外，
从反应堆运行过程中核燃料因发生裂变核反应生成
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2.（n, f）反应
f） 反应，生成数百种裂变元素，因此裂变产 物的组成相当复杂。
以235U为例，它在热中子引起裂变的产物中包括36种元素的160多 种核素（A=72~161）。通过化学分离的办法可从这些裂变产物中提取 在国防工业和国民经济中有重要应用价值的放射性核素，如90Sr、 95Zr、99Mo、131I、137Cs、144Ce等。
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2.1.1 天然放射性核素
天然放射性核素
原生放射性核素
宇生放射性核素
原始存在于自然界中
宇宙射线与大气和地表中的 物质相互作用生成
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原生放射性核素
由三个天然放射性衰变系组成，即钍系(232Th或4n系)，
铀系（238U系或4n+2系），锕系（235U系或4n+3系)
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2. 靶件的制备
（1）靶子物的选择与处理
A 选择适合的靶子物化学形态 靶子元素含量尽量高、靶子元素的化学纯度要高、靶子物辐照后 易于处理并转化为所需的化学形态、堆内辐照时靶件的稳定性（化学 稳定性、热稳定性、辐照稳定性）好。 B 尽可能采用高丰度的靶子元素作为靶子物 如采用天然或低丰度的靶子元素作靶 ,某些核素要发生两次中子俘 获才能生产。