8.5.2 Artificial Radioactive Tracers
In kernreactoren kunnen radioactieve tracers worden geproduceerd door kernreacties met neutronen of door de opwerking van gebruikte splijtstofelementen (splijtingsproducten en transuraniumelementen). Splijtingsproducten kunnen ook worden verkregen door de bestraling van uranium als target. In versnellers (cyclotrons of lineaire versnellers) worden de doelwitten bestraald met positief geladen deeltjes. De algemene kenmerken van kernreacties worden besproken in hoofdstuk 6, Kernreacties. De belangrijkste radioactieve tracers worden afzonderlijk getoond in Paragraaf 8.6.
De bereiding van radioactieve tracers bestaat uit twee stappen: de bereiding van de isotoop door middel van een kernreactie en de bereiding van de gewenste verbinding door middel van chemische processen. Bij de meeste bestralingsprocessen zijn de chemische species van het doel en het produkt verschillend, dat wil zeggen dat de voor de toepassing benodigde chemische species niet altijd rechtstreeks kunnen worden geproduceerd. Twee belangrijke processen zijn hiervoor verantwoordelijk. Ten eerste kan de radiolyse van het doelwit tijdens de bestraling plaatsvinden, waardoor de chemische species veranderen. Ten tweede kunnen de andere bestanddelen van het doelwit ook worden omgezet in nucleaire reacties; en het product kan ook andere radioactieve isotopen bevatten. Verdere reacties die tot de vorming van ongewenste nevenproducten kunnen leiden, zijn de kernreacties van andere isotopen en chemische onzuiverheden van de target, en secundaire kernreacties met de reeds geproduceerde radioactieve isotopen.
De target moet zo worden gekozen dat de hoeveelheid van het verontreinigende product tot een minimum wordt beperkt. Daarom moet het doelwit een zeer zuivere stof zijn en, indien mogelijk, in elementaire vorm. Oxiden en carbonaten zijn eveneens geschikt omdat de kernreacties van zuurstof en koolstof kunnen worden genegeerd en de producten stabiele isotopen zijn.
Wanneer de andere nucliden van het bestraalde element kernreacties aangaan waarbij ongewenste radioactieve isotopen worden geproduceerd, moet het doelwit na bestraling worden verrijkt, d.w.z. dat de concentratie van het isotoop moet worden verhoogd. Natuurlijk zilver bestaat bijvoorbeeld uit twee isotopen: 107Ag en 109Ag. Door bestraling van zilver met neutronen ontstaan de isotopen 108Ag en 110Ag in een (n,γ)-reactie. Wanneer slechts één van deze isotopen nodig is, kunnen zilverisotopen worden gescheiden door massaspectrometrie.
Verrijkte targets worden gebruikt wanneer de concentratie van de doelnuclide zeer laag is in de stof met een natuurlijke isotopenverhouding. Het isotoop 18F wordt bijvoorbeeld uit 18O geproduceerd door bestraling met protonen. In het geval van verrijkte targets neemt ook de specifieke activiteit van de produktnuclide toe.
In sommige kernreacties kunnen ook secundaire kernreacties plaatsvinden. Bijvoorbeeld bij de productie van 125I treedt de daaropvolgende kernreactie van 125I op: 125I(n,γ)126I. Het effect van de secundaire kernreacties kan worden beperkt door de bestralingstijd te regelen of door het ongewenste isotoop af te koelen als zijn halveringstijd korter is dan die van het hoofdproduct.
De gewenste radioactieve isotopen kunnen worden gescheiden door middel van radiochemische methoden (zoals chromatografie, ionenwisseling, destillatie, sublimatie, precipitatie, en thermochromatografie). Hoe eenvoudiger de methode, hoe beter.
Zoals eerder vermeld, moeten de radioactieve isotopen verder worden gemanipuleerd om de chemische verbindingen te verkrijgen die nodig zijn voor de specifieke toepassing, waaronder de productieomstandigheden (pH, redoxpotentiaal, enz.), chemische reacties en zuiveringsprocedures.
Het is belangrijk om tijdens de productie van de radioactieve isotoop te onthouden dat een drager-vrije of slechts minimaal drager-bevattende isotoop een hoog niveau van specifieke activiteit heeft. Draagstofvrije isotopen kunnen worden geproduceerd in kernreacties waarbij het atoomnummer verandert of waarbij de dochternuclide van het product eveneens radioactief is, en zij kunnen worden gescheiden van de moedernuclide die door de kernreactie wordt geproduceerd. Dezilard-Chalmers-reactie bijvoorbeeld kan worden gebruikt om bepaalde dragerloze radioactieve isotopen te produceren. Deze methode is gebaseerd op het terugkaatsen van de geproduceerde radioactieve isotoop, wat leidt tot het verbreken van zijn chemische binding. Op deze wijze wordt een nieuwe chemische verbinding gevormd, en het doelwit en het product, die verschillende isotopen van dezelfde elementen bevatten, kunnen door chemische procedures worden gescheiden omdat de radioactieve en de inactieve isotopen zich in verschillende chemische verbindingen bevinden. Zo kan in kernreacties 127I(n,γ)128I het jood in het doelwit een organische verbinding of jodaat zijn, en het radioactieve jood is aanwezig als jodide-ion. Broom- en chloorisotopen hebben vergelijkbare kern- en Szilard-Chalmers-reacties. Bovendien kunnen dezelfde reacties worden gebruikt voor de inactieve chroom-, mangaan-, fosfor- en arseenisotopen in chromaat-, manganaat-, fosfaat- en arsenaationen. Radioactieve isotopen zonder draaggolf met hoge specifieke activiteit kunnen worden geproduceerd door kernreacties met hoge doorsneden, vooral wanneer de halveringstijd van het product te kort is om bestraling gedurende een voldoende lange tijd mogelijk te maken, d.w.z. wanneer de maximale activiteit van het radioactieve product kan worden benaderd (zie paragraaf 6.1 en Eq. (6.9) en Eq. (6.11)).
Zoals besproken in paragraaf 6.2.1 kunnen de kernreacties met neutronen gemakkelijk in kernreactoren tot stand worden gebracht. Radioactieve isotopen kunnen worden geproduceerd door de bestraling van een doelstof die zich op de bestralingskanalen van de kernreactoren bevindt. De andere mogelijkheid voor de produktie van radionucliden in kernreactoren is de opwerking van gebruikte splijtstofelementen. Op die manier kunnen splijtingsproducten en isotopen van transuraniumelementen worden verkregen. De twee methoden kunnen worden gecombineerd: een target dat de 235U-isotoop bevat, kan in de bestralingskanalen van de reactor worden bestraald, waarna de radioactieve isotopen van het target kunnen worden gescheiden. Deze procedure is van belang voor de produktie van splijtingsprodukten met een korte halveringstijd.
Zoals besproken in paragraaf 7.3.2 is de eerste stap bij de opwerking van verbruikte splijtstofelementen (of het bestraalde 235U) de afscheiding van transuraniumelementen, in de meeste gevallen door extractie met tributylfosfaat, gevolgd door verdere chemische procedures. Het aantal splijtingsproducten bedraagt ongeveer 300, met inbegrip van de isotopen met een langere halveringstijd. Deze splijtingsproducten zijn de isotopen van vele chemische elementen; daarom is de chemische procedure meestal ingewikkeld. Eerst worden de chemisch gelijksoortige splijtingsproducten gescheiden door methoden als extractie, ionenwisseling en precipitatie, en vervolgens worden de afzonderlijke isotopen gescheiden van de groepen van de chemisch gelijksoortige elementen.
Als voorbeeld van de scheiding van splijtingsproducten, wordt hier de scheiding van 140Ba getoond. Aan de oplossing van splijtingsproducten wordt een loodsulfaatoplossing toegevoegd en vervolgens wordt loodsulfaat dat 140Ba(II)-ionen bevat, neergeslagen met zwavelzuur (coprecipitatie):
Het neerslag, verontreinigd met 90Sr, wordt ontsloten met KNaCO3 en opgelost in salpeterzuur. Vervolgens wordt barium-loodcarbonaat geprecipiteerd met ammoniumcarbonaat en opnieuw opgelost in salpeterzuur. Het neerslaan met carbonaat en het oplossen met salpeterzuur wordt herhaald totdat de radioactieve zuiverheid van het neerslag hoog is. Wanneer de gewenste zuiverheid is bereikt, wordt geconcentreerd zoutzuur bij 0°C aan de oplossing toegevoegd. Loodionen worden neergeslagen als loodchloride, terwijl bariumionen in de oplossing achterblijven. De overblijvende loodionen worden geëlimineerd door elektrolyse. Met deze methode worden dragervrije 140Ba isotopen verkregen.
Radioactieve isotopen kunnen worden geproduceerd door bestraling met geladen deeltjes (zoals besproken in paragraaf 6.2.3) in een cyclotron (zie fig. 8.7), of in lineaire versnellers (zie fig. 8.8). Deze methode is ouder dan de kernreactie met neutronen in kernreactoren. Zoals besproken in Paragraaf 6.2.6, zijn de zwaardere transuranium elementen geproduceerd door bestraling met geladen deeltjes. Tijdens de isotopenproductie in versnellers wordt het target zeer heet; daarom is de koeling zeer belangrijk, en worden zelfs cryogenen toegepast, indien nodig (zie fig. 8.9). De eisen aan het doelwit zijn dezelfde als in de kernreactoren.
Figuur 8.7. (A) Het schema van de cyclotron. (B) Het eerste cyclotron in Berkeley (de diameter van het versnellingskanaal is ongeveer 12 cm).
Figuur 8.8. Het schema van een lineaire versneller
Protonen vliegen door de buizen die met wisselspanning worden gevoed. De lengte van de buis wordt aangepast aan de frequentie van de wisselspanning, zodat de protonen telkens wanneer zij van de ene buis in de volgende overgaan een versnellende spanning ondervinden.
Figuur 8.9. Het ontwerp van het cryogene doel in een cyclotron.
Gedrukt uit Firouzbakht, M.L., Schlyer, D.J., Fowler, J.S., 2006. Cryogenic target design considerations for the production of fluoride from enriched carbon dioxide. Nucl. Med. Biol. 26, 749-753 Firouzbakht et al. (2006), met toestemming van Elsevier.
Enkele radioactieve isotopen worden ook door spallatiereacties geproduceerd (zie Paragraaf 7.3.2).
In Fig. 6.7 zijn de verschillende mogelijkheden samengevat die leiden tot de productie van een nuclide met een Z atoomnummer en een A massagetal, inclusief de vorming van de nuclide door radioactieve vervalen. Bij de keuze van een methode voor isotopenproductie moet rekening worden gehouden met de algemene kernreacties, de eisen die aan de isotoop worden gesteld wat betreft zuiverheid en gebruik, en de beschikbare technieken.