Produkcja radioizotopów

Akceleratory cząstek były pierwszym chronologicznie źródłem izotopów sztucznie promieniotwórczych, zanim rozpoczęto produkcję izotopów w reaktorach. Obecnie stosuje się akceleratory do produkcji izotopów o krótkich czasie rozpadu przeznaczone do badań medycznych. Początkowo były to badania scyntygraficzne na dwuwymiarową rejestrację procesów fizjologicznych w organizmie. Współcześnie stosuje się techniki trójwymiarowe takiej jak  tomografia emisyjna pojedynczych fotonów (SPECT - single photon emission computed tomography) oraz pozytonowa tomografia emisyjna (PET - positron emission tomography). Wszystkie te techniki diagnostyczne opierają się na wprowadzeniu do organizmu pacjenta farmaceutyków znakowanych izotopami promieniotwórczymi. Rejestracja emitowanego promieniowania umożliwia ocenę morfologiczną (położenie, wielkość, kształt, strukturę) i funkcjonalną (klirens, przepływ, zdolność gromadzenia - w przypadku np. jodu w tarczycy) narządu.

Około połowy produkowanych izotopów promieniotwórczych należy do grupy izotopów mających nadmiar neutronów w stosunku do liczby protonów. Wytwarzane są one w reaktorach. Drugą połowę stanowią izotopy z nadmiarem protonów w stosunku do neutronów, które produkowane są za pomocą akceleratorów jonów dodatnich, głównie cyklotronów i akceleratorów Van de Graaffa.

Rodzaje izotopów wytwarzane za pomocą cyklotronu [1]

Przykładowy system produkcji radioizotopów

Ten i poniższe obrazki pochodzą z [2]

System dostarczający radioizotopy zbudowany jest z trzech głównych bloków.

  1. Cyklotronu który jest akceleratorem cząstek używanych w produkcji radioizotopów.
  2. Bloku biosyntezy gdzie radioizotopy są łączone z odpowiednimi związkami biochemicznymi.
  3. Komputera sterującego procesem produkcji.

Działanie cyklotronu

Cyklotron składa się z pary półkolistych, wydrążonych metalowych elektrod nazywanych duantami, umieszczonych między biegunami elektromagnesu. Duanty rozdzielone są od siebie wąską szczeliną. W środku duantów znajduje się źródło jonów (zazwyczaj gazowej lampy wyładowczej) które służy do wytwarzania naładowanych cząstek.

W trakcie pracy, cząstki takie jak ujemnie naładowane jony wodoru są generowane w wyładowaniach łukowych w źródle jonów.
Ujemne jony są wstrzykiwane do zbiornika próżniowego, gdzie zyskują energię dzięki zmiennemu polu elektrycznemu indukowanemu na duantach. Poza silnym polem elektrycznym istnieje też silne pole magnetyczne prostopadłe do płaszczyzny ruchu jonów. Pole magnetyczne powoduje zakrzywienie toru ruchu jonów tak że poruszają się one po okręgach.

Gdy jony dotrą do krawędzi duantu zmienia się polaryzacja napięcia dunatów. I tak dunat który przyciągał jony odpycha je. Za każdym razem gdy jony przechodzą przez szczelinę zwiększają swoją energię . Rośnie także promień po którym się poruszają.

Strumień ujemnych jonów kierowany jest na pierwszą „karuzelę” umieszczoną między akceleratorem a tarczą komory A. „Karuzela” zawiera cienką folię węglową która pozbawia jony H- dwóch elektronów. Pozbawione elektronów jony stają się jonami H+ lub protonami. Dzięki ruchomej głowicy „karuzeli” wiązka protonów może zostać rozdzielona i skierowana do dwóch różnych tarcz.

Folia pozbawiająca jonów jest umieszczona częściowo w wiązce, tak że tylko fragment wiązki jest ekstrahowany. Pozostałe cząstki są nadal krążą po kolejnej orbicie kołowej.
Pozbawione dwóch elektronów jony H- zmieniają stają się jonami H+. Nadal jednak znajdują się w polu magnetycznych, które powoduje zakrzywienie ich toru w kierunku stycznym do ich poprzedniej orbity. Powoduje to oddalanie się wiązki od środka cyklotronu. Strumień protonów jest kierowany w stronę komory z tarczą.

Komora z tarczą jest zintegrowana z całym systemem produkcji radioizotopów. Komora z tarczą zapewnia możliwość łatwej i bezpiecznej wymiany naświetlanych próbek. Przed bombardowaniem, komora wypełniana jest chemicznie stabilnym izotopem. Wiązka protonów z cyklotronu uderza w materiał tarczy i na skutek reakcji jądrowej zamienia stabilny izotop w izotop promieniotwórczy. Izotopy te są niestabilne i ulegają rozpadowi w wyniku którego emitowane są na przykład pozytony. Cecha tak wykorzystywana jest w obrazowaniu PET (Positron Emission Tomography).

Uzyskane izotopy przenoszone są do bloku biosyntezy, gdzie w wyniku reakcji chemicznych łączone są użytecznymi w zastosowaniach medycznych substancjami. Takie substancje które zawierają w swojej strukturze substancje promieniotwórcze nazywane są radioznacznikami.
Cały proces produkcji radioizotopów kontrolowany jest przez komputer. Operator wybiera jedynie rodzaj potrzebnego radioizotopu. Dalsze czynności takie jak sterowanie akceleratorem, ładowanie tarczy czy biosynteza wykonywane są automatycznie. Pozwala to zmniejszyć do minimum narażenie personelu na ekspozycję na promieniowanie jonizujące.

Źródła

  1. Waldemar Scharf, Akceleratory cząstek naładowych i ich zastosowania, PWN, Warszawa 1978, strony 355-360
  2. http://www.crump.ucla.edu/lpp/radioisotopes/radioisoprod.html
  3. Ugo Amaldi, Accelerators for medical applications pdf
  4. Broszura informacyjna cyklotronów dla PET firmy Siemens pdf