放射性核素的生产

放射性核素的主要生产方法有：
❶从自然界提取天然放射性核素；
❷利用反应堆生产；
❸利用加速器生产；
❹从辐照过的核燃料中提取裂变核素。后三项得到的核素称为人工放射性核素。此外，利用各种中子源、地下核爆炸过程也可以生产放射性核素。
天然放射性核素 自然界中存在的天然放射性重核素有三个放射系，每个放射系是由原始核素和它的一系列衰变子代组成的，即铀-钍系(4n系)、铀-镭系(4n+2系)、铀-锕系 (4n+3系)。它们除β-衰变外，还有α衰变。
也有少数天然放射性核素其原子序数在81以下，如⁴⁰K、⁸⁷Rb、¹¹⁵In和¹³⁵La等，它们半衰期长，量少。大气中也有微量的放射性核素(¹⁴C、³H等)，它们是由于宇宙射线轰击大气中的物质所引起的一些核反应的产物。
天然放射性核素的提取比较复杂，产量低、成本高，目前仅某些重元素放射性核素用这种方法生产，而这些核素在核医学中的直接应用极少，其中²²⁶Ra在1903年开始用于治疗，后来也逐渐被人工放射性核素¹³⁷Cs和⁶⁰Co所代替。
反应堆生产放射性核素 自从1946年美国首先用反应堆生产放射性核素以来，反应堆已成为生产放射性核素的主要工具。产额高、成本低是其主要优点。六十年代以前，核医学中使用的放射性核素，主要是用反应堆生产的。
生产放射性核素的反应堆具有各种不同的堆型，其中子通量范围在10¹¹～10¹⁵n/cm²·s。有些核素，如⁶⁰Co、¹⁴C和³H等，要获得比放射性高、活度大的产品，则要用高通量堆。快中子比例高的堆型对于(n,p)和(n,α)核反应更为有利。
生产某种核素时，必须选择合适的核反应、靶物和最佳辐照条件，使产品的产额高、杂质少、比放射性高、成本低以及辐照后便于化学处理。
在利用反应堆中子辐照生产放射性核素时，其中所发生的核反应可用下式表示：

A(n,X)B

其中，A为核反应前的核素，
B为核反应后的核素，
n为轰击的粒子，即中子，
X为发射的粒子(如质子、α粒子、γ线等)。
中子俘获(n,γ)反应 是反应堆生产放射性核素中最常用的核反应。所需中子的能量较低。反应过程中靶核俘获一个中子后，发射γ线。生成核与靶核原子序数相同，不能用化学方法将它们分离，因此产品是有载体放射性核素，如⁵⁹Co(n,γ)⁶⁰Co。若该核素很快又发生衰变(如β-,EC)，变成其他核素(C)，则原子序数与靶核不同，可用化学方法分离制得无载体放射性核素(C)。此过程可用下式表示：

A(n,γ)B →C

当核素B的半衰期长于核素C时，可以先制得核素B（称为母体），然后根据化学性质的不同，快速地不断地从核素B中分离核素C（称为子体）以供应用； 这种分离装置在核医学中被称为核素发生器(或“母牛”)(见“放射性核素发生器”条)。例如⁹⁹Mo-⁹⁹mTc发生器就是这样制得的，其核反应和衰变过程为： ⁹⁸Mo(n,γ)⁹⁹Mo^99mTc。
以下(n,γ)反应所生成的核素是核医学中常用的：
³¹P(n,γ)³²P
⁵⁹Co(n,γ)⁶⁰Co
²⁴Se(n,γ)⁷⁵Se
⁸⁶Rb(n,γ)⁸⁶Rb
¹⁹⁷Au(n,γ)¹⁹⁸Au

快中子的(n,p)和(n,α)反应 (n,p)和(n,α)反应需要较高的中子能量，因为复合核发射质子或α粒子时，要克服复合核库仑势垒的作用。这类反应生成的核素与靶核素的原子序数不同，故可以分离制得无载体放射性核素。由(n,p)和(n,α)反应生成的常用核素举例如下：
¹⁴N(n,p)¹⁴C
³⁵Cl(n,p)³⁵S
³²S(n,p)³²P
⁵⁸Ni(n,p)⁵⁸Co
⁸Li(n,α)³H
²⁷Al(n,α)²⁴Na
⁴⁰Ca(n,α)³⁷Ar
核裂变(n,f)反应 反应堆的核燃料中含有大量的裂变产物，这些产物是²³⁵U或²²⁸Pu俘获中子后发生裂变而产生的，可用下式表示：

U(n,f)→X

核裂变产物的组成随照射时间和冷却时间的不同而变化；照射时间和冷却时间越长，裂变产物中长寿命核素的相对含量越高。刚从反应堆内卸出的核燃料具有很高的比放射性，通常先放置水中冷却再进行化学处理，以便使短寿命的裂变核素衰变，有利于提取长寿命核素，例如在医学中应用的⁹⁰Sr和¹³⁷Cs等的制备就是如此。
在核医学中使用的显象剂，应是短寿命放射性核素。为了能从铀裂变产物中提取短寿命的裂变核素，必须采用类似于堆照生产核素的方法，即先制铀靶(通常用富集²³⁵U)放在反应堆中经短时间照射，然后出堆溶靶，利用适当的分离技术提取适用于核医学的某些核素。虽然这种方法的分离工艺比较复杂，并应严格控制长寿命裂变核素的沾污，但可以制取很有价值的放射性核素显象剂，例如无载体的⁹⁹Mo和¹³¹I。目前世界上已有许多国家用这种方法大批量地生产⁹⁹Mo^-99mTc发生器。¹³³Xe和1²²Te-¹³²I发生器更是只能通过这种途径来制备。
齐拉-却尔曼斯效应和二次核反应 有以下几点。
(1)齐拉-却尔曼斯效应： 1934年，齐拉-却尔曼斯用中子照射碘乙烷(C₂H₅I)时，发现1²7I(n,γ) ¹²⁸I核反应得到的¹²⁸I以游离状态存在于原来的靶化合物中。这说明C-I之间的化学键发生了断裂，其原因是¹²⁷I俘获中子生成¹²⁸I后激发出光子，使¹²⁸I受到反冲，而这种反冲的能量破坏了这个化学键。这种效应称为齐拉-却尔曼斯效应。借助这种反冲断键效应，可以用普通的化学分离代替复杂的同位素分离，制得高比放射性的核素，如⁵¹Cr、⁵⁹Fe、⁶⁴Cu和³²P等。
(2)二次核反应： 第二次核反应的轰击粒子是由中子在第一次核反应中产生的，这类核反应为反应堆生产缺中子的放射性核素提供了可能性。例如⁷Be、¹¹C、¹³N、¹⁸F等均可用二次核反应获得。
除上述几类核反应外，利用多次中子俘获(n,γ)反应，还可生产超铀元素。其他核反应很少用于生产放射性核素。
产额 利用反应堆生产的放射性核素的产额决定于该放射性核素的生成与衰变速率，它与下列因素有关： 中子通量，靶核的含量，生成某一特定核的反应截面，照射时间和子核的半衰期等。
制靶技术 制靶技术不仅影响产品的质量，而且还关系到反应堆的安全运行，极为重要。
(1) 靶物的选择： 用来放在反应堆中进行照射的物质称为靶物。靶物可以是元素或该元素的化合物。它的物理状态有固体、液体或气体，而固体靶用得最多。选择靶物时应考虑到：
❶靶物中靶元素的含量要高；
❷靶物要具有良好的热稳定性和耐辐照的性能，若含有水分或容易挥发的物质，则必须在制靶前除去；
❸靶物应该是高纯度的，特别是不应含有热中子截面大的杂质；
❹靶物要容易获得，价格便宜，而且辐照后便于化学处理。
(2) 靶容器和密封： 靶物应有双层包壳(称为内、外靶容器)。根据靶物性质的不同，内靶容器可以用石英或纯铝制成，外容器通常是纯铝（特殊靶物除外）。为了防止辐照过程中靶物或生成物泄漏，应该将靶容器密封，并应经严格检漏合格后方可入堆。气体靶和液体靶应专门设计耐压的靶容器。
加速器生产放射性核素 各种加速器中，回旋加速器用于生产放射性核素最为有效。加速器类型的选择主要取决于使用的目的、经济条件和技术力量。
加速器生产放射性核素的特征 有以下几点。
(1)产物大多为缺中子的放射性核素。这些核素是通过电子俘获或发射β+电子的方式衰变的，适于用γ照相机或正电子照相机探测。由于不发射β-粒子，病人所受照射剂量较小。
(2)产物大多为无载体放射性核素。因为利用加速器带电粒子轰击靶核所生成的核素与靶元素的原子序数不同，所以可用化学方法分离制得无载体、高比放射性的核素。
(3)加速器可生产短寿命、超短寿命的放射性核素。短寿命的放射性核素为快速进行生理过程的动态研究开辟了新的途径，而许多重要的、有价值的短寿命核素都是利用加速器生产的，如¹¹C、¹³N、¹⁵O和^81mKr等。
由此可见，利用加速器生产放射性核素具有独特的优点。实际上，在核医学中许多有意义的放射性核素，例如5⁷Co、⁶⁷Ga、⁶⁸Ga、¹¹¹In、¹²³I、⁸¹Rb、¹²3Xe、²⁰⁴Bi和²⁸¹Tl等，只能用加速器生产。当然，利用加速器生产放射性核素也有不足之处，例如单次产量较低，成本较高。常用的核反应 利用加速器生产某一种核素，往往可以通过多种核反应。因此在生产某种核素时，首先要选择适当的核反应，其次还要选择适当的轰击粒子及其能量（能量要超过该核反应的阈能），另外还必须注意产品的核纯度。在大多数情况下都用带正电的轰击粒子(p、d、3He和α等)，最常用的核反应是(p,Xn)、(²He,Xn)、(α,Xn)以及散变反应等，其中X是1,2,3……。(γ,n)和(γ,p)核反应也用于生产某些放射性核素。下表给出了利用加速器生产的一些放射性核素及其常用的核反应。
加速器生产的一些放射性核素及其常用的核反应

产 物	核 反 应	靶 核
11C 11C 11C 11C 12N 13N 13N 15O 15O 15O 19F	(p,n) (d,n) (3He,a) (p,a) (d,n) (3He,a) (p,a) (d,n) (2He,d) (p,pn) (a,d)	11B 10B 12C 14N 12C 14N 15O 14N 14N 16O 16O

（续表）

产 物	核 反 应	靶 核
16F 18F 18F 25Mg 43K 52Fe 52Fe 62Zn 67Ga 57Ga 67Ga 77Br 57mKr	(2He,p) (2He,n) (d,a) (a,2p) (a,p) (a,3n) (p,4n) (p,2n) (a,2n) (p,Xn) (d,Xn) (a, 2n) (a,2n) (81Rb衰变的子体)	16O 16O 20Ne 26Mg 40Ar 50Cr 55Mn 63Cu 65Cu 天然锌 天然锌 75As 79Br
111In 111In 122I 123I 123I 123I 123Xe 123Xe 129Cs 157Dy 157Dy 197Hg 201Tl 201Tl 203Pb 203Pb 204Bi 205Bi	(a,2n) (p,n) (a,2n) (2He,n) (p,n) (p, 2n) (p,5n) (2He,3n) (a,2n) (p,3n) (a, 2n) (p,n) (p,3n) (p,n) (p,n) (d,2n) (p,3n) (d,2n)	109Ag 111Cd（富集） 121Sb 122Te（富集） 122Te（富集） 124Te（富集） 127I 123Te（富集） 127I 159Tb 155Gd 197Au 202Tl 天然汞 203Tl 203Tl 206Pb 206Pb

产额 有以下二方面。
(1)薄靶： 若将靶物制成薄靶，而且轰击粒子的通量是恒定的，则影响放射性核素产额的因素与影响反应堆产额的因素相似。
(2)厚靶： 在实际生产中都采用厚靶。因此其反应截面强烈地依赖于轰击粒子的能量。由于入射粒子进入靶物后，能量逐渐减少，所以不同深处靶核的反应截面及产额也不同。这种核反应截面随粒子能量变化的关系称为“激发函数”。将实验测得的激发函数曲线进行图解积分，即可求得厚靶产额。该产额也可以用公式计算得到。
制靶技术 加速器的制靶技术比较复杂。由于靶物在辐照过程中单位面积发热量很大，因此，要求靶物导热性能良好并有冷却装置。另外为了增加受轰击的面积，通常还用振动式、旋转式或偏转式靶。靶物的选择与上述堆照条件类似，不同的是加速器靶必须采用高熔点的靶物，而且富集靶用得更为普遍。被辐照的靶有内靶和外靶之分。内靶放置在真空室内，此处束流强，但靶发热量大，所以要特别注意冷却和降低靶面功率密度； 外靶放在真空室外，此处虽然束流较弱，仍须考虑冷却，但操作较方便。加速器的制靶过程是将靶物制成金属箔或金属片的形式附着在某些衬托物上(如铜、银)。常用的制靶工艺有：电沉积法；真空蒸发法；在惰性气氛中将靶物熔化后附着在衬托物的沟槽里制成；机械法和焊接法。
靶的设计应该考虑到装卸方便，辐照后能自动卸靶或适于远距离操作。对于短寿命放射性核素的生产来说，设计靶时还应考虑提供在线合成的条件。
放射性核素的制备工艺 有以下几个方面。
工艺要求 医用放射性核素制备是放射性操作，不少产品是供病人体内应用的短寿命放射性核素。因此工艺上要求方法安全、设备简单、无菌操作，而且容易实现远距离操作。根据核素的性质、放射性活度的大小和射线的不同类型，采用相应的防护措施和设备(如通风柜、手套箱、工作箱和热室等)。
分离技术 放射性核素的分离包括：
❶生成的无载体核素与靶物的分离；
❷生成的核素与副反应产生的不同核素的分离。这种从大量靶元素中分离微量放射性核素的化学操作是有不少困难的。到目前为止，分离的方法很多，已经被广泛采用的有蒸馏法、升华法、结晶共沉淀法、无机层析法、有机层析法(阳、阴离子交换法)、溶剂萃取法、胶体化学法、电化学法以及萃取层析法等。萃取层析法是五十年代末期才建立和发展起来的一种新的分离技术，它结合了溶剂萃取法的高选择性和离子交换法的高效性两大优点。分离方法的选择主要依据核素的化学性质和物理性质的不同。在制备放射性核素的工艺流程中，可以选用一种或多种分离方法，以便达到对产品核素分离、纯化的目的。
产品制剂的形式 放射性核素产品制剂的形式可为液体、气体和固体三种。在核医学中尤以液体制剂形式为最多，而液体制剂又可分为适于体内应用的注射剂或口服制剂； 适于体外分析用的各种有机、无机标记物；发生器装置和试剂盒四种形式。
工艺流程 医用放射性核素生产的整个工艺过程可以用下面的方块图表示：

医用放射性核素生产工艺方块图

放射性核素的质量控制 为了保证产品在使用过程中安全、有效，应该对生产的全过程进行质量控制，特别是医用放射性核素的质量控制更应严格、全面。
制备过程的控制 任何靶物在辐照前应经分析鉴定，合格的才能使用；选择最佳辐照条件和“冷却”时间，以使副反应产生的放射性杂质控制在最低限度，而产品的产额最高；严格遵守工艺操作规程，并进行流程质量监督，以使产品的形式符合规定的指标；在整个制备工艺过程中，要防止外来放射性核素的沾污，严禁引入有热原、有菌的介质。
最终产品的质量鉴定 在核医学中所用的各种放射性核素产品必须经过严格的物理、化学和生物方面的鉴定，符合药物规定者方可用于临床(见“放射性药物”条)。