Планарне джерело фотонного випромінення

Реферат: Планарне джерело фотонного випромінення належить до області ядерної технології і може бути використаний в ядерній медицині. Джерело включає радіоактивну пластинку, що випромінює фотони з енергією E  . Особливістю є те, що як другий фотонний випромінювача використовується нерадіоактивна друга пластинка з хімічно чистої простої речовини, що має енергію фотонів характеристичного рентгенівського випромінення (ХРВ) E x1 нижче E  . Послідовно щодо приймача випромінення за радіоактивною пластинкою може бути розміщена нерадіоактивна третя пластинка з такої ж речовини, як речовина другої пластинки, або з іншої хімічно чистої простої речовини. Запропоноване планарне джерело забезпечує можливість зміни енергії фотонів за простішою процедурою, що не потребує складного обладнання для роботи з радіоактивними об'єктами, з можливістю формування як дво-, так і трифотонних спектрів. UA 112717 C2 (12) UA 112717 C2 UA 112717 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до області ядерної технології і може бути використаний в ядерній медицині, зокрема, для діагностики остеопорозу методом планарної променевої абсорбціометрії, а також у промисловій дефектоскопії, інспекційному контролі, гаммаспектрометрії. В даний час в ядерній медицині для абсорбціометрії застосовують радіоактивні джерела фотонного випромінення, які випромінюють фотони з двома енергетичними лініями. Наприклад, для двофотонної абсорбціометріі остеопорозу застосовують гамма-джерела на основі ізотопу Gd-153 (T1/2=241 день), що мають основні лінії випромінення 44 і 100 кеВ. Такі джерела отримують з опромінених на ядерному реакторі мішеней шляхом радіохімічного виділення ізотопу Gd-153 і його нанесення на підкладку [1]. Ці процедури достатньо складні, дорогі і пов'язані зі значною кількістю радіоактивних відходів, а одержувані γ-джерела належать до відкритого типу, тобто вимагають особливих заходів безпеки. Крім того, такі джерела зазвичай мають малі розміри (кілька мм у діаметрі). Тому в медичній діагностиці для отримання двомірного зображення необхідно використовувати додатковий складний пристрій, що забезпечує синхронне переміщення з високою точністю (відносно об'єкта) радіоактивного джерела і детектора (сканування об'єкта), а також складне математичне забезпечення для відновлення зображення об'єкта з отриманого сигналу детектора. Крім того, джерела на основі ізотопу Gd-153 мають строго задані енергії ліній випромінення без можливості їх зміни. Відомі також джерела на основі рентгенівських трубок. Для отримання двофотонного спектра почергово прикладають до трубки дві напруги (зазвичай 140 і 80 кВ) або застосовують спеціальні фільтри [2]. З урахуванням складності виготовлення, такі джерела є досить громіздкими, дорогими, мають порівняно невеликий експлуатаційний ресурс, а одержуваний двокомпонентний спектр характеризується досить широкими піками і невисокою стабільністю, що обмежує роздільну здатність діагностики з використанням такого обладнання. Крім того, на цій основі важко отримувати компактні джерела поля випромінення з високою просторовою однорідністю і змінною енергією фотонів, а також з можливістю їх переміщення щодо досліджуваного об'єкта. Ця обставина, зокрема, ускладнює реалізацію двофотонного варіанта широко використовуваної у даний час однофотонної периферійної кількісної томографії. Двофотонний варіант є перспективним для ранньої діагностики остеопорозу та інших захворювань [2]. Відомо, що радіонукліди, що розпадаються через електронний захват, випромінюють Ожеелектрони і фотони характеристичного рентгенівського випромінення (ХРВ). Такі радіонукліди можна напрацьовувати в фотоядерних (γ, xn) реакціях під впливом гальмівного випромінення прискорювача електронів з енергією гальмівних фотонів вище порога відповідної реакції. Найбільш високоенергетична частина спектра ХРВ відповідає переходам орбітальних електронів на вільний К-рівень. Значення енергії К-ліній випромінення знаходяться в межах від 13 еВ у водню до ~ 120 кеВ в урану, тобто перекривають діапазон енергій, придатних для використання в інтроскопії. Відоме планарне джерело фотонного випромінення [3], яке вибрано як найбільш близький аналог. Це джерело включає радіоактивну пластинку, яка випромінює фотони з енергією E  і другу радіоактивну пластинку, яка випромінює фотони з енергією, іншою, ніж E  , тобто є двофотонним. А саме, джерело містить суміщені однофотонні випромінювачі у вигляді радіоактивних пластинок з танталу і нікелю 0,1 мм завтовшки кожна. Першарадіоактивна пластинка з нікелю містить радіонуклід Со-57, який напрацьовувався у фотоядерних реакціях при активації стабільного ізотопу Ni-58 (68,27 % у нікелі природного складу) потоком гальмівного γ-випромінення прискорювача електронів одночасно за двома каналами: 1) 58 57 Ni(γ,p) Co з порогом 8,17 МеВ та 50 2) 58 Ni ( ,n)57 Ni 55    T1 / 2  35.6 год. 57 Co з порогом 12,22 МеВ. Другий випромінювач отриманий при дії гальмівних фотонів на природний тантал. У 181 179 результаті напрацьовувався ізотоп Та-179 з реакції Та(γ,2n) Та, що має енергетичний поріг 14,2 МеВ, причому вміст ізотопу Та-181 у природному танталі становить майже 100 %. Радіонуклід Та-179 розпадається через К-захоплення з енергією фотонів ХРВ Ех~55 кеВ. Основним видом розпаду Со-57 також є К-захоплення з найбільш інтенсивною лінією γвипромінення 122 кеВ. Враховуючи, що γ-кванти з такою енергією відносно слабко 1 UA 112717 C2 5 10 15 20 25 поглинаються в танталі товщиною 0,1 мм, шляхом накладання активованої фольги з танталу і нікелю отримують планарне двофотонне джерело. Таке джерело характеризується високою стабільністю і більш вузькими смугами випромінення, ніж джерела на основі рентгенівських трубок. Однак, ці смуги випромінення є строго фіксованими за енергією, а також більш розширеними порівняно зі спектром ХРВ танталу за рахунок внеску ХРВ гафнію і вольфраму. Ці два елементи утворюються в танталі в результаті розпаду короткоживучого радіонукліда Та181 180 180, який напрацьовується одночасно з Та-179 у реакції Та(γ,n) Та з порогом 7,6 МеВ і в 180 180 результаті розпаду (Т1/2=8,15 годин) переходить у стабільні Hf (86 %) і W (14 %). У такому двофотонному джерелі для зміни енергії фотонів одного з випромінювачів необхідно одну з радіоактивних пластинок міняти на іншу радіоактивну пластинку з іншим спектром випромінення, що досить складно, оскільки не завжди можна підібрати реакцію, яка забезпечує вихід радіонукліда - гамма-емітера з потрібною енергією фотонів. Навіть у разі наявності придатної реакції потрібно мати набір радіоактивних випромінювачів і забезпечити відповідні умови для їх зберігання та використання. Крім того, відношення інтенсивності смуг у такому джерелі змінюється в процесі його експлуатації відповідно різним періодам напіврозпаду різних радіонуклідів. В основу винаходу поставлена задача удосконалити планарне радіоактивне джерело для формування принаймні двофотонного випромінювача з можливістю зміни енергії фотонів одного з випромінювачів за більш простою процедурою, що не вимагає складного обладнання для роботи з радіоактивними об'єктами. Удосконалення повинно здійснюватися шляхом нового поєднання відомих методів отримання ХРВ, вибору матеріалу, кількості і товщини активних і неактивних компонентів джерела, а також порядку їх взаємного розташування при забезпеченні достатніх інтенсивностей кожної зі смуг випромінення джерела. Поставлена задача вирішується в планарному радіоактивному джерелі, що патентується, яке також, як і найближчий аналог, включає радіоактивну пластинку, що випромінює фотони з енергією E  . Джерело, що патентується, відрізняється від найближчого аналога тим, що як другий фотонний випромінювач використовується нерадіоактивна друга пластинка з хімічно чистої простої речовини, що має енергію фотонів ХРВ E x1 , нижчу, ніж E  . 30 Радіоактивна пластинка може містити радіонуклід - гамма-емітер, утворений шляхом активації її гальмівним випроміненням, одержуваним на прискорювачі електронів. Товщина d радіоактивної пластинки може бути вибрана з умови: 2   d   2 (E  ) 1 , де 2 35 40  2 (E  ) - масовий коефіцієнт ослаблення випромінення радіоактивної пластинки в її матеріалі. Використовувана як другий фотонний випромінювач нерадіоактивна друга пластинка, може бути розміщена перед радіоактивною пластинкою зі сторони об'єкта, що опромінюється. Для отримання максимального виходу ХРВ товщина dmax нерадіоактивної другої пластинки 1 повинна відповідати умові:    (E ) max d1  1(E x1 )  1(E  ) 1  ln 1 x1 , де 1(E  ) 45 50 1(E  ) - масовий коефіцієнт ослаблення вищезгаданого випромінення радіоактивної пластинки в матеріалі другого фотонного випромінювача; 1(E x1 ) - масовий коефіцієнт ослаблення в матеріалі вищезгаданої нерадіоактивної пластинки збуджуваного в ній ХРВ. Послідовно щодо приймача випромінення за радіоактивною пластинкою може бути розміщена нерадіоактивна третя пластинка з такої ж речовини як речовина другої пластинки з   енергією ХРВ E x1 , товщина якої не менша величини 1(E x1)  1(E  ) 1 . В іншому варіанті для реалізації трифотонного планарного джерела послідовно відносно об'єкта, що опромінюється, за радіоактивною пластинкою може бути розміщена нерадіоактивна 2 UA 112717 C2 5 третя пластинка з хімічно чистої простої речовини, іншої, ніж речовина другої пластинки. Ця третя пластинка повинна мати енергію фотонів ХРВ, меншу, ніж E  , але іншу, ніж E x1 . Розглянемо яким чином особливості планарного джерела фотонного випромінення, що патентується, дозволяють досягти вищезгаданий технічний результат. Потік випромінення з радіоактивної пластинки з енергією фотонів E  впливає на нерадіоактивну другу пластинку і збуджує в її об'ємі ХРВ з енергією E x1 , вихід якого з джерела в сторону об'єкта, що опромінюється, Ф(E x1) становить: Ф(E x1 )      Ф 1(E  ) exp  1(E  )  d1  exp1(E x1 )  d1   2 1(E x1 )  1(E  ) 1,2 (E  ) , де 10 d1 - товщина нерадіоактивної пластинки, Ф1,2 (E  ) - потік фотонів з енергією E  на межі розділу між радіоактивною і нерадіоактивною 15 20 другою пластинками. З цього виразу випливає, що максимальний вихід ХРВ забезпечується при товщині другої пластинки dmax , що відповідає вищевказаному співвідношенню. 1 При використанні нерадіоактивної третьої пластинки потік фотонів з радіоактивної пластинки також збуджує в ній ХРВ. Для цієї пластинки з речовини такої ж, як і речовина другої нерадіоактивної пластинки, частина збуджуваного в ній ХРВ після проходження через радіоактивну і другу нерадіоактивну пластинку забезпечує збільшення інтенсивності (низькоенергетичної смуги) джерела, що пропонується у варіанті з двофотонним випромінюванням. Доцільно, щоб у цьому випадку товщина нерадіоактивної третьої пластинки  25 30 35 40 45  була не менш 1(E x1)  1(E  ) 1 . Виконання цієї умови забезпечує максимальне збільшення виходу випромінення, яке визначається її внеском. У випадку, коли як нерадіоактивну третю пластинку використовується пластинка з хімічно чистої простої речовини, іншої, ніж речовина другої пластинки, планарне джерело, що патентується буде випромінювати фотонне випромінення з трьома різними енергетичними смугами, тобто буде трифотонним. Як випливає з вищевикладеного, в планарному джерелі фотонного випромінення, що патентується, крім основної радіоактивної пластинки використовуються неактивовані, нерадіоактивні пластинки для отримання двофотонного або трифотонного випромінення. При цьому досить просто реалізувати можливість зміни енергії одержуваного дво- та трифотонного випромінювача шляхом заміни нерадіоактивних пластинок з хімічно чистих простих речовин на пластинки, що мають інші енергії ХРВ. Суть винаходу пояснюється графічними матеріалами. На фіг. 1 представлено спектр низькоенергетичної частини планарного джерела фотонного випромінення, що містить радіоактивну пластину з нікелю з радіонуклідом Со-57, напакованим на прискорювачі електронів, і нерадіоактивну другу пластинку з хімічно чистої простої речовини - природного танталу. На фіг. 2 представлено спектр трифотонного джерела, що складається з радіоактивної пластинки з нікелю з радіонуклідом Со-57, нерадіоактивної другої пластинки з індію товщиною 0,225 мм і третьої нерадіоактивної пластинки з свинцю товщиною 3 мм (In(0,225)+Ni*+Pb(3,0)). Планарне джерело фотонного випромінення, що патентується, можна реалізувати наступним чином. Радіоактивну пластинку джерела отримують, опромінюючи плаский шар матеріалу гальмівним випроміненням прискорювача електронів з енергією вище порога реакції утворення в матеріалі радіонуклідів, які випромінюють при розпаді фотони із заданою енергією E  , що відповідають високоенергетичній смузі джерела. Наприклад, радіоактивна пластинка з нікелю може містити ізотоп Со-57, який напрацьовується з використанням прискорювача електронів у фотоядерних реакціях потоком гальмівного γ-випромінення при активуванні Стабільного ізотопу Ni-58 (68,27 % в нікелі природного складу) одночасно у двох каналах: 50 1) 58 57 Ni(γ,p) Co з порогом 8,17 МеВ та 2) 58 Ni ( ,n)57 Ni    T1 / 2  35.6 год. 57 Co з порогом 12,22 МеВ. 3 UA 112717 C2 5 10 Основним видом розпаду Со-57 є К-захоплення з найбільш інтенсивною лінією γвипромінення E   122 кеВ. Перед радіоактивною пластинкою з боку об'єкта, що опромінюється, розміщують нерадіоактивну другу пластинку у вигляді плоского шару хімічно чистої простої речовини, що має значення енергії E x1 фотонів ХРВ, меншу, ніж E  . Наприклад, друга пластинка може бути з природного танталу з енергією фотонів E x1 ~ 55 кеВ. Енергетичний спектр такого джерела (див. Фіг. 1) характеризується більш вузькою смугою через відсутність ліній гафнію івольфраму, які спостерігаються в двофотонному джерелі з радіоактивною пластинкою з танталу, що містить радіонуклід Та-179, отриманий шляхом активації танталу гальмівним випроміненням. При повній активності радіоактивної пластинки, яка дорівнює A  , величина потоку γ-квантів Ф1,2 (E  ) , який впливає на нерадіоактивну пластинку з урахуванням самопоглинання цього випромінення, становить: 15 20 Ф1,2 (E  )  I(E  )  A  2 2 (E  )  d 2 1 exp  (E )  d , де 2  2  I(E  ) - квантовий вихід фотонів з енергією E  при розпаді радіонуклідів у радіоактивній пластинці,  2 (E  ) - масовий коефіцієнт ослаблення цих фотонів у матеріалі радіоактивної пластинки. Нижній індекс 1, 2 означає межу розділення між радіоактивною і нерадіоактивною пластинками. З цієї формули випливає, що максимальний потік фотонів з радіоактивної пластинки при мінімумі їх самопоглинання забезпечується при товщині радіоактивної пластинки   d , відповідно до раніше вказаної умови d   2 (E  ) 1 . Наприклад, у випадку пластинки з 2 2 d 2 25 нікелю з радіонуклідом Со-57 її оптимальна товщина  3,6 мм. При розміщенні перед радіоактивною пластинкою з боку об'єкта, що опромінюється, нерадіоактивної другої пластинки, потік випромінення Ф1,2 (E  ) , що впливає на неї, збуджує в об'ємі нерадіоактивної пластинки ХРВ з енергією E x1 , вихід Ф(E x1) якого з джерела з урахуванням поглинання в нерадіоактивній пластинці як активуючого випромінення з енергією E  , так і збуджуваних ним фотонів ХРВ, як зазначалося раніше, становить 30 Ф(E x1 )      Ф 1(E  ) exp  1(E  )  d1  exp1(E x1 )  d1   2 1(E x1 )  1(E  ) 1,2 (E  ) . З цього виразу випливає, що максимальний вихід ХРВ забезпечує нерадіоактивна пластинка завтовшки 35    (E ) max d1  1(E x1 )  1(E  ) 1  ln 1 x1 . 1(E  ) Наприклад, у випадку радіоактивної пластинки з нікелю, що містить Со-57, і нерадіоактивної 40 пластинки з танталу оптимальна товщина останньої dmax  0,17 мм. 1 Для збільшення виходу ХРВ з двофотонного джерела послідовно відносно об'єкта, що опромінюється, за радіоактивною пластинкою слід розмістити нерадіоактивну третю пластинку товщиною d3 з речовини, такої ж як речовина другої пластинки з тією ж енергією ХРВ E x1 . При цьому відносне збільшення виходу ХРВ двома пластинками складає: 45 4 Ф(E x1) порівняно з варіантом джерела з Ф(E x1) UA 112717 C2        Ф(E x1 ) 1(E x1 )  1(E  ) exp   2 (E x1 )  d 2  1(E x1 )  d1  1  exp  1(E  )  1(E x1 )  d3 .   Ф(E x1 ) 1(E x1 )  1(E  ) exp  1(E  )  d1  exp 1(E x1 )  d1     З цієї формули випливає, що при товщині третьої пластинки 1(Ex1)  1(E )1 , 5 10 15 20 25 30  d3 не менш ніж її внесок у випромінення джерела буде максимальним. Наприклад, для джерела, що містить радіоактивну пластинку з нікелю з ізотопом Со-57, а другу і третю нерадіоактивні пластинки з природного танталу (Ta+Ni*+Ta) при товщині першої та другої пластинок 0,1 мм додавання третьої пластинки товщиною 0,3 мм збільшує вихід ХРВ з джерела на 51 %. Як зазначалося вище, для отримання трифотонного спектра послідовно відносно об'єкта, що опромінюється, за радіоактивною пластинкою слід розмістити нерадіоактивну третю пластинку з хімічно чистої простої речовини, іншої, ніж речовина нерадіоактивної другої пластинки. Третя пластинка повинна мати енергію фотонів, меншу ніж E  , але іншу, ніж E x1 . На фіг. 2 наведено спектр джерела, що складається з радіоактивної пластинки з нікелю з радіонуклідом Со-57, нерадіоактивної другої пластинки з індію 0,225 мм завтовшки і третьої нерадіоактивної пластинки зі свинцю 3 мм завтовшки. На спектрі видно К-лінії індію з енергіями 24 і 27 кеВ, К-лінії свинцю з енергіями 72 і 85 кеВ, а також лінії випромінювання Со-57 (122 і 136,5 кеВ). Таким чином, планарне джерело фотонного випромінення, що патентується, шляхом нового поєднання радіоактивного планарного гамма-випромінювача і збуджуваних ним ХРВ випромінювачів, вибору матеріалу, кількості і товщини активних і неактивних компонентів, а також порядку їх взаємного розташування, забезпечує можливість зміни енергії фотонів за простішою процедурою, що не потребує складного обладнання для роботи з радіоактивними об'єктами, з можливістю формування як дво-, так і трифотонних спектрів. Джерела інформації: 1. MANUAL FOR REACROR PRODUCED ISOTOPES. IAEA-TECDOC-1340. Vienna: IAEA, 2003. 2. Adams J.E. Advances in bone imaging for osteoporosis // Nat. Rev. Endocrinol. 2013 Jan. Vol. 9(1).P.28. 3. Dikiy N.P., Dovbnya A.N., Lyashko Yu.V. et al Producing Two-Photon Planar Sources at an th Electron Accelerator // Proc. 5 Int.Part.Accel.Conf. IPAC 2014. Dresden (Germany), June 15-20, 2014. P.2192. 9 (найближчий аналог). ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 1. Планарне джерело фотонного випромінення, що включає радіоактивну пластинку, яка випромінює фотони з енергією E  , яке відрізняється тим, що воно містить нерадіоактивну другу пластинку з хімічно чистої простої речовини, що має енергію фотонів характеристичного рентгенівського випромінення (ХРВ) E x1 нижчу, ніж E  . 40 2. Планарне джерело за п. 1, яке відрізняється тим, що радіоактивна пластинка містить радіонуклід - гамма-емітер, утворений шляхом активації її гальмівним випроміненням, яке створюється за допомогою прискорювача електронів. 3. Планарне джерело за п. 1, яке відрізняється тим, що товщина d  вищезазначеної 2 радіоактивної пластинки відповідає умові:   d   2 (E  ) 1 , де 2 45  2 (E  ) - масовий коефіцієнт ослаблення випромінення радіоактивної пластинки з енергією E  в її матеріалі. 4. Планарне радіоактивне джерело за п. 1, яке відрізняється тим, що нерадіоактивна друга пластинка, розміщена перед радіоактивною пластинкою з боку опромінюваного об'єкта. max 5. Планарне радіоактивне джерело за п. 4, яке відрізняється тим, що товщина d1 50 нерадіоактивної другої пластинки відповідає умові:  (E ) max d1  1(E x1 )  1(E  ) 1  ln 1 x1 , 1(E  )   5 UA 112717 C2 1(E  ) - масовий коефіцієнт ослаблення випромінення радіоактивної пластинки з енергією E  в 5 матеріалі вищезазначеної нерадіоактивної другої пластинки; 1(E x1 ) - масовий коефіцієнт ослаблення в матеріалі вищезазначеної другої нерадіоактивної пластинки збуджуваного в ній ХРВ. 6. Планарне радіоактивне джерело за п. 5, яке відрізняється тим, що послідовно щодо опромінюваного об'єкта за радіоактивною пластинкою розміщена нерадіоактивна третя пластинка з речовини, такої ж, як і речовина другої пластинки з енергією ХРВ E x1 , товщина якої  10  не менше величини 1(E x1 )  1(E  ) 1 . 7. Планарне радіоактивне джерело за п. 5, яке відрізняється тим, що послідовно щодо опромінюваного об'єкта за радіоактивною пластинкою розміщена нерадіоактивна третя пластинка з хімічно чистої простої речовини, іншої, ніж речовина нерадіоактивної другої пластинки, і яка має енергію фотонів ХРВ, меншу, ніж E  , але іншу, ніж E x1 . 6 UA 112717 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7