Chế tạo đồng vị molybden 99 từ bia moo3 nhờ nguồn neutron am be

Chính vì những lý do đó đã thúc đẩy chúng tôi thực hiện đề tài này, nhằm tìm hiểu về khả năng sản xuất đồng vị 99Mo tại bộ môn Vật Lý Hạt Nhân của trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TP Hồ

KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KỸ THUẬT

BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN - -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

NHỜ NGUỒN NEUTRON Am-Be

Sinh viên thực hiện : Trần Phạm Ngọc Trinh Cán bộ hướng dẫn : Thạc sĩ Huỳnh Trúc Phương Cán bộ phản biện : Thạc sĩ Lê Công Hảo

-

TP HỒ CHÍ MINH - 2010

LỜI CÁM ƠN

Trong quá trình thực hiện khóa luận em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ từ quý thầy cô, gia đình và bạn bè Em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến

- Ths Huỳnh Trúc Phương đã nhiệt tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu cũng

như chỉ dẫn cho em những điều khúc mắc, luôn có những động viên và nhắc nhở kịp thời để em hoàn thành khóa luận

- Ths Lê Công Hảo đã giúp đỡ em khắc phục những thiếu xót và hoàn thiện

luận văn

- Ths Trần Thiện Thanh, CN Văn Thị Thu Trang đã luôn động viên và tận

tình giúp đỡ em trong suốt thời gian làm khóa luận

- Quý thầy cô bộ môn Vật Lý Hạt Nhân đã giảng dạy, truyền đạt kinh nghiệm

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn i

Mục lục ii

Danh mục các bảng iv

Danh mục các hình vẽ v

Mở đầu 1

Chương 1: Tổng quan về sản xuất đồng vị phóng xạ 4

1.1 Tổng quan về kích hoạt neutron 4

1.2 Các phương pháp sản xuất 99Mo 5

1.2.1 Phân hạch 235U 5

1.2.2 Chiếu xạ 98Mo 6

1.2.3 Các phương pháp khác 6

1.3 Sản xuất 99Mo bằng phương pháp chiếu xạ MoO3 7

1.3.1 Nguyên liệu 7

1.3.2 Nguồn neutron 7

1.3.3 Thông lượng neutron 8

1.3.4 Thiết kế bia 8

1.3.5 Hoạt độ phóng xạ và thời gian chiếu 8

1.3.6 Chiếu xạ 10

1.3.7 Xác định hoạt độ ban đầu 99Mo và 99mTc 10

1.3.8 Chiết 99Tc 11

1.4 Ứng dụng của 99mTc 12

Chương 2: Phân rã phóng xạ và hoạt độ phóng xạ 14

2.1 Phân rã phóng xạ 14

2.1.1 Định luật phân rã phóng xạ 15

2.1.2 Chu kì bán hủy T1/2 16

2.2 Hoạt độ phóng xạ 16

2.2.1 Một nhân phát ra nhiều phóng xạ đơn-phóng xạ kép 17

2.2.2 Phóng xạ do nhiều đồng vị khác nhau 17

2.2.3 Phóng xạ chuỗi 18

2.3 Hoạt độ phóng xạ của 99Mo và 99mTc 19

2.3.1 Hoạt độ của 99Mo và 99mTc trong khi đang chiếu neutron 19

2.3.2 Hoạt độ của 99Mo và 99mTc sau khi chiếu neutron 21

2.3.3 Hoạtđộ của 99Mo và 99mTc trong thực tê 22

2.4 Ứng dụng của việc tính hoạt độ 24

Chương 3: Tính toán và thực nghiệm xác định hoạt độ 99 Mo và 99m Tc 27

3.1 Giới thiệu thiết bị 27

3.1.1 Các thiết bị chuẩn bị mẫu 27

3.1.2 Các thiết bị chiếu 28

3.1.3 Các thiết bị đo 29

3.2 Chuẩn bị mẫu, chiếu mẫu và đo mẫu 30

3.2.1 Chuẩn bị mẫu 30

3.2.2 Chiếu mẫu 30

3.2.3 Rã và đo mẫu 31

3.3 Tính hoạt độ 99Mo và 99mTc 32

3.3.1 Theo lý thuyết 32

3.3.2 Theo thực nghiệm 32

3.3.3 So sánh và nhận xét 33

Kết luận và kiến nghị 36

Tài liệu tham khảo 38

Phụ lục 39

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 3.1 : Khối lượng các mẫu chiếu 30

Bảng 3.2 : Thời gian chiếu của các mẫu 30

Bảng 3.3 : Số liệu trong quá trình đo của các mẫu 31

Bảng 3.4 : Thời gian rã mẫu 32

Bảng 3.5 : Hoạt độ của 99Mo và 99mTc sau khi chiếu theo lý thuyết 32

Bảng 3.6 : Hoạt độ của 99Mo và 99mTc sau khi chiếu theo thực nghiệm 33

Bảng 3.7 : Kết quả tính toán hoạt độ 33

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 : Sơ đồ phản ứng hạt nhân với neutron 4

Hình 1.2 : Đồ thị hoạt độ theo thời gian chiếu 9

Hình 1.3 : Mô hình tách chiết 99mTc 11

Hình 2.1 : Hoạt độ 99Mo sau khi chiếu theo thời giản 23

Hình 2.2 : Hoạt độ của 99mTc theo thời gian 24

Hình 3.1 : Ống đựng mẫu (a) và ống chiếu (b) 27

Hình 3.2 : Mặt cắt ngang ống đựng mẫu 27

Hình 3.3 : Mẫu molybden trioxit 28

Hình 3.4 : Hệ phân tích kích hoạt MTA-15 28

Hình 3.5 : Cấu hình nguồn neutron Am-Be 29

Hình 3.6 : Hệ phổ kế gamma và DET HPGe 29

MỞ ĐẦU

Sử dụng những ứng dụng của hạt nhân để đưa vào điều trị một số căn bệnh

mà chúng ta đang phải đối đầu đó chính là công việc của y học hạt nhân Y học hạt nhân đang là một ngành khoa học có nhiều ứng dụng trong thực tế và đang ngày một phát triển các ứng dụng đó thêm rộng rãi hơn và hoàn thiện hơn Trong y học hạt nhân để tiến hành được các bước chuẩn đoán và chữa trị, người ta thường phải

sử dụng đến các đồng vị phóng xạ và đồng vị phóng xạ được sử dụng nhiều nhất trong hầu hết các bước chuẩn đoán và chữa trị hạt nhân đó chính là Techneti ở dạng đồng phân 99mTc Sở dĩ đồng vị này được sử dụng nhiều như vậy là do nó có rất nhiều ưu điểm phù hợp cho việc chữa trị và chuẩn đoán các loại bệnh mà đặc biệt là bệnh ung thư. 99mTc có khả năng kết hợp với một số chất trong cơ thể và một số tế bào ung thư cho nên nó thường được dùng để tiêm vào cơ thể như một chất đánh dấu, chất đánh dấu này phát ra tia gamma, sau một thời gian lưu thông trong cơ thể, các tia gamma do 99mTc phát ra sẽ được ghi nhận bằng các thiết bị chụp chuẩn đoán nhằm phát hiện các khối u cũng như các khiếm khuyết không bình thường của cơ thể con người Thông thường trong cơ thể sau khi tiêm 99mTc, nơi nào được ghi nhận có nhiều gamma phát ra tức là nơi đó tập trung nhiều 99mTc điều đó có nghĩa là nơi đó có tồn tại khối u hay khiếm khuyết không bình thường Thêm vào đó, chu kì bán hủy của 99mTc chỉ có 6,01 giờ, điều này rất có lợi cho cơ thể bệnh nhân vì chỉ sau 24 giờ thì lượng chất phóng xạ 99mTc được tiêm vào đã phân rã hơn 80% Chính

vì vậy về lâu dài nó ít ảnh hưởng tới cơ thể của những bệnh nhân mà trong quá trình điều trị phải đưa dược chất phóng xạ vào người Ngoài ra, sau khi phát gamma, 99mTc chuyển biến thành 99Tc, mà 99Tc lại có nhiều ứng dụng trong công nghiệp như: làm chất xúc tác cho phản ứng, làm chất bảo vệ chống ăn mòn cho kim loại…

Theo ASTROnews đăng ngày 23/7/2009, 99mTc và được sử dụng trong hơn 90% các thủ tục y học hạt nhân Chu kì bán hủy của 99mTc chỉ có 6,01 giờ vừa là ưu điểm của nó nhưng cũng là khuyết điểm của nó Chu kì bán rã ngắn làm cho nó không thể vận chuyển đi xa được trong khi nhu cầu về nó ngày càng cao Để khắc

phục điều này người ta đã không trực tiếp sản xuất 99mTc mà người ta sản xuất đồng

vị mẹ của nó đó chính là 99Mo với chu kì bán rã dài hơn là 66,6 giờ Molybden phân

rã beta để trở thành 99mTc Với chu kì bán rã 66,6 giờ thì việc vận chuyển đã được khắc phục phần nào tuy nhiên vẫn chưa hoàn toàn do chu kì bán rã này cũng chỉ ở mức trung bình phải sản xuất và cung ứng liên tục, không sử dụng lâu dài được Việc phải sản xuất và cung ứng liên tục 99Mo đã làm cho nó trở nên thiếu hụt trong tình trạng hiện nay

Trước đây, dù đã có các lò phản ứng lớn ở Bỉ, Pháp, Hà Lan, Nam Phi… đảm nhiệm việc sản xuất 99Mo, nhưng lượng 99Mo cũng chỉ vừa đủ cho nhu cầu thực tế, không có công suất thừa Các lò phản ứng này đôi khi lại phải thay nhiên liệu, bảo trì hay khắc phục sự cố… làm cho sản lượng 99Mo đã trở nên thiếu hụt [1] Nhu cầu về 99Mo ngày một tăng mà các lò phản ứng mới công suất lớn tham gia chế tạo thì vẫn chưa thấy làm cho tình trạng thiếu hụt ngày càng trở nên khó khăn hơn

Ngày nay, khi nhu cầu về 99Mo đã thực sự lớn hơn nhiều khả năng sản xuất đồng vị này thì việc xây dựng thêm các nhà máy mới, nghiên cứu thêm các phương pháp mới và nâng cao công suất cho các nhà máy cũ là nhiệm vụ quan trọng của các nhà khoa học cũng như các cơ quan chức năng trên toàn thế giới Ở Việt Nam hiện

đã có lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt tham gia sản xuất 99Mo tuy nhiên công suất vẫn chưa lớn, chưa đủ cung ứng cho nhu cầu thực tế Mặt khác nơi tiêu thụ lượng lớn các đồng vị phóng xạ này lại là TP Hồ Chí Minh không phải Đà Lạt nhưng tại TP

Hồ Chí Minh thì vẫn chưa có nơi sản xuất đồng vị này Chính vì những lý do đó đã thúc đẩy chúng tôi thực hiện đề tài này, nhằm tìm hiểu về khả năng sản xuất đồng vị

99Mo tại bộ môn Vật Lý Hạt Nhân của trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TP Hồ Chí Minh, nơi đang có nguồn neutron Am-Be không chỉ phục vụ cho giảng dạy, học tập mà còn có thể phục vụ cho việc nghiên cứu chế tạo đồng vị phóng xạ 99Mo đang được quan tâm và chú ý đến

Sản xuất 99Mo hiện đang có nhiều phương pháp như phân hạch Uranium, phân hạch quang học hay phương pháp chiếu xạ… Mỗi phương pháp điều có ưu

điểm và nhược điểm riêng phù hợp với từng trường hợp cụ thể Với nguồn neutron

có sẵn và các điều kiện tiến hành thí nghiệm cụ thể, chúng tôi sẽ nghiên cứu việc sản xuất 99Mo thông qua phương pháp chiếu xạ đồng vị tự nhiên 98

Mo ở dạng trioxit MoO3 Thông qua đề tài này chúng tôi mong muốn đóng góp một phần nhỏ của mình vào việc khắc phục tình trạng thiếu hụt 99Mo của thế giới mà cụ thể là tại TP

Hồ Chí Minh của Việt Nam Chúng tôi thực hiện đề tài này thông qua ba chương:

Chương 1: Tổng quan về sản xuất đồng vị phóng xạ

- Tổng quan về phân tích kích hoạt

- Các phương pháp sản xuất 99Mo, đặc biệt là chiếu xạ MoO3

- Việc tách chiết 99mTc, ứng dụng của nó và các công thức

Chương 2: Phân rã phóng xạ và hoạt độ phóng xạ

- Phân rã phóng xạ và hoạt độ phóng xạ

- Hoạt độ của 99Mo và 99mTc trong lý thuyết và thực tế

- Ứng dụng của việc tính hoạt độ

Chương 3: Tính toán và thực nghiệm xác định hoạt độ của 99 Mo và 99m Tc

- Giới thiệu thiết bị

- Chuẩn bị mẫu, chiếu mẫu, đo mẫu

- Số liệu, tính toán thực nghiệm và nhận xét

Kết luận và kiến nghị

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ 1.1 Tổng quan về kích hoạt neutron

Ưu điểm lớn nhất của kích hoạt neutron đó chính là có thể biến các đồng vị

tự nhiên thành các đồng vị phóng xạ Sau đó lợi dụng các tính chất phóng xạ của nó

để phân tích, đánh giá hay sử dụng theo mục những đích nhất định khác nhau

Cơ chế tổng quát của kích hoạt neutron như sau: Đồng vị tự nhiên A

ZX được tạo thành bia rồi đem chiếu neutron Tại lò chiếu neutron, hạt nhân AZX sẽ va chạm không đàn hồi với neutron có vận tốc v rồi tạo thành nhân hợp phần A+1

ZX Nhân hợp phần này sẽ ở trạng thái kích thích do có năng lượng liên kết giữa neutron và hạt nhân bia Vì vậy nó sẽ nhanh chóng phát ra tia gamma tức thời để giải phóng năng lượng trở về trạng thái cơ bản và hình thành đồng vị phóng xạ A+1

ZX ở trạng thái cân bằng Ta có thể hình dung quá trình này cách đơn giản qua phản ứng sau:

Đồng vị phóng xạ A+1

ZX sau khi hình thành sẽ mang những đặc trưng riêng của một đồng vị phóng xạ như phát các loại bức xạ đặc trưng, phát các mức năng lượng đặc trưng, có chu kì bán rã riêng

1.2 Các phương pháp sản xuất 99 Mo

Hiện nay trên thế giới đang có nhiều phương pháp để chế tạo 99Mo Hai phương pháp được biết đến phổ biến nhất đó chính là sản xuất 99

Mo bằng cách phân hạch Uranium và chiếu xạ đồng vị tự nhiên 98Mo

1.2.1 Phân hạch 235 U

Phân hạch hạt nhân là một phương pháp sản xuất đồng vị khá phổ biến dựa trên nguyên tắc phá vỡ hạt nhân lớn để trở thành hạt nhân nhỏ hơn và sinh ra rất nhiều năng lượng do giải phóng được năng lượng liên kết giữa các mảnh vỡ Khi neutron tới tương tác với hạt nhân 235U sẽ như một cú va đập mạnh Neutron làm cho 235U vỡ ra thành mảnh nhỏ, các mảnh nhỏ này được gọi là sản phẩm phân hạch Các sản phẩm phân hạch thường gặp khi phân hạch 235U là Strontium-90 (90Sr), Iodine-131 (131I), Cesium-137 (Cs137) và đồng vị phóng xạ rất quan trọng trong y học hạt nhân ngày nay Molybden-99 (99Mo)

Mỗi lần phân hạch thì có thể giải phóng từ 2 đến 3 neutron mới, các neutron mới này lại có thể tạo ra sự phân hạch mới rồi lại sinh ra 2 đến 3 neutron mới khác… Cứ như vậy người ta gọi là phân hạch dây chuyền Chính nhờ đặc trưng này

mà trong một thời gian ngắn lượng đồng vị 99Mo được tạo ra từ sự phân hạch 235

U

là rất nhiều [4]

 Ưu điểm: Phương pháp này cho ta 99

Mo với hoạt độ riêng khá cao (cỡ 104 Ci

99Mo/g Mo) Đó chính là nguồn cung cấp đồng vị 99Mo quan trọng nhất trên thế giới hiện nay

 Nhược điểm: Phương pháp này yêu cầu kĩ thuật quá cao và chi phí xử lý rác thải rất lớn Chính vì vậy dù cho ra 99Mo với hoạt độ rất cao nhưng phương pháp này vẫn chưa thể phổ biến rộng rãi ở nhiều nơi được

1.2.2 Chiếu xạ 98 Mo

Phương pháp này sản xuất đồng vị phóng xạ 99Mo đi từ đồng vị tự nhiên

98Mo dựa trên nguyên tắc kích hoạt đơn giản đã nêu ở phần 1.1 Đồng vị 98Mo chính

là nguyên tố bia được đem chiếu neutron trong thời gian chiếu nhất định để thực hiện phản ứng mong muốn:98 99

Như vậy sau thời gian chiếu thì 98Mo đã được biến đổi thành 99Mo Việc sử dụng phương pháp này để sản xuất 99Mo rất đơn giản và dễ thực hiện tuy nhiên nó lại không sản xuất ra nhiều 99Mo như phân hạch hạt nhân và không là nguồn cung cấp chính trên thế giời ngày nay

 Ưu điểm: Ưu điểm chính của phương pháp này là hết sức đơn giản và rẻ tiền,

có thể áp dụng rộng rãi và phổ biến nhiều nơi Chi phí cho việc xử lý rác thải phóng xạ cũng ít hơn nhiều so với các phương pháp khác

 Nhược điểm: Trái lại với phương pháp sản xuất bằng phân hạch U235 thì việc sản xuất Mo99 bằng phương pháp chiếu xạ lại cho ra Mo99 với hoạt độ riêng nhỏ hơn nhiều (cỡ vài mCi 99Mo/g Mo)

1.2.3 Các phương pháp khác

Ngoài hai phương pháp phổ biến trên, hiện nay các nhà khoa học đang nghiên cứu và đưa ra các phương pháp sản xuất đồng vị 99Mo mới nhằm góp phần khắc phục tình trạng thiếu hụt đồng vị này trên thế giới

Phân hạch quang học là một phương pháp mới được đề cập tới trong thời gian gần đây Mỹ và Canada đang tiến tới những kí kết quan trọng cho việc sản xuất

99Mo hàng loạt Phương pháp này được thực hiện trên máy gia tốc tuyến tính Kỹ thuật phân hạch quang học không những loại bỏ việc vận chuyển và quản lý nhiên liệu HEU (Hight Enrich Uranium - HEU), mà còn tạo ra một giải pháp thay thế tiềm năng có thể bổ sung thêm khả năng sản xuất đồng vị 99Mo và làm giảm bớt sự phụ thuộc vào các lò phản ứng hạt nhân hiện có

Trong năm 2008, một nhóm nghiên cứu của trường đại học Delft ở Hà Lan cũng cho biết rằng họ cũng đang nghiên cứu những phương pháp mới để sản xuất

99Mo từ 98Mo có sẵn trong tự nhiên bằng cách sử dụng lò nghiên cứu để tạo ra một thông lượng neutron thấp hơn thông lượng neutron cần phải có khi sản xuất theo phương pháp truyền thống [3]

Để sử dụng molybden cách hiệu quả hơn thì cần sản xuất molybden và cung ứng cho nhu cầu tại chỗ Vì vậy hi vọng trong tương lai sẽ phát hiện và phát triển thêm nhiều phương pháp mới cho phù hợp với điều kiện cụ thể của từng nơi nhằm cung cấp đủ lượng 99Mo cần thiết

1.3 Sản xuất 99 Mo bằng phương pháp chiếu xạ MoO 3

Trong mục này sẽ đề cập chi tiết quá trình sản xuất 99Mo bằng phương pháp chiếu xạ MoO3 với các vấn đề cần lưu ý và những công việc để sản xuất đồng vị

99Mo Dù là công việc hay giai đoạn nào thì mục đích của quá trình sản xuất cũng là

có càng nhiều phản ứng 98Mo+n99Mo càng tốt và hạn chế tất cả các phản ứng sinh ra các đồng vị không cần thiết khác

1.3.1 Nguyên liệu

Nguyên liệu được sử dụng trong bài khóa luận này đó chính là MoO3 Molybden là một đồng vị có sẵn trong tự nhiên, nó thường được tìm thấy ở dạng quặng: wulfenfit (PbMoO4), powellit (CaMoO4), molybdenit (MoS2)…Trữ lượng trung bình khoảng 10,8 tấn/km3 Các mỏ lớn hiện nay ở tại Colorado (Climax) và British Columbia đều chứa Molybdenit Molybden khi ở nhiệt độ cao thì có phản ứng oxi hóa:2Mo+3O2 2MoO3

Trong nhiên liệu của chúng ta molybden tồn tại ở dạng đồng vị tự nhiên

98Mo tuy nhiên khó có thể tránh khỏi trong mẫu cũng có cả đồng vị tự nhiên 100Mo

ít nhiều ảnh hưởng đến sản phẩm chiếu xạ, do đồng vị này khi chiếu neutron không tạo 99Mo mà tạo ra 101Mo.Vậy mẫu càng hạn chế sự có mặt 100Mo càng có lợi

1.3.2 Nguồn neutron

Trước hết muốn phản ứng xảy ra thì neutron cần phải đi vào hạt nhân Do cả hạt nhân và neutron đều có kích thước rất nhỏ, nên có khi neutron bay ngang qua sát

bên hạt nhân nhưng vẫn không xâm nhập vào bên trong hạt nhân được và không có phản ứng xảy ra Muốn làm tăng khả năng xâm nhập vào hạt nhân bia của neutron thì cần giảm tốc độ của neutron xuống tức là phải làm chậm neutron, điều này sẽ giúp cho thời gian neutron ở bên cạnh hạt nhân tăng lên và làm tăng xác suất xâm nhập vào hạt nhân của neutron [4] Đối với phương pháp chiếu xạ thì nguồn neutron

sử dụng hiệu quả nhất là nguồn neutron nhiệt

1.3.3 Thông lượng neutron

Thông lượng neutron dùng trong phương pháp này cần phải vừa đủ không quá thấp cũng không được quá cao Nếu thông lượng neutron quá cao thì dư thừa neutron, có thể làm cho việc tạo 99Mo bị cảng trở Nhưng nếu thông lượng neutron quá thấp thì không đủ xác suất để neutron có thể va chạm với hạt nhân 98Mo, dẫn tới trong mẫu sẽ còn tồn tại nhiều đồng vị tự nhiên 98Mo sau khi chiếu Vì vậy thông lượng neutron cho chiếu xạ chỉ cần vừa đủ Nếu đạt được thông lượng cỡ

1012n.cm2.s-1 thì khả năng tạo được 99Mo là lớn nhất

1.3.4 Thiết kế bia

Thiết kế bia nhằm đảm bảo cho việc tăng xác suất xảy ra phản ứng tạo 99Mo Tùy vào từng điều kiện cụ thể của từng phòng thí nghiệm hay lò phản ứng mà bia chiếu được thiết kế theo những cách riêng, làm sao đạt được mỗi hạt nhân 98Mo phản ứng và chỉ phản ứng một lần với neutron

1.3.5 Hoạt độ phóng xạ và thời gian chiếu

 Công thức tính hoạt độ phóng xạ theo lý thuyết

Khi chế tạo đồng vị 99Mo bằng phương pháp chiếu xạ thì thời gian chiếu trong lò là một thông số rất quan trọng quyết định hoạt độ của 99Mosau khi chiếu

Để xác định thời gian chiếu xạ người ta dùng công thức tính hoạt độ sau khi chiếu của 99Mo theo lý thuyết như sau:

i

-λt A

th 0

m.N θH= σ (1-e )(Bq)

Với: H : Hoạt độ của Mo99 sau thời gian chiếu ti

Hoạt độ theo thời gian chiếu

Thời gian chiếu, ti (giờ)

 : Thông lượng neutron nhiệt

 Thời gian chiếu

Qua công thức (1.1) ta thấy hoạt độ của 99Mo phụ thuộc vào thời gian chiếu theo quy luật hàm mũ tức là hoạt độ của 99Mo sẽ tăng dần theo thời gian và đến một lúc nào đó việc tăng của hoạt độ dường như không đáng kể nữa ta có thể xem như bão hòa Yêu cầu đặt ra là phải làm sao xác định được thời điểm ngưng chiếu là thời điểm mà khi hoạt độ vừa mới bắt đầu bước vào giai đoạn bão hòa Có như vậy thì chúng ta mới có được hoạt độ 99Mo là lớn nhất trong thời gian chiếu là bé nhất Hoạt độ của 99Mo sẽ được tính theo công thức (1.1) rồi vẽ đồ thị và ngoại suy thời gian chiếu như trình bày trên hình 1.2 dưới đây:

Hình 1.2: Đồ thị hoạt độ 99Mo theo thời gian chiếu Việc quyết định sẽ chọn thời điểm ngừng chiếu nào còn phụ thuộc thêm vào một số yếu tố Chẳng hạn như nếu thời gian để đạt tới việc bão hòa là quá dài (hằng

ti

tuần, hàng tháng…) thì thời gian chiếu được chọn xê dịch khoảng vài giờ đồng hồ

là không đáng kể Tuy nhiên nếu thời gian đạt đến giai đoạn bão hòa ngắn (vài phút hay vài giờ) thì cần chú ý chọn thời điểm ngưng chiếu cho chính xác hơn, lúc này khoảng xê dịch của ti không còn là vài giờ nữa mà chỉ là vài phút mà thôi Hoặc như trước khi bước vào giai đoạn bão hòa thực sự thì hoạt độ chỉ thay đổi một ít ta có thể chọn ti nhỏ lại để tiết kiệm thời gian làm việc mà vẫn đảm bảo được hoạt độ cần thiết…Đối với 99Mo thì thời gian để đạt tới hoạt độ bão hòa là rất lâu nên việc xác định thời điểm ngưng chiếu có khoảng xê dịch rất lớn

1.3.6 Chiếu xạ

Sau việc chuẩn bị bia chiếu và nguồn neutron, xác định thời gian chiếu, mẫu

sẽ được đưa vào nguồn chiếu theo thời gian đã xác định Tại nguồn chiếu, 98Mo sẽ được biến đổi thành 99

Mo Khi MoO3 được chiếu neutron thì chỉ có 98Mo có phản ứng với neutron vì tiết diện bắt neutron của 98Mo là lớn 0,14 barn còn tiết diện bắt neutron của oxi là rất nhỏ và có thể bỏ qua Vì đây là phương pháp chiếu xạ nên 98

Mo vẫn được kích hoạt neutron theo phản ứng: 98Mo+n 99Mo

Như vậy, dù không sử dụng 98

Mo nguyên chất nhưng sau khi chiếu sản phẩm phóng xạ cho ra vẫn không thay đổi Oxi vẫn là đồng vị tự nhiên không phát tia phóng xạ Các tia phóng xạ sinh ra đều bắt nguồn từ Molybden Qua đây ta cũng thấy được sự đơn giản của phương pháp này Chỉ cần có nguồn neutron, đồng vị tự nhiên 98Mo và một số thao tác đơn giản là đã có được đồng vị phóng xạ 99Mo

1.3.7 Xác định hoạt độ ban đầu của 99 Mo và 99m Tc

Công việc này rất quan trọng phục vụ cho việc sử dụng các đồng vị phóng xạ sau này Tầm quan trọng của việc này sẽ được tìm hiểu chi tiết trong chương 2 Dù chúng ta đã xác định hoạt độ sau khi chiếu bằng lý thuyết nhưng quá trình biến đổi của các phân tử nhỏ rất phức tạp và không tuân theo chính xác quy tắc nào nên hoạt

độ ban đầu của 99

Mo và 99mTc phải được xác định bằng thực nghiệm Để có được hoạt độ ban đầu của các đồng vị này, mẫu sau khi chiếu phải được đem đo phân rã trong một thời gian xác định Sau khi đo mẫu chúng ta sẽ có được diện tích đỉnh tức

là tổng số phân rã ứng với một đỉnh năng lượng nào đó Sau đó dùng công thức tính hoạt độ theo thực nghiệm:

và chuẩn đoán y học rất cần chính xác hoạt độ của đồng vị phóng xạ

1.3.8 Chiết 99m Tc

Công việc tiếp theo sau khi chiếu xạ là chiết 99mTc ra khỏi mẫu để phục vụ cho nhu cầu y tế Do tính ngẫu nhiên của việc phân rã phóng xạ mà 99mTc được sinh

ra ngay trong quá trình chiếu xạ và sau khi kết thúc quá trình chế tạo 99Mo các đồng

vị 99mTc vẫn tiếp tục được sinh ra

Hình 1.3: Mô hình tách chiết 99mTc

Lọ nhỏ giọt chứa chất tách

Bình trụ gốm

Bình đựng dung dịch kết hợp

Để chiết được 99mTc người ta dùng nhiều máy móc thiết bị khác nhau nhưng chung quy thì các hệ thống đó có cấu tạo và cơ chế làm việc tương đương nhau Một hệ thống chiết 99mTc gồm có 3 phần cơ bản: Lọ nhỏ giọt chứa chất tách (Eluent Vial), một bình trụ gốm (Ceramic column) và một bình đựng dung dịch kết hợp (Collection vial)

Trong bình trụ gốm, 99Mo (bao gồm cả các đồng vị chưa phân rã beta và đã phân rã beta tạo thành 99mTc) bám trên bề mặt thành bình Từ lọ nhỏ giọt chứa chất tách, chất tách sẽ được nhỏ giọt từ từ xuống bình trụ gốm Tại đây chất tách sẽ kết hợp với 99mTc, 99mTc sẽ theo chất tách ra ngoài ở dạng dung dịch kết hợp như ở hình 1.3 Chất tách ở đây thường là các dược phẩm, nên sau khi tách được 99mTc ta thường có luôn dược phẩm phóng xạ [9]

1.4 Ứng dụng của 99m Tc

99Mo sau khi được tạo thành sẽ tiếp tục phân rã beta để tạo ra đồng vị 99mTc

và đây là đồng vị quan trọng có rất nhiều ứng dụng trong lĩnh vực y học hạt nhân

Tc có nhiều ứng dụng trong y học hạt nhân vì nó phát gamma

và có thể phát hiện được ở năng lượng ngưỡng là 140 keV Ngoài ra chu kì bán rã của nó chỉ có 6,1 giờ cho nên chỉ sau 24 giờ thì có khoảng 87,5% khối lượng của 99mTc đã bị phân rã, ít gây ảnh hưởng lâu dài tới cơ thể con người Với những ưu điểm đó nó thường được dùng cho những thiết bị chụp chuẩn đoán chức năng các

cơ quan như tim, não, phổi, gan, túi mật,…99mTc có khả năng kết hợp với hồng cầu,

do vậy 99mTc được sử dụng để lập bản đồ các rối loạn trong hệ thống tuần hoàn, phát hiện các chỗ chảy máu trong hệ tiêu hóa hay phán đoán các tổn thương sau khi

bị nhồi máu cơ tim Các tế bào ung thư cũng kết hợp được với 99mTc nên đối với các trường hợp khối u trong cơ thể khó phát hiện, người ta thường dùng 99m

Tc dạng dung dịch, tiêm vào người bệnh nhân, sau đó dùng các thiết bị chụp chuẩn đoán để tìm kiếm và phát hiện khối u Các detector sẽ ghi nhận tia gamma phát ra từ cơ thể, nếu tia gamma tập trung nhiều ở đâu thì nơi đó có tồn tại khối u

Trong công nghiệp hay trong hóa chất thì 99Tc lại được sử dụng nhiều vì nó

có chu kì bán hủy khá dài, chỉ phát beta năng lượng thấp, ổn định, không kèm theo gamma 99Tc được dùng làm lớp bảo vệ bên ngoài một số kim loại, làm chất xúc tác cho một số phản ứng hóa học, làm pin hạt nhân quang điện và thang độ nano… [2]

Vì khoa học kĩ thuật ngày một phát triển, các ứng dụng của Mo ngày càng tăng, đòi hòi ngày càng cao về số lượng cũng như chất lượng của đồng vị Mo Chế tạo đồng vị Mo tại chỗ để cung ứng cho nhu cầu trong vùng là phương án tốt nhất

để giảm áp lực sản xuất cho các nhà sản xuất lớn hiện nay và làm cho việc sử dụng đồng vị phóng xạ này trở nên hiệu quả hơn, tiết kiệm hơn và an toàn hơn cho con người và cho xã hội

Chương 2 PHÂN RÃ PHÓNG XẠ VÀ HOẠT ĐỘ PHÓNG XẠ

0n), hay chỉ đơn giản là phát gamma-γ để giải phóng bớt năng lượng

dư thừa…Người ta gọi chung các tia nói trên là tia phóng xạ Ta có thể hình dung đơn giản như sau:

Với A1là đồng vị phóng xạ không bền

2

A là đồng vị bền Tia phóng xạ có thể là α,β,γ

Hiện tượng phân rã phóng xạ xảy ra chủ yếu ở các hạt nhân có số khối lớn và

lẻ Các hạt nhân không bền chắc chắn sẽ phân rã phóng xạ cho tới khi đạt được trạng thái bền vững, tuy nhiên đối với một hạt nhân thì phân rã tia gì và qua bao lần phân rã mới đạt tới trạng thái bền vững thì còn tùy vào bản thân của hạt nhân đó và rất nhiều yếu tố khác

Có hạt nhân chỉ cần qua một lần phân rã phóng xạ đã có được trạng thái bền vững người ta gọi đó là phân rã đơn, ví dụ như:

-β

24 24

Na Mg (bền) Nhưng lại có hạt nhân phải trải qua nhiều lần phân rã với nhiều loại phần rã khác nhau mới trở thành hạt nhân bền vững, người ta gọi đó là phân rã chuỗi, như:

(d,p) β-

β-130 131 131 131

Te Te I Xe (bền) Trong phân rã phóng xạ, đối với các hạt nhân cùng loại thì cũng có sự khác nhau về cách biến đổi để đi từ một đồng vị không bền thành một đồng vị bền Có thể đồng

 

vị bền cuối cùng là giống nhau nhưng quá trình biến đổi lại phát ra những tia phóng

xạ khác nhau hoặc do phát những tia phóng xạ khác nhau mà cuối cùng cho ra đồng

vị bền khác nhau Ví dụ như:

Như vậy ta thấy rằng phân rã phóng xạ là một hiện tượng mang tính ngẫu nhiên và thời điểm mà nó phân rã phóng xạ là một đại lượng thể hiện rõ ràng nhất tính ngẫu nhiên của phân rã phóng xạ Đối với một hạt nhân bất kì thì thời điểm mà

nó phân rã và phân rã theo cách nào thì hoàn toàn không thể xác định được Chính

do tính ngẫu nhiên này mà khi nghiên cứu về sự phân rã của hạt nhân chúng ta cần phải quan tâm đến một số lượng rất lớn các hạt nhân thì mới có đủ thống kê để tính toán và tìm hiểu

2.1.1 Định luật phân rã phóng xạ

Năm 1905, Von Schweidler đã chứng minh tính ngẫu nhiên của phân rã phóng xạ Ông đã gọi p là xác suất để hạt nhân A1 phân hủy trong một khoảng thời gian là Δt, ta chọn Δt khá nhỏ để cho p tỉ lệ với Δt và p sẽ có cùng một trị số đối với tất cả các hạt nhân nguyên tử A1 dù nguyên tử A1 được tạo ra bằng bất cứ cách nào

Và trong khoảng nΔt, số nhân còn lại chưa phân hủy là:

n nΔt 0

Hoạt độ phóng xạ của một mẫu vào tại thời điểm t được tính theo công thức:

-λt -λt t

t 0 t 0

dN

H = =λN e =λN =H e

Trong đó H =λN0 0là hoạt độ phóng xạ tại thời điểm ban đầu t=0

Trong thực tế, con người chỉ sử dụng các tia phóng xạ nên người ta quang tâm nhất là khả năng phân rã tia phóng xạ trong một đơn vị thời gian của các đồng

A

' 2

A

'' 2

2.2.1 Một nhân phát ra nhiều phóng xạ đơn – phóng xạ kép

Đây là trường hợp mà hạt nhân A1 phân hủy theo nhiều cách khác nhau để tạo ra nhiều nguyên tố mới Để đơn giản trong tính toán chúng ta giả sử rằng nhân

A1 phân rã theo hai cách C’ và C’’ tạo ra hai đồng vị bền mới là A’2 và A’’2

Trong một đơn vị thời gian số hạt nhân A1 bị hủy theo cách C’ và C’’ lần lượt là:

'

' t

t C

t C