Использование радиоактивных элементов в сфере производства

1.2. Современные тенденции и перспективы разработки радиофармацевтических препаратов 

     Радиоактивные нуклиды широко применяются в  медицине и прежде всего — для  диагностических целей.

     Период  полураспада нуклида должен быть достаточным для проведения диагностического исследования. С другой стороны, он должен быть возможно меньшим, поскольку с уменьшением периода снижается доза облучения пациента.

     Снижение  дозы облучения до практически пренебрежимых  величин — одна из важнейших задач ядерной медицины. Диагностические обследования при помощи радионуклидов уже теперь намного безопаснее столь широко применяемой рентгеноскопии. Применение радионуклидов с короткими и ультракороткими периодами полураспада, в спектре которых почти нет «ненужных» типов излучения, делает эти методы еще более безвредными.

     С точки зрения дозиметрии, наиболее подходящие нуклиды для приготовления  радиофармацевтических препаратов (РФП) можно найти среди изотопов, распадающихся в результате изомерного перехода или захвата орбитального электрона[12].

     Сказанное выше можно проиллюстрировать на примере изотопов йода. Оказывается, наиболее вредное облучение щитовидной железы происходит при введении в организм иода-131 и иода-126. Хотя 1261 распадается при захвате электрона, тем не менее вследствие большого периода полураспада и наличия в спектре излучения квантов высокой энергии (0,665 МэВ) этот нуклид создает дозу даже большую, чем β-излучате.ль ¹³¹I. Большую дозу создают также иод-124 и иод-125 (последний вследствие большого периода полураспада). Заметим, что широкое применение иода-125 в качестве РФП вряд ли допустимо [17].

     Выделяются  два изотопа йода, имеющие наилучшую  дозиметрическую характеристику. — ¹²³I, распадающийся при захвате электрона, и ¹³²I, распад которого происходит через β-превраще-ние. Однако ¹³²I непригоден для получения сцинтиграфического изображения из-за высокой энергии g-излучения. Таким образом, наилучшим из изотопов йода является ¹²³I, создающий в щитовидной железе дозу в 100  раз меньшую, чем применяемый ныне ¹³¹I. Кроме того, при использовании короткоживущих нуклидов можно через небольшой срок проводить повторные исследования. Применение современных g-топографов позволяет использовать для клинических исследований даже радионуклиды с периодами полураспада в несколько секунд [8].

     Радионуклиды с периодами полураспада, меньшими нескольких часов, можно использовать при условии, что они получаются на ускорителе, расположенном непосредственно в лечебном учреждении, или на изотопных генераторах с достаточным периодом полураспада материнского радионуклида.

     Стремление  к замене относительно долгоживущих радионуклидов нуклидами с меньшими периодами полураспада является важнейшей современной тенденцией развития ядерной медицины.

     По  мере развития методов и создания аппаратуры ядерной медицины (а также  расширения технических возможностей получения радионуклидов) изменяется основная номенклатура РФП.

     Из  позитронизлучающих нуклидов применяются (в медицинских учреждениях, располагающих циклотронами, или в медицинских лабораториях при циклотронах) ультракороткоживушие [5].

     Важно отметить, что почти все «новые» радионуклиды медицинского назначения производят на циклотроне. Это понятно, так как и нуклиды, распадающиеся при захвате электрона, и позитронизлучающие нуклиды считаются нейтронодефицитными, получаемыми в результате ядерных реакций с заряженными частицами, для чего необходим ускоритель. 

2. Промышленное применение  радиоактивных индикаторов

2.1. Метод радиоизотопных индикаторов 

     Метод радиоизотопных индикаторов служит надежным средством ускорения технического прогресса. Он дает возможность значительно повысить производительность и надежность технологических процессов, успешно проводить автоматизацию и контроль в различных областях производства [10].

     При осуществлении любого технологического процесса прежде всего необходимо определить условия его протекания, а затем организовать наблюдение и контроль за ним. В обоих случаях незаменимую роль играют меченые атомы, которые позволяют следить за перемещением вещества в пространстве и во времени на любой стадии процесса.

     Имеется около 500 предприятий, использующих радионуклиды, многие из них располагают источниками получения частиц и квантов высокой энергии, используемых для облучения и получения радионуклидов, необходимой измерительной аппаратурой, включая вычислительную технику. В МРИ используют более полусотни радионуклидов. В таких центрах проводят массовые определения элементов (до нескольких миллионов элементоопределений в год), осуществляя непрерывный контроль работы технологических процессов, получают сведения о работе машин и аппаратов и др.

     Возможности использования МРИ чрезвычайно  многообразны, и круг практических задач весьма широк. Поэтому для их решения целесообразно привлекать специализированные организации. В результате работы только одной подобной организации, проводимой совместно с представителями заинтересованных предприятий, удалось в короткие сроки (от нескольких суток до нескольких месяцев) провести более 500 работ на нескольких народнохозяйственных объектах. При этом был получен значительный технико-экономический эффект[21] .

     Но  особенно ценен МРИ для научно-технических исследований, проводящихся в научно-исследовательских и прикладных институтах. Такие работы дают исходные физико-химические данные о материалах и процессах, необходимые для разработки новых технологий, получения новых материалов, внедрение которых способствует совершенствованию производства во многих областях народного хозяйства.

     Прежде  всего отметим решение однотипных задач, которые используются в самых разных производствах. К ним относятся: определение объемов емкостей, изучение перемещения, уплотнения и твердения материалов, седиментации, флотации; определение физико-химических констант (процессов проницаемости, вязкого течения, диффузии, коррозии и др.); наблюдение за режимом эксплуатации материалов и изделий; оценка изменений свойств и рабочих характеристик в экстремальных условиях; измерительные системы с радиоактивными изотопами построены на методах поглощения или отражения излучения (рис. 2.1). 

     Рис. 2.1. Схема бесконтактного контроля толщины металлической полосы в процессе проката, основанная на методе поглощения излучения

     Контейнер 2 с источником излучения помещен  под прокатываемой полосой металла 1, а ионизационная камера 7 — над  этой полосой на одной оси с  источником излучения. В зависимости от изменения толщины полосы металл поглощает большее или меньшее число частиц, что вызывает изменение электрического сигнала, вырабатываемого камерой. После усиления в усилителе 6 сигнал передается на серводвигатель 4 и показывающий прибор 5. Серводвигатель, изменяя положение валков 3, регулирует толщину прокатываемой полосы.

     Измерительные системы с радиоизотопными преобразователями для контроля размеров в машиностроении применяются в тех случаях, когда использование других систем невозможно. Этот метод бесконтактный, что является его преимуществом; недостатки — значительная инерционность систем и необходимость осуществления специальных мер по технике безопасности [6].

     При выполнении работ радионуклиды могут быть распределены в ограниченном объеме или по всему объему материала. Часто опыты проводят на модельных устройствах. Однако во многих случаях изучения производственных и технологических процессов целесообразно вводить радионуклиды только в образцы, отобранные непосредственно в производственных условиях, и с ними проводить лабораторные исследования.

     В большинстве случаев изучение каждого процесса требует самостоятельного подхода, что и затрудняет описание общих приемов и методик при использовании МРИ в технике.

     В большинстве случаев в основе любой технологии лежит лабораторная модель, однако при ее производственном воплощении возникают новые проблемы и требования. Так, например, в химических производствах механизм химической реакции, изученной в лабораторных условиях, обычно сохраняется и при ее крупномасштабном осуществлении. В то же время производственные масштабы требуют учета многих факторов, связанных с увеличением размеров аппаратуры, скоростью подачи реагентов и качеством их перемешивания, операциями экстракции, фильтрования, выгрузкой готовой продукции и др. Контроль производственного процесса предусматривает такие операции, как измерение скорости передвижения реакционной смеси, эффективности ее перемешивания, соответственно измерений уровня, объема и массы реагирующих веществ [27].

     Радиоактивные индикаторы позволяют осуществлять контроль за скоростью и направлением движения материалов, временем их нахождения в аппаратах и пребывания в отдельных технологических зонах, за герметичностью систем.

     МРИ особенно проявляется такое его  достоинство, как универсальность, позволяющая использовать метод в различных производствах. Метод дает возможность быстро и надежно получать информацию, неоднократно повторять измерения, при необходимости осуществлять их на значительном расстоянии от аппаратов и установок. При этом регистрация процесса может осуществляться в закрытых сооружениях, никак не влияя на технологические режимы, что особенно важно для работы при высоких температурах и давлениях, в агрессивных средах.

     Для введения радионуклида в изделие используют самые разнообразные приемы, характерные для МРИ. Если метод активирования обеспечивает равномерное распределение метки по всему объему изделия, то при оценке количества вещества, перешедшего в другую фазу, можно рассчитывать его массу по активности при известной удельной активности. Введение метки в приповерхностный слой требует знания зависимости активности от глубины, т.е. профиля распределения [16].

     Для активирования трущихся деталей  часто пользуются нейтронным облучением в реакторе. Активированные детали можно получать также нанесением гальванических радиоактивных покрытий или цементацией (в случае радиоактивного углерода).

     Широкий ассортимент радионуклидов обеспечивает выбор подходящей метки как для основных элементов детали, так и для легирующих примесей.

     Для изучения процессов, приводящих к равномерному или локальному разрушению поверхности при износе, часто используют метод поверхностной активации (МПА). Этим методом получают результаты, необходимые для повышения надежности машин. По сравнению с другими методами МПА обеспечивает большую чувствительность. Сущность его заключается в определении износа по убыли относительной радиоактивности исследуемого участка поверхности детали.

     В результате износа активность трущихся частей уменьшается и материал в конце концов становится неактивным. Радиоактивные продукты износа переходят в неактивные материалы (смазочные масла, эмульсии, стружку, поверхность скольжения и др.). При измерениях активности жидкостей отсчеты можно проводить либо непрерывно, пропуская жидкость, полностью или частично, через регистрирующую часть прибора, либо время от времени отбирая пробы [19].

     С помощью меченых атомов изучали  износ трущихся деталей машин, например поршневых колец двигателей внутреннего  сгорания, а также режущего инструмента. 

2.2. Использование радиоизотопных  индикаторов в  промышленности 

     В горнорудной и металлургической промышленности исследования МРИ привели  к мероприятиям, которые позволили  стабилизировать процесс литья  и улучшить качество бесслитковой прокатки широкой алюминиевой ленты [23].

     Для исследования технологии процесса получения  олова расплав маркировали, вводя в него куски промежуточного сплава Al ¹⁹⁸Аu. Состояние потоков в процессе отливки контролировали авторадиограммами на рентгеновских пленках. Это выявило существование различных по скорости движения областей потока, в том числе области завихрения. Аналогичным путем получена схема движения металла в сердцевине затвердевшего слитка (рис. 2.2). 
 

Рис. 2.2. Схема движения металла в слитке по данным МРИ 

     Особенно  широкое применение МРИ нашел  в металлургии. Такие радионуклиды, как ⁸⁵W, ⁵⁹Fe, ⁹⁵Zr, ¹⁸²Та, ¹⁹⁸Аu, использовали для изучения конвекционных потоков металла в ковшах для разливки расплавов, определения параметров движения электролита в промышленных электролизерах при получении алюминия, определения степени очистки жидкой стали от оксидных и силикатных пород и скорости поглощения неметаллических включений шлаком.