Ir-192: Đồng vị phóng xạ nguy hiểm nhưng đầy tiềm năng ứng dụng

Iridi là nguyên tố hóa học với số nguyên tử 77 và ký hiệu là Ir. Là kim loại chuyển tiếp, cứng, màu trắng bạc thuộc nhóm platin, iridi đặc thứ 2 (sau osmi) và là kim loại có khả năng chống ăn mòn nhất, thậm chí ở nhiệt độ cao tới 2000 °C. Mặc dù chỉ các loại muối nóng chảy và halogen nhất định mới ăn mòn iridi rắn, nhưng bụi iridi mịn lại có phản ứng rất mạnh và thậm chí có thể cháy. Các hợp chất iridi quan trọng nhất được sử dụng là các muối và acid với clo, tạo thành một số các hợp chất kim loại hữu cơ được dùng làm chất xúc tác và trong nghiên cứu. 191Ir và 193Ir là hai đồng vị tự nhiên của iridi và cũng là hai đồng vị bền; trong đó đồng vị 193Ir phổ biến hơn.

Iridi được Smithson Tennant phát hiện năm 1803, trong số các tạp chất không hòa tan trong platin tự nhiên ở Nam Mỹ. Mặc dù là một trong những nguyên tố hiếm nhất ở vỏ Trái Đất, với sản lượng và tiêu thụ hàng năm chỉ 3 tấn, Iridi lại có rất nhiều ứng dụng trong công nghiệp đặc thù và trong khoa học. Iridi được dùng với chức năng chống ăn mòn ở nhiệt độ cao như nồi nung, làm tái kết tinh các chất bán dẫn ở nhiệt độ cao, các điện cực trong sản xuất clo và máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ dùng trong phi thuyền không người lái. Các hợp chất iridi cũng được dùng làm các chất xúc tác trong sản xuất acid axetic. Trong công nghiệp ôtô, iridi được dùng làm bugi (high-end after-market sparkplugs) với vai trò điện cực trung tâm, thay thế việc sử dụng các kim loại thông thường.

Kim ngoại Iridi

Iridi có hai đồng vị bền trong tự nhiên là 191Ir và 193Ir, chiến tỷ lệ tương ứng 37,3% và 62,7% và có ít nhất 34 đồng vị phóng xạ đã được tổng hợp có số khối từ 164 đến 199. 192Ir nằm giữa hai đồng vị bền, là đồng vị phóng xạ tồn tại lâu nhất của Ir với chu kỳ bán rã là 73,827 ngày. 192Ir được ứng dụng trong xạ trị và chụp ảnh phóng xạ công nghiệp, đặc biệt trong các kiểm tra không phá hủy các mối hàn của thép và trong công nghiệp dầu khí; các nguồn iridi-192 liên quan đến nhiều sự cố phóng xạ. Ba đồng vị khác có chu kỳ bán rã ít hơn một ngày là 188Ir, 189Ir và 190Ir. Các đồng vị có số khối dưới 191 phân rã theo cách kết hợp giữa phân rã β+, α và (hiếm hơn) phát xạ proton, ngoại trừ 189Ir phân rã bằng cách bắt giữ electron. Các đồng vị nặng hơn 191 phân rã β−, dù 192Ir cũng có bắt giữ một lượng nhỏ electron.

Iridi-192

Iridi-192 phân rã bằng cách phát ra các hạt β và bức xạ gamma (γ). Khoảng 96% sự phân rã của 192Ir xảy ra thông qua sự phát ra bức xạ β và γ, dẫn tới 192Pt. Một số hạt β bị các hạt nhân 192Ir khác bắt giữ, sau đó chúng được chuyển đổi thành 192Os. Sự bắt electron là nguyên nhân gây ra 4% còn lại của sự phân rã 192Ir. Ir-192 thường được tạo ra bằng cách kích hoạt neutron của kim loại iridi có nhiều trong tự nhiên. Iridi-192 là chất phát tia gamma rất mạnh, với hằng số liều gamma xấp xỉ 1,54 μSv/h.MBq ở 30 cm và hoạt độ riêng là 341 TBq/g (9,22 kCi/g). Có 07 dải năng lượng chính được tạo ra trong quá trình phân rã của Ir-192, dao động từ hơn 0,2 đến khoảng 0,6 MeV.

Khi phát ra β-, đồng vị phóng xạ trải qua quá trình biến đổi neutron thành proton, do đó làm tăng số nguyên tử thêm một đơn vị. 192Ir được tạo ra trong lò phản ứng hạt nhân với phản ứng 191Ir(n,γ)192Ir. Vật liệu này có thể được làm giàu để giảm sự nhiễm phóng xạ 194Ir từ 193Ir và tăng sản lượng 192Ir. Điều thú vị là, 192Ir có tiết diện bắt neutron cao, cho phép bắt neutron kép từ 191Ir thành 193Ir. Do đó, tốc độ tạo ra 192Ir bị hạn chế bởi sự phân rã của chính nó và sự biến đổi của nó thành 193Ir. Điều này dẫn đến mô hình phân rã phức tạp tạo ra 29 đỉnh phát xạ gamma từ 0,110 đến 1,378 MeV, nhiều loại tia X đặc trưng và nhiều electron lên tới 1,377 MeV. Đối với các kênh phân rã β, quá trình khử kích thích từ 192Pt* đến 192Pt (trạng thái cơ bản) xảy ra chủ yếu thông qua phát xạ gamma và một phần nhỏ hơn nhờ tự chuyển đổi bên trong.

Chuỗi phân rã Ir-192

Các tia gamma 0,296, 0,309, 0,317 và 0,468 MeV có khả năng phát xạ cao nhất (29% đến 83%). Chuỗi phân rã này dẫn đến 2,2 photon trên mỗi lần phân rã β−. Nhánh thứ hai, ít có khả năng xảy ra hơn, dẫn tới 192Os* bởi quá trình bắt electron cũng phân rã chủ yếu thông qua phát xạ gamma xuống trạng thái cơ bản. Các dải năng lượng có thể xảy ra nhất là 0,206 và 0,485 MeV nhưng chúng chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ. Lõi chứa 192Ir thường được làm bằng hợp kim Ir-Pt (10%-30% Ir và 70%-90% Pt) do bền hơn về mặt cơ học. Lõi này thường dài khoảng 3 đến 4 mm và bán kính 0,3 đến 0,4 mm.

Ứng dụng của iridi-192

Trong công nghiệp: 192Ir được sử dụng chủ yếu trong kiểm tra không phá hủy (NDT). Nó cũng được sử dụng làm chất đánh dấu phóng xạ trong ngành công nghiệp dầu mỏ, đặc biệt là trong các nhà máy hóa dầu và trong các đường ống dẫn. Đối với chụp ảnh bức xạ công nghiệp, 192Ir được sử dụng để kiểm tra các mối hàn, đánh giá và phân loại trạng thái của chúng trong các ống áp lực, bình chịu áp lực, thùng chứa dung môi cao và các mối hàn có kết cấu nhất định. 192Ir cũng đã được sử dụng trong việc kiểm tra bê tông và xác định vị trí các thanh cốt thép, ống dẫn bên trong bê tông. Tương tự, phương pháp này cho phép phát hiện lỗi trong vật đúc. Bên cạnh đó, 192Ir còn để kiểm tra các bộ phận gia công, tấm kim loại và trong việc xác định dị thường cấu trúc do ăn mòn hoặc hư hỏng cơ học.

Khi sử dụng công nghiệp, 192Ir được đặt trong các kết cấu kín có cửa dẫn chùm tia bức xạ gamma có thể định hướng. Những nguồn bức xạ này được chứa trong một cấu trúc thép không gỉ hàn có chứa một số đĩa đồng vị. Các thiết bị sử dụng 192Ir hầu hết được điều khiển từ xa và có cơ chế dẫn nguồn bức xạ di chuyển ra khỏi vật chứa được che chắn đến vị trí cổng phát bức xạ.

Cấu tạo cơ bản của thiết bị với dây chứa nguồn Ir-192 trong công nghiệp

Trong Y tế: Đối với xạ trị áp sát, 192Ir là ​​một trong những đồng vị chính được sử dụng. Kỹ thuật này đặt đồng vị phóng xạ vào vùng lân cận của khối u ung thư để tiêu diệt. Khi được sử dụng trong liệu pháp xạ trị, 192Ir thường được sử dụng ở dạng dây trong cấy ghép kẽ. Hoạt độ phóng xạ của dây 192Ir nằm trong khoảng từ 0,5 đến 10 mCi/cm. Dây không phải là nguồn phóng xạ kín. Chúng cũng được sử dụng cho các ứng dụng cần bức xạ liều cao, dưới dạng viên nén được đặt bên trong các viên nang kín bằng hợp kim iridi và bạch kim dài 3,5 mm. Đối với việc điều trị ở bệnh nhân, 192Ir được sử dụng trong điều trị bệnh nhân bị u tế bào hình sao và u nguyên bào thần kinh đệm, thời gian sống trung bình là 28 tháng.

Minh họa một số kỹ thuật cấy ghép kẽ 192Ir. Hình bên trên thể hiện sơ đồ cấy ghép tầng sinh môn bằng cách sử dụng ruy băng nylon chứa hạt 192Ir. Hình bên dưới cho thấy một ca cấy ghép vú được thực hiện bằng cách sử dụng bộ nạp sau từ xa HDR để di chuyển nguồn qua các ống thông được cấy ghép.

Việc tiếp xúc với Ir-192 có thể làm tăng nguy cơ mắc bệnh ung thư do bức xạ gamma năng lượng cao của nó. Tiếp xúc bên ngoài với Ir-192 có thể gây bỏng, bệnh phóng xạ cấp tính và thậm chí tử vong. Phơi nhiễm bên trong chỉ có thể xảy ra nếu một người nuốt một trong các hạt hoặc viên Ir-192. Sự tiếp xúc bên trong từ Ir-192 có thể gây bỏng dạ dày và ruột nếu nuốt phải các viên Ir-192 công nghiệp năng lượng cao. Ir-192 sẽ được bài tiết qua đường tiêu hóa. Ảnh hưởng sức khỏe lâu dài của việc tiếp xúc bên trong sẽ phụ thuộc vào mức độ mạnh của hạt hoặc viên Ir-192 và thời gian chúng tồn tại trong cơ thể. Ir-192 chiếm phần lớn các trường hợp được Ủy ban Điều tiết Hạt nhân Hoa Kỳ theo dõi, trong đó vật liệu phóng xạ bị thất lạc với số lượng đủ lớn để tạo ra một quả bom bẩn. Đồng phân siêu bền 192m2Ir là đồng phân ổn định nhất của iridi. Nó phân rã bằng quá trình chuyển đổi đồng phân với chu kỳ bán rã 241 năm, điều này khiến nó trở nên bất thường, cả về chu kỳ bán rã dài đối với một đồng phân và chu kỳ bán rã nói trên vượt quá đáng kể so với trạng thái cơ bản của cùng một đồng vị.