Способ получения радиоизотопа индия-111 без носителя

Изобретение относится к области радиохимии. Способ получения радиоизотопа индия-111 без носителя заключается в том, что в качестве вещества мишени используют металлический кадмий, обогащенный изотопом кадмий-113, который облучают ускоренными протонами, отделяют вещество мишени путем возгонки мишени в атмосфере водорода. При этом кадмий улавливают в зоне осаждения, а нелетучие продукты собирают на поверхности кварца. Помещают полученный радиоактивный образец в стартовую зону кварцевой термохроматографической колонки, проводят его высокотемпературную химическую переработку в присутствии реагента с осуществлением транспорта образующихся летучих соединений и последующим их осаждением на стенках ТХК при определенных температурах. В качестве реагента используют пары теллура. Изобретение позволяет повысить радиохимическую чистоту радиоизотопа индия-111, a также повторно использовать обогащенный кадмий. 2 ил.

 

Изобретение относится к области радиохимии, в частности к способам получения радиоизотопов. Предлагаемый способ может быть использован в радиохимии для производства радиоизотопов индия, в частности, моноизотопного препарата ¹¹¹In (T_1/2=2,8 дн) с высокой степенью чистоты.

Близость порядкового номера Z индия к магическому числу 50 обуславливает существование широкого набора радиоактивных изотопов этого элемента. Многие из них имеют изомеры. К 2002 г. было получено 35 радиоизотопов индия с массами А от 99 до 135. (Antony M.S. Nuclide Chart 2002, IReS, 23 rue du Loess, BP 20, Strasburg, France, p.15-18). Большинство полученных радиоизотопов имеют значения T_1/2 от нескольких миллисекунд до одного часа. Облучая мишень из природного индия тепловыми нейтронами, получают два генетически связанных изомера ^114mIn (T_1/2-49,5 сут.) и ¹¹⁴In (T_1/2=72 сек), а также ^116mIn (Т_1/2=54,3 мин), которые используются в активационном анализе (Haissinky M., Adloff J.P. Radiochemical Survey of the Elements, Elsevier Publishing Company. Amsterdam/London/New York, 1965, p.64-65). На основе двух других относительно долгоживущих радиоизотопов ¹¹¹In и ¹¹³In (T_1/2=1,6 ч) изготавливают большое число радиофармацевтических препаратов в виде коллоидов, агрегатов и растворимых комплексов, которые используются в ядерной медицине (Паркер Р., Смит П., Тейлор Д. Основы ядерной медицины. M., Энергоиздат, 1981, с.222).

Описан метод высокотемпературного термохроматографического выделения индия-111 из облученной альфа-частицами (Е_α=28 МэВ) серебряной пластины. (Новгородов А.Ф., Байер Г.-Ю., Зелински А. И др. Простой метод высокотемпературного выделения ¹¹¹In из серебра. Радиохимия, 1986, т.28, № 6, с.789-794). Наработка целевого продукта осуществляется в поверхностном слое мишени на глубине до 100 мкм. После облучения активированный слой пластины механически отделяют от матрицы и в виде стружек помещают в стартовую зону кварцевой ТХК. В рабочем состоянии ее нагревают до 1050°С и выделяют ¹¹¹In в виде летучих оксихлоридов. В качестве реагентов используют смесь паров HCl и H₂O, генераторами которых служили концентрированные растворы соляной кислоты. Эксперименты проводят в течение 1-2 ч с использованием кварцевой аппаратуры при суммарном динамическом давлении смеси реагентов в пределах от 0,4 до 13,3 Па. Достигнуто количественное выделение ¹¹¹In из облученной мишени. При температурах 380, 200 и 110°С были зарегистрированы три адсорбционные зоны, образованные летучими оксихлоридами индия. К недостаткам способа относится его многостадийность и низкий выход ¹¹¹In в ядерной реакции ¹⁰⁹Ag(α,2n)¹¹¹In (по сравнению с реакциями Cd[p,xn]¹¹¹In).

Предложен метод получения радиоизотопа ¹¹¹In без носителя, образующегося при облучении кадмиевой фольги толщиной 3,5-6 г·см^-2 ускоренными протонами с энергией 35-65 МэВ (Агеев В.А., Зайцева Н.Г., Ключников А.А. Авторское свидетельство СССР № 1465415, 1988) (аналог). Мишень обогащена изотопом ¹¹³Cd до 95,8%. Образование целевого продукта осуществляется по ядерной реакции ¹¹³Cd(p,3n)¹¹¹In. После облучения фольгу растворяют в 8-12 М горячей бромистоводородной кислоте. Полученный радиоактивный раствор пропускают через ионообменную колонку, заполненную сульфокатионитом марки DW 50. При этом индий удерживается на катионите, а кадмий проходит через слой сорбента практически без поглощения. После двух-трехкратного промывания колонки концентрированной бромистоводородной кислотой, осуществляемого с целью удаления следов кадмия, индий элюируют 2 М раствором HBr.

К недостаткам способа относится сложность технологии и трудоемкость регенерации кадмия-113 из раствора в случае необходимости его повторного использования в качестве мишени.

Известен способ получения радиоизотопов индия без носителя (Айхлер Б., Доманов В.П. Препринт ОИЯИ, Р 12-7775, Дубна, 1974), которые выделяют в режиме газовой термохроматографии в виде хлоридов (прототип). В состав полученного продукта входит и радиоизотоп ¹¹¹In. Согласно предложенному подходу, в качестве вещества мишени используют природный металлический кадмий, который облучают ускоренными протонами с энергией 560 МэВ. В процессе облучения в мишени образуются нейтронодефицитные радиоизотопы с Z≤48, а также радиоизотопы индия, в частности, ¹¹¹In. Облученную мишень переносят в кварцевую трубку на подложку из кварцевого песка и при нагревании отгоняют вещество мишени в потоке водорода. Остаток переносят в стартовую зону кварцевой ТХК, которую нагревают до 1000°С в потоке хлора - газа-носителя и реагента. Образующийся летучий хлорид индия осаждается на стенках колонки при 350°С.

К недостаткам метода относится присутствие в радиоактивных препаратах индия нежелательной примеси ^114mIn, а также радиоизотопов кобальта, меди и рутения, т.к. летучесть их хлоридов близка к летучести выделяемого продукта.

Технической задачей настоящего изобретения является повышение радиохимической чистоты конечного продукта радиоизотопа ¹¹¹In.

Поставленная задача достигается тем, что металлический кадмий, обогащенный изотопом ¹¹³Cd, облучают ускоренными протонами с энергией от 35 до 65 МэВ, мишень помещают в кварцевую трубку на поверхность кварцевого песка, отделяют вещество мишени путем его возгонки в атмосфере водорода, собирают вещество мишени в зоне осаждения, а продукты ядерных реакций, адсорбированные на поверхности кварцевого песка, переносят в стартовую зону кварцевой ТХК и нагревают ее до 900°С, причем, в качестве реагентов используют пары серы или теллура.

В выбранных условиях индий-111 образует летучий сульфид, осаждающийся при 590°С, или теллурид, который осаждается при 640°С.

Существенное отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в применении в качестве реагентов паров серы или теллура.

Этот существенный признак позволяет повысить степень очистки радиоизотопа ¹¹¹In от посторонних примесей, в частности, радионуклидов Si, и Zn. Наличие примесных радионуклидов Si и Zn связано с облучением ускоренными протонами алюминия и меди, использующихся в качестве конструкционных материалов и контактирующих с веществом мишени. Сущность способа заключается в следующем: кадмиевую мишень, обогащенную изотопом ¹¹³Cd до 95,8%, облучают ускоренными протонами низкой энергии, например, равной 35-65 МэВ. Основным продуктом облучения является радионуклид ¹¹¹In, образующийся по ядерной реакции ¹¹³Cd(p,3n)¹¹¹In с сечением σ=2·10² мб. Параллельно по реакциям ¹¹³Cd(p,2n) и ¹¹³Cd(p,4-6n) образуются короткоживущие (Т_1/2<4.2 ч) радиоизотопы ^108-ll0In и ¹¹²In. На примесном изотопе ^l14Cd по реакции ¹¹⁴Cd(p,n) образуется нежелательная примесь долгоживущего (T_1/2=49.5 ч) ¹¹⁴In, однако сечение его образования не превышает 10 мб (Zaitseva N.G., Knotek О., Mtkecz P. et al. Excitation Function and Yields for ¹¹¹In Production Using ^113,114,natCd(p,xn)¹¹¹In Reactions with 65 MeV Protons Appl. Radiat. Isot, 1990, Vol.41, № 2, p.177-183). С учетом невысокого содержания ¹¹⁴Cd в используемой мишени (<1%), соотношение ¹¹⁴In:¹¹¹In в облученном материале не превышает 0.05%. После облучения вещество мишени переносят на поверхность кварцевого песка, помещенного в кварцевой трубке, и в токе водорода отгоняют вещество мишени, нагреваемой до определенной температуры. После отгонки кадмия-113 и охлаждения зоны нагрева кварцевый песок с собранными на его поверхности радиоизотопом ¹¹¹In (исходный радиоактивный образец - ИРО) переносят в стартовую зону кварцевой ТХК, перед которой помещают твердый реагент - серу или теллур. Готовую к эксперименту колонку устанавливают внутри каскада трубчатых электропечей, имеющих различное функциональное назначение. Печь (1) предназначена для нагревания реагента до определенной температуры T_R, печь (2) обеспечивает горячий транспорт паров реагента, печь (3) служит для перевода радиоизотопов индия в летучие соединения, а четвертая печь (4) создает вдоль колонки отрицательный температурный градиент. В процессе высокотемпературной химической обработки исходного образца парами реагента радиоизотоп индия-111 образуют летучий халькогенид, транспортируемый вдоль ТХК в потоке гелия и адсорбирующийся при 590°С (сульфид) или 640°С (теллурид). Распределение γ-активности вдоль ТХК и химический выход Y радиоизотопа ¹¹¹In определяют с помощью γ-спектрометра. Радиоизотопы примесных элементов (Si, Со, Zn) летучих соединений не образуют и остаются в исходном образце, благодаря чему радиохимическая чистота полученного препарата превышает 99,9%. Основная доля паров серы и теллура не вступает в химические реакции. Зоны их осаждения находятся при температурах ниже 230°С (S) и 530°С (Те), что обеспечивает также высокую химическую чистоту целевого продукта.

Значение Y зависит от ряда параметров, в частности, от продолжительности процесса τ и концентрации реагента в газовой фазе, что, в свою очередь, определяется температурой T_R. Выбор концентрации серы в газовой фазе определялся данными (Таблицы физических величин. Справочник под ред. И.К.Кикоина, М.: Атомиздат, 1976, с.201, 207). При τ=30 мин и нагревании серы до 151°С значение Y=13%, при T_R=181°С величина Y возрастает до 55%, при 210°С величина Y=97%. Дальнейший рост температуры приводит к количественному выделению радиоизотопа ¹¹¹In. Так, при T_R=230°C значение Y приближается к 100%. Таким образом, нагревание реагента в температурном интервале 210-230°С является оптимальным.

Условия нагревания второго реагента подбирались с учетом данных (Физические величины. Справочник под ред. И.С.Григорьева, Е.З.Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991, с.258). При 520°С значение Y=35%, при повышении температуры реагента до 535°С величина Y увеличилась до 47%. При T_R=560°С химический выход теллурида достиг 79%, а при 580°С - 87%. Дальнейшее увеличение температуры нецелесообразно, т.к. при этом зона осаждения теллура начинает перекрывать адсорбционный пик теллурида индия. Следовательно, температурный интервал 560-580°С является оптимальным для реализации способа.

Найденный путем экстраполяции данных (П.П.Дмитриев. Выход радионуклидов в реакциях с протонами, дейтронами, альфа-частицами и гелием-3. Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1986, с.196), выход радионуклида ¹⁹⁶In при Е_р=50 МэВ составляет около 100 МБк·мкА^-1ч^-1. Перевод выделенного радиоизотопа в водную фазу осуществляют путем смыва зоны его осаждения подходящим растворителем, например, теплой соляной или азотной кислотой.

Собранный в зоне охлаждения кадмий-113 может быть использован для повторного получения индия-111. Для получения фольги заданной толщины металл подвергают прокатке.

Пример 1.

Круглую кадмиевую фольгу (d=20 мм) толщиной 1,2 мм, обогащенную изотопом ¹¹³Cd до 94%, устанавливали между двумя медными решетками с диаметром дюз d=1 мм и прозрачностью около 85%. Мишенную кассету, имеющую отполированные края шириной в 16 мм, присоединяли к охлаждаемому вакуумном фланцу. В центре этого фланца высверлена решетка, обеспечивающая прохождение протонного пучка. На нее была наклеена вакуумная алюминиевая фольга. Размеры отверстий фланцевой и мишенной решетки были одинаковы, а их центры располагались коаксиально относительно друг друга. Охлаждение кадмия достигалось за счет плотного контакта кассеты с поверхностью вакуумного фланца. Мишень облучали протонами с энергией 50 МэВ с интенсивностью пучка 2·10¹² сек^-1·см^-2 в течение 6 часов. По окончании облучения мишень переносили в радиохимический бокс, разрезали ее на полоски шириной 2-3 мм, помещали фрагменты мишени на поверхности кварцевого песка (d=100-200 мкм), находившегося в кварцевой трубке (d=10 мм) и отгоняли вещество мишени в токе водорода при температуре 600°С. По окончании возгонки и охлаждения устройства, полученный ИРО переносили в стартовую зону кварцевой ТХК (d=3 мм), а перед колонкой помещали 0,65 г твердого реагента - серу марки о.с.ч. Затем колонку устанавливали внутри трубчатых электропечей (1)-(4). После продувки колонки в токе очищенного гелия (остаточное содержание водяных паров менее 10^-3% и кислорода менее 10^-5%) последовательно подавали напряжение на печь (4), обеспечивающую отрицательный температурный градиент с величиной α=-17°С·см^-1, на печь (2) (220°С) и на печь нагревания ИРО (3) (550°С). По достижении заданных параметров, подавали напряжение на печь (1), в которой серу нагревали при температуре 220°С, а температуру печи (3) увеличивали до 900°С. Концентрация паров реагента в инертном газе равнялась 5·10^-6 моль/см³. Объемная скорость гелия составляла 20 см³·мин^-1, а продолжительность процесса - 30 мин. Полученный сульфид индия осаждался при 590°С с химическим выходом около 100%. Радиохимическая чистота препаратов радиоактивного индия составила более 99,9%. На фиг.1 показано распределение сульфида индия вдоль колонки и зона осаждения серы. Зоны осаждения двух компонентов находятся на значительном расстоянии друг от друга, что обеспечивает также высокую химическую чистоту полученного радиоизотопа индий-111.

Пример 2.

Препараты индия-111 высокой степени чистоты были получены также при использовании в качестве реагента паров теллура. Условия облучения кадмиевой мишени, содержащей 94% ¹¹³Cd, протонами с энергией 50 МэВ и получения ИРО соответствовали условиям, описанным в первом примере. Перед кварцевой ТХК помещали 0,42 г теллура марки х.ч., который предварительно очищали путем вакуумной сублимации. Затем колонку помещали внутри трубчатых электропечей (1)-(4). После продувки колонки в токе очищенного гелия (остаточное содержание водяных паров менее 10^-3% и кислорода менее 10^-5%) последовательно подавали напряжение на печь (4), обеспечивающую отрицательный температурный градиент с величиной α=-17°С·см^-1, на печь (2) (580-590°С), затем на печь (3), предназначенную для нагревания ИРО (600°С). По достижении заданных параметров, подавали напряжение на печь (1), в которой теллур нагревали при 570°С, а температуру печи (3) увеличивали до 900°С. Концентрация паров реагента в инертном газе составляла 3·10^-7 моль·см^-3. Объемная скорость гелия составляла 20 см³·мин^-1, а продолжительность процесса - 40 мин. Полученный теллурид индия осаждался при 640°С с химическим выходом около 85%. Радиохимическая чистота препаратов радиоактивного индия составила 99,9%. На фиг.2 показано распределение сульфида индия вдоль колонки и зона осаждения теллура. Из графика видно, что зоны осаждения двух компонентов разделены, что свидетельствует о высокой степени очистки целевого продукта от используемого реагента.

Предлагаемый способ может быть использован в ядерной медицине для приготовления радиофармацевтических препаратов, радиоаналитической практике и фундаментальных исследованиях. Недавно осуществлен успешный синтез нового элемента с порядковым номером Z=117 (Oganessian Yu. Ts., Abdullin F. Sh., Baily P.D. et al. Synthesis of new element with atomic number Z=117. Phys. Rev. Lett., v.104, 142502 [2010]). Среди продуктов его последовательного α-распада обнаружены два радиоизотопа элемента 113 с достаточно продолжительными периодами полураспада. По современным представлениям, этот элемент является химическим гомологом таллия и индия. Таким образом, патентуемый способ может служить основой для разработки метода химической идентификации элемента 113.

Способ получения радиоизотопа индия-111 без носителя, заключающийся в том, что в качестве вещества мишени используют металлический кадмий, обогащенный изотопом кадмий-113, который облучают ускоренными протонами, отделяют вещество мишени путем возгонки мишени в атмосфере водорода, при этом кадмий улавливают в зоне осаждения, а нелетучие продукты собирают на поверхности кварца, помещают полученный радиоактивный образец в стартовую зону кварцевой термохроматографической колонки, проводят его высокотемпературную химическую переработку в присутствии реагента с осуществлением транспорта образующихся летучих соединений и последующим их осаждением на стенках ТХК при определенных температурах, отличающийся тем, что в качестве реагента используют пары теллура.