Способ получения радиоизотопа стронций-82

Способ получения радиоизотопа стронций-82

Реферат

Изобретение относится к технологии получения радиоизотопов для ядерной медицины на ускорителях заряженных частиц.

В настоящее время одним из наиболее перспективных и динамично развивающихся направлений ядерной медицины является кардиодиагностика на основе метода позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ).

В последнее время, главным образом в США, получила развитие ПЭТ технология, основанная на применении ⁸²Sr-⁸²Rb изотопных генераторов.

В нашей стране в связи с планируемым строительством ПЭТ центров указанный изотопный генератор должен также найти широкое применение.

Получаемый в изотопном генераторе рубидий, являясь физиологическим аналогом калия, при введении в организм пациента преимущественно локализуется в миокарде.

Указанный генератор - компактен, может быть легко доставлен в любую клинику, в том числе на большие расстояния, и эксплуатироваться достаточно длительное время. При этом нет необходимости иметь и эксплуатировать в клинике циклотрон (громоздкое и дорогостоящее оборудование, требующее специального помещения и обслуживающего персонала).

Настоящее изобретение может быть использовано для производства радиоизотопа ⁸²Sr в практически значимых количествах на стандартных, относительно дешевых в эксплуатации и достаточно широко распространенных в мире ускорителях протонов средних энергий (Е_р≤30÷40 МэВ). (В настоящее время ⁸²Sr производят на ускорителях высоких энергий (E_p≈100÷800 МэВ), предназначенных для фундаментальных исследований.)

Традиционные методы получения циклотронных радиоизотопов предполагают в каждом цикле производства использование последовательности технологических операций, осуществляемых, как правило, в ручном режиме: изготовление и монтаж одноразовой мишени на ионопроводе ускорителя, демонтаж облученной мишени, механическое вскрытие мишени, растворение активного вещества. Все эти операции достаточно трудоемки, дорогостоящи и должны проводиться в специальных условиях. В отличие от традиционных методов предлагаемый способ получения ⁸²Sr позволяет достаточно просто автоматизировать процедуру извлечения ⁸²Sr из мишени в непрерывном режиме во время наработки, исключив из процедуры выделения стронция из мишени трудоемкие и дорогостоящие операции радиохимического передела, свойственные другим методам.

Предшествующий уровень техники

В настоящее время ⁸²Sr получают облучением протонами (E_p≈100÷800 МэВ) твердотельных мишеней из молибдена, металлического рубидия или его соединений на ускорителях высоких энергий.

Известен способ получения ⁸²Sr по реакции Mo(p,spallation) (Thomas K.E. Strontium-82 Production at Los Alamos National Laboratory. - Applied Radiation and Isotopes, 1987, v.38, №3, p.p.175-180). Мишени из металлического молибдена диаметром 1.9-6.4 см, толщиной 1.25÷1.9 см облучали пучками протонов энергией 800 МэВ. В результате реакции скалывания образовывался ⁸²Sr. Длительность облучения различных мишеней составляла от 2 до 30 суток. Номинальный ток пучка протонов - 500 мкА. Затем мишени растворяли в смеси азотной и фосфорной кислоты в присутствии перекиси водорода. После чего многоступенчатым химическим переделом выделяли ⁸²Sr.

Этот способ имеет существенные недостатки, заключающиеся в следующем:

- для получения ⁸²Sr используется уникальная дорогостоящая установка, в основном предназначенная для фундаментальных исследований: мезонная фабрика Лос-Аламосской национальной лаборатории США;

- технология основана на использовании одноразовой мишени;

- наряду со ⁸²Sr в мишени образуется большое количество радиоактивных примесей;

- выделение ⁸²Sr сопряжено с необходимостью проведения многоступенчатого радиохимического передела мишени и утилизацией большого количества радиоактивных отходов;

- высокое содержание в целевом продукте основной мешающей примеси ⁸⁵Sr, активность которой сопоставима с активностью целевого продукта.

Известно, что одним из существенных факторов, определяющих качество ⁸²Sr, является его радионуклидная чистота. Основные радионуклидные примеси - ⁸³Sr и ⁸⁵Sr. Активность ⁸³Sr может быть в значительной степени снижена выдержкой облученной мишени (T_1|2=32.4 часа для ⁸³Sr). Что же касается долгоживущего ⁸⁵Sr (T_1|2=64.73 дня), то его присутствие в ⁸²Sr значительно увеличивает дозовую нагрузку на пациента и медперсонал и осложняет проведение исследований ПЭТ методом (при частичном «проскоке» стронция в разделительной колонке ⁸²Sr-⁸²Rb изотопного генератора), так как ⁸⁵Sr имеет интенсивную линию E_γ=514 кэВ, близкую к аннигиляционной линии ⁸²Rb (E_γ=511 кэВ). Кроме того, присутствие ⁸⁵Sr существенно повышает требования к радиационной защите ⁸²Sr-⁸²Rb изотопного генератора и уменьшает срок его службы до перезарядки.

Известен способ получения ⁸²Sr по реакции Rb(p,xn) на мишени из металлического рубидия (Жуйков Б.Л., Коханюк В.М., Глушенко В.Н. и др. Получение стронция-82 из мишени металлического рубидия на пучке протонов с энергией 100 МэВ. - Радиохимия, 1994, том 36, стр.494-498). Мишени из металлического рубидия представляли собой диски диаметром 30 мм и толщиной 11 мм, заключенные в герметичные оболочки из нержавеющей стали. Толщина входного окна оболочки составляла 0.13-0.2 мм. Оболочки заряжались металлическим рубидием в боксе в инертной атмосфере. Для этого рубидий в ампуле разогревали электропечью до 80-90°С, отбирая жидкий рубидий с помощью медицинского шприца, вводили жидкий металл через штуцер в оболочку. Облучение мишеней проводили на линейном ускорителе пучком протонов с энергией 100 МэВ при токах пучка 6-10 мкА. Длительность облучения достигала 10 суток. Технология переработки мишени включала механическое вскрытие кассеты и растворение мишени в изобутаноле, разрушение образующегося при растворении мишени изобутонолята рубидия и отделение органической фазы путем отгонки, отделение изотопов стронция от рубидия на ионообменной колонке.

К недостаткам данного способа, как и в предыдущем примере, можно отнести:

- использование для получения ⁸²Sr дорогостоящего ускорителя высоких энергий (линейный ускоритель ИЯИ РАН, г. Троицк);

- достаточно сложна процедура изготовления мишени;

- технология основана на использовании одноразовой мишени;

- выделение ⁸²Sr сопряжено с необходимостью проведения многоступенчатого радиохимического передела мишени;

- высокое содержание в целевом продукте основной мешающей примеси ⁸⁵Sr, активность которой сопоставима с активностью целевого продукта.

Кроме того, существенным недостатком данного способа следует считать высокую потенциальную взрывоопасность, обусловленную использованием металлического рубидия.

Известен способ получения ⁸²Sr в реакциях Kr(α,xn) и Kr(3Не,xn) при облучении ускоренными пучками α-частиц или 3Не мишени из природного криптона (Tarkanyi F., Qaim S.M., Stocklin G. Excitation Functions of ³He- and α-Particle Induced Nuclear Reactions on Natural Krypton: Production of ⁸²Sr at a Compact Cyclotron. - Applied Radiation and Isotopes, 1988, v.39, №2, p.p.135-143). При использовании в качестве мишени природного криптона и ускоренных α-частиц или 3Не с начальной энергией 60÷80 МэВ наработка ⁸²Sr возможна на всех изотопах Kr за исключением ⁷⁸Kr. Однако наработка ⁸²Sr на каждом из изотопов при использовании природного криптона не оптимальна, так как величины сечений ядерных реакций, приводящих к образованию ⁸²Sr на каждом из изотопов криптона, изменяются в широком диапазоне (от 0 до σ_max) в энергетическом интервале торможения в мишени заряженных частиц.

К недостаткам данного способа можно отнести:

- относительно низкий выход ⁸²Sr в мишени из природного криптона;

- высокое содержание в целевом продукте основной мешающей примеси ⁸⁵Sr, активность которой сопоставима с активностью целевого продукта.

Известен способ получения радиоизотопа ⁸²Sr по реакциям ^{80,82,83,84,86}Kr(α,xn)⁸²Sr либо ^{80,82,83,84,86}Kr(3Не,xn)⁸²Sr (Загрядский В.А., Латушкин С.Т., Новиков В.И., Оглоблин А.А., Унежев В.Н., Чувилин Д.Ю., Шатров А.В., Ярцев Д.И.; Патент №2441290 от 27.01.2012 г. "Способ получения радиоизотопа стронций-82"). Способ включает облучение на циклотроне или линейном ускорителе пучком α-частиц или ядер 3Не каскадной мишени, состоящей из модулей с изотопами криптона, расположенными последовательно, в порядке убывания их атомных масс по направлению пучка ускоренных частиц, и накопление в ней в процессе одной или нескольких пороговых ядерных реакций ^{80,82,83,84,86}Kr(α,xn)⁸²Sr или, соответственно, одной или нескольких пороговых ядерных реакций ^{80,82,83,84,86}Kr(3Не,xn)⁸²Sr целевого радиоизотопа ⁸²Sr.

К недостаткам данного способа можно отнести эксплуатационные ограничения оптимальной по выходу ⁸²Sr каскадной мишени, состоящие в необходимости жесткого согласования длины модулей с изотопами криптона с током пучка и давлением газа в них. Необходимость указанного согласования связана с появлением градиента плотности газа в мишени под действием пучка заряженных частиц и, как результат, изменением оптимальных длин пробега в модулях каскадной мишени.

В качестве прототипа выбран способ получения ⁸²Sr по реакции Rb(p,xn) на мишени из хлорида рубидия (Mausner L.F., Prach Т., Srivastava S.C. Production of ⁸²Sr by Proton Irradiation of RbCl. - Applied Radiation and Isotopes, 1987, v.38, №3, p.p.181-184). С целью дегидратации хлорид рубидия выдерживали в вакууме в течение 48 часов, затем прессовали с усилием 75 тонн в 35 г. таблетку 0.81 см толщиной и 4.44 см диаметром. Таблетка из хлоридом рубидия помещалась в капсулу из нержавеющей стали и заваривалась в вакууме электронным лучом. Затем капсула с хлоридом рубидия облучалась протонами на ускорителе Брукхевенской национальной лаборатории, позволяющем ускорять протоны до энергии 200 МэВ. Ток пучка протонов составлял 45 мкА. После облучения капсулу транспортировали в защитном контейнере в горячую лабораторию и через 6 дней выдержки вскрывали. Затем хлорид рубидия растворяли в 100 мл 0.1 М NH₄OH:0.1 M NH₄Cl и после многоступенчатого радиохимического передела выделяли ⁸²Sr.

К недостаткам данного способа можно отнести:

- использование для получения ⁸²Sr дорогостоящего ускорителя высоких энергий;

- достаточно сложна процедура изготовления мишени;

- технология основана на использовании одноразовой мишени;

- из-за плохой теплопроводности хлорида рубидия при токах выше нескольких мкА возможен перегрев в центре мишени и сублимация хлорида рубидия, что приводит к уменьшению эффективной толщины мишени и, соответственно, выхода целевого продукта;

- выделение ⁸²Sr сопряжено с необходимостью проведения многоступенчатого радиохимического передела мишени;

- высокое содержание в целевом продукте основной мешающей примеси ⁸⁵Sr, активность которой сопоставима с активностью целевого продукта.

Раскрытие изобретения

Техническими результатами являются:

1) Возможность производить ⁸²Sr в принципиально иной (отличной от традиционной) области энергий протонов (Е_р≤30÷40 МэВ), что позволяет применять для производства ⁸²Sr принципиально иной класс установок: стандартные, относительно дешевые в эксплуатации и достаточно широко распространенные в мире циклотроны с Е_р≤30÷40 МэВ.

2) Возможность значительно повысить интегральный выход ⁸²Sr при использовании известной схемы наработки по реакции Rb(p,xn)⁸²Sr на ускорителях с Е_р=70÷100 МэВ за счет дополнительного использования протонов с Е_р<40 МэВ (порога реакции Rb(p,xn)⁸²Sr) для наработки ⁸²Sr по реакции ⁸⁴Sr(р,3n)⁸²Y→⁸²Sr (каскадная мишень).

3) Использование многоразовой мишени, позволяющей исключить затраты на изготовление новых мишеней для каждого нового цикла облучения.

4) Возможность относительно просто автоматизировать выделение ⁸²Sr, отказавшись от классических технологических операций, реализуемых при радиохимическом переделе мишени, и осуществляемых, как правило, в ручном режиме.

5) Значительное снижение по сравнению с прототипом основной мешающей активности ⁸⁵Sr.

Для достижения указанных результатов предложен способ получения радиоизотопа ⁸²Sr, включающий облучение мишени протонами и выделение ⁸²Sr из облученной мишени, при этом в качестве мишени берут изотоп ⁸⁴Sr, в процессе облучения которого в результате пороговой ядерной реакции ⁸⁴Sr(p,3n)⁸²Y в мишени нарабатывают и одновременно радиохимическим методом из мишени непрерывно извлекают ⁸²Y, продукт распада которого, целевой радиоизотоп ⁸²Sr без носителя, затем выделяют радиохимическим методом.

При этом изотоп ⁸⁴Sr входит в состав химического соединения, водный раствор которого в замкнутом контуре циркулирует через зону облучения протонами и через центробежный экстрактор, в котором экстракционным методом нарабатываемый ⁸²Y отделяют от стронция мишени.

Фигура иллюстрирует принципиальную схему реализации способа наработки и выделения ⁸²Sr.

1. Мишень.

2. Экстрактор.

3. Реэкстрактор.

4. Контур водной фазы.

5. Контур органической фазы.

6. Контур водной фазы.

7. Насос.

р - Пучок протонов с Ер≤30÷40 МэВ.

Способ осуществляют следующим образом.

Берут водный раствор соединения стронция, обогащенного по изотопу ⁸⁴Sr, и помещают в замкнутый контур, в котором осуществляют принудительную циркуляцию раствора через зону облучения протонами 1 (см. чертеж) и центробежный экстрактор 2. В зоне облучения 1 по реакции ⁸⁴Sr(р,3n)⁸²Y нарабатывают ⁸²Y, имеющий период полураспада 10 мин. ⁸²Y по контуру 4 направляют в центробежный экстрактор 2, где экстрагируют в органическую фазу, принудительно циркулирующую в контуре 5. При этом стронций мишени остается в контуре 4. Затем ⁸²Y по контуру 5 направляют в центробежный реэкстрактор 3, где реэкстрагируют в водную фазу принудительно циркулирующую в контуре 6. В контуре 6 в течение времени облучения мишени протонами накапливают ⁸²Y и продукт его распада ⁸²Sr. Суммарное время движения ⁸²Y по контуру 4 от зоны облучения 1 до экстрактора 2, экстракции из водной фазы в органическую фазу, движения по контуру 5 от экстрактора 2 до реэкстрактора 3 и реэкстракции из органической фазы контура 5 в водную фазу контура 6 составляет около 1 минуты. Через несколько часов выдержки после облучения (распада ⁸²Y) ⁸²Sr без носителя из контура 6 направляют на доочистку сорбционным методом (на фигуре не показано).

Предложенный способ получения радиоизотопа ⁸²Sr обладает существенными достоинствами по сравнению с описанными в литературе аналогами и прототипом:

- Способ может быть реализован на относительно дешевых в эксплуатации и широко распространенных в мире ускорителях средних энергий (Е_р≤30÷40 МэВ).

- Мишенное устройство может использоваться многократно.

- Выход ⁸²Sr приемлем для практического использования.

- Выделение ⁸²Sr из мишени легко поддается автоматизации и не сопряжено с необходимостью ее разрушения и проведения многоступенчатого радиохимического передела.

- Активность основной мешающей примеси ⁸⁵Sr при использовании стронция, обогащенного по изотопу ⁸⁴Sr, может быть снижена на порядок по сравнению с прототипом.

Пример осуществления изобретения

Мишенное устройство, представляющее собой компактный медный цилиндр с внутренней цилиндрической полостью h×d=10×15 (мм) с торцевым окном из Мо фольги толщиной 50 мкм, устанавливали на пучок протонов с Е_р=32 МэВ циклотрона У-150 НИЦ «Курчатовский институт». Через мишенное устройство 1 (см. чертеж) и через центробежный экстрактор 2 по замкнутому контуру 4 с помощью насоса прокачивали водный раствор SrCl₂ (Sr естественного изотопного состава) в 0,1 М HCl (водная фаза). Одновременно в контуре 5 с помощью насоса обеспечивали циркуляцию 50% раствора D2-этилгексилфосфорной кислоты в толуоле, а в контуре 6 - циркуляцию водного раствора 3 М HCl.

Под действием пучка протонов в мишенном устройстве в результате реакции ⁸⁴Sr(p,3n)⁸²Y нарабатывали ⁸²Y. Затем ⁸²Y потоком водной фазы по контуру 4 транспортировали в центробежный экстрактор, где экстрагировали его 50% раствором D2-этилгексилфосфорной кислоты в толуоле (органическая фаза). После этого потоком органической фазы ⁸²Y транспортировали по контуру 5 в центробежный реэкстрактор 3, где реэкстрагировали ⁸²Y раствором 3 М HCl в водную фазу контура 6. В контуре 6 накапливали ⁸²Y и продукт его распада ⁸²Sr (без носителя). После окончания облучения и выдержки (для распада ⁸²Y) в течение 2 часов ⁸²Sr направляли на доочистку сорбционным методом. Суммарное время движения ⁸²Y по контуру 4 от зоны облучения 1 до экстрактора 2, экстракции из водной фазы в органическую фазу, движения по контуру 5 от экстрактора 2 до реэкстрактора 3 и реэкстракции из органической фазы контура 5 в водную фазу контура 6 составляло около 1 минуты.

Коэффициент разделения иттрия и стронция центробежным экстрактором 2 составил величину 10⁶. Выход ⁸²Sr при концентрации SrCl₂ в растворе 0.6 г/мл (с учетом приведения к обогащению по изотопу ⁸⁴Sr до 100%) составил величину 112 мкКи/мкА час.

1. Способ получения радиоизотопа ⁸²Sr, включающий облучение мишени протонами и выделение ⁸²Sr из облученной мишени, отличающийся тем, что в качестве мишени берут изотоп ⁸⁴Sr, в процессе облучения которого в результате пороговой ядерной реакции ⁸⁴Sr(р,3n)⁸²Y в мишени нарабатывают и одновременно радиохимическим методом из мишени непрерывно извлекают ⁸²Y, продукт распада которого, целевой радиоизотоп ⁸²Sr без носителя, затем выделяют радиохимическим методом.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изотоп ⁸²Sr входит в состав химического соединения, водный раствор которого в замкнутом контуре циркулирует через зону облучения протонами и через центробежный экстрактор, в котором экстракционным методом нарабатываемый ⁸²Y отделяют от стронция мишени.