СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИОИЗОТОПА СТРОНЦИЙ-82
METHOD OF PRODUCING STRONTIUM-82 RADIOISOTOPE

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).
82
82
В последнее время, главным образом в США, получила развитие ПЭТ технология, основанная на применении Sr-Rb 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).
82
82
р
p
Настоящее изобретение может быть использовано для производства радиоизотопа Sr в практически значимых количествах на стандартных, относительно дешевых в эксплуатации и достаточно широко распространенных в мире ускорителях протонов средних энергий (Е≤30÷40 МэВ). (В настоящее время Sr производят на ускорителях высоких энергий (E≈100÷800 МэВ), предназначенных для фундаментальных исследований.)
82
82
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 Sr позволяет достаточно просто автоматизировать процедуру извлечения Sr 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
82
p
В настоящее время Sr получают облучением протонами (E≈100÷800 МэВ) твердотельных мишеней из молибдена, металлического рубидия или его соединений на ускорителях высоких энергий.
82
82
82
Известен способ получения Sr 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 Sr. 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 Sr.
Этот способ имеет существенные недостатки, заключающиеся в следующем:
82
- для получения Sr используется уникальная дорогостоящая установка, в основном предназначенная для фундаментальных исследований: мезонная фабрика Лос-Аламосской национальной лаборатории США;
- технология основана на использовании одноразовой мишени;
82
- наряду со Sr в мишени образуется большое количество радиоактивных примесей;
82
- выделение Sr сопряжено с необходимостью проведения многоступенчатого радиохимического передела мишени и утилизацией большого количества радиоактивных отходов;
85
- высокое содержание в целевом продукте основной мешающей примеси Sr, активность которой сопоставима с активностью целевого продукта.
82
83
85
83
83
85
82
82
82
85
82
85
82
82
1|2
1|2
γ
γ
Известно, что одним из существенных факторов, определяющих качество Sr, является его радионуклидная чистота. Основные радионуклидные примеси - Sr и Sr. Активность Sr может быть в значительной степени снижена выдержкой облученной мишени (T=32.4 часа для Sr). Что же касается долгоживущего Sr (T=64.73 дня), то его присутствие в Sr значительно увеличивает дозовую нагрузку на пациента и медперсонал и осложняет проведение исследований ПЭТ методом (при частичном «проскоке» стронция в разделительной колонке Sr-Rb изотопного генератора), так как Sr имеет интенсивную линию E=514 кэВ, близкую к аннигиляционной линии Rb (E=511 кэВ). Кроме того, присутствие Sr существенно повышает требования к радиационной защите Sr-Rb изотопного генератора и уменьшает срок его службы до перезарядки.
82
Известен способ получения Sr 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:
82
- использование для получения Sr дорогостоящего ускорителя высоких энергий (линейный ускоритель ИЯИ РАН, г. Троицк);
- достаточно сложна процедура изготовления мишени;
- технология основана на использовании одноразовой мишени;
82
- выделение Sr сопряжено с необходимостью проведения многоступенчатого радиохимического передела мишени;
85
- высокое содержание в целевом продукте основной мешающей примеси Sr, активность которой сопоставима с активностью целевого продукта.
Кроме того, существенным недостатком данного способа следует считать высокую потенциальную взрывоопасность, обусловленную использованием металлического рубидия.
82
3
82
82
78
82
82
max
Известен способ получения Sr 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 He- and α-Particle Induced Nuclear Reactions on Natural Krypton: Production of Sr 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 Sr возможна на всех изотопах Kr за исключением Kr. Однако наработка Sr на каждом из изотопов при использовании природного криптона  не оптимальна, так как величины сечений ядерных реакций, приводящих к образованию Sr на каждом из изотопов криптона, изменяются в широком диапазоне (от 0 до σ) в энергетическом интервале торможения в мишени заряженных частиц.
К недостаткам данного способа можно отнести:
82
- относительно низкий выход Sr в мишени из природного криптона;
85
- высокое содержание в целевом продукте основной мешающей примеси Sr, активность которой сопоставима с активностью целевого продукта.
82
80,82,83,84,86
82
80,82,83,84,86
82
80,82,83,84,86
82
80,82,83,84,86
82
82
Известен способ получения радиоизотопа Sr по реакциям Kr(α,xn)Sr либо Kr(3Не,xn)Sr (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 Kr(α,xn)Sr или, соответственно, одной или нескольких пороговых ядерных реакций Kr(3Не,xn)Sr целевого радиоизотопа Sr.
82
К недостаткам данного способа можно отнести эксплуатационные ограничения оптимальной по выходу Sr 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.
82
82
82
4
4
В качестве прототипа выбран способ получения Sr по реакции Rb(p,xn) на мишени из хлорида рубидия (Mausner L.F., Prach Т., Srivastava S.C. Production of Sr 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 NHOH:0.1 M NHCl и после многоступенчатого радиохимического передела выделяли Sr.
К недостаткам данного способа можно отнести:
82
- использование для получения Sr 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;
82
- выделение Sr сопряжено с необходимостью проведения многоступенчатого радиохимического передела мишени;
85
- высокое содержание в целевом продукте основной мешающей примеси Sr, активность которой сопоставима с активностью целевого продукта.
Раскрытие изобретения
Техническими результатами являются:
82
82
р
р
1) Возможность производить Sr в принципиально иной (отличной от традиционной) области энергий протонов (Е≤30÷40 МэВ), что позволяет применять для производства Sr принципиально иной класс установок: стандартные, относительно дешевые в эксплуатации и достаточно широко распространенные в мире циклотроны с Е≤30÷40 МэВ.
82
82
82
82
84
82
82
р
р
2) Возможность значительно повысить интегральный выход Sr при использовании известной схемы наработки по реакции Rb(p,xn)Sr на ускорителях с Е=70÷100 МэВ за счет дополнительного использования протонов с Е<40 МэВ (порога реакции Rb(p,xn)Sr) для наработки Sr по реакции Sr(р,3n)Y→Sr (каскадная мишень).
3) Использование многоразовой мишени, позволяющей исключить затраты на изготовление новых мишеней для каждого нового цикла облучения.
82
4) Возможность относительно просто автоматизировать выделение Sr, отказавшись от классических технологических операций, реализуемых при радиохимическом переделе мишени, и осуществляемых, как правило, в ручном режиме.
85
5) Значительное снижение по сравнению с прототипом основной мешающей активности Sr.
82
82
84
84
82
82
82
Для достижения указанных результатов предложен способ получения радиоизотопа Sr, включающий облучение мишени протонами и выделение Sr из облученной мишени, при этом в качестве мишени берут изотоп Sr, в процессе облучения которого в результате пороговой ядерной реакции Sr(p,3n)Y в мишени нарабатывают и одновременно радиохимическим методом из мишени непрерывно извлекают Y, продукт распада которого, целевой радиоизотоп Sr без носителя, затем выделяют радиохимическим методом.
84
82
При этом изотоп Sr 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 Y отделяют от стронция мишени.
82
Фигура иллюстрирует принципиальную схему реализации способа наработки и выделения Sr.
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.
84
84
82
82
82
82
82
82
82
82
82
Берут водный раствор соединения стронция, обогащенного по изотопу Sr, 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 Sr(р,3n)Y нарабатывают Y, имеющий период полураспада 10 мин. Y 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 Y 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 Y и продукт его распада Sr. Суммарное время движения Y 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 Y) Sr без носителя из контура 6 направляют на доочистку сорбционным методом (на фигуре не показано).
82
Предложенный способ получения радиоизотопа Sr обладает существенными достоинствами по сравнению с описанными в литературе аналогами и прототипом:
р
- Способ может быть реализован на относительно дешевых в эксплуатации и широко распространенных в мире ускорителях средних энергий (Е≤30÷40 МэВ).
- Мишенное устройство может использоваться многократно.
82
- Выход Sr приемлем для практического использования.
82
- Выделение Sr из мишени легко поддается автоматизации и не сопряжено с необходимостью ее разрушения и проведения многоступенчатого радиохимического передела.
85
84
- Активность основной мешающей примеси Sr при использовании стронция, обогащенного по изотопу Sr, может быть снижена на порядок по сравнению с прототипом.
Пример осуществления изобретения
р
2
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=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 SrCl (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.
84
82
82
82
82
82
82
82
82
82
82
Под действием пучка протонов в мишенном устройстве в результате реакции Sr(p,3n)Y нарабатывали Y. Затем Y 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 Y транспортировали по контуру 5 в центробежный реэкстрактор 3, где реэкстрагировали Y раствором 3 М HCl в водную фазу контура 6. В контуре 6 накапливали Y и продукт его распада Sr (без носителя). После окончания облучения и выдержки (для распада Y) в течение 2 часов Sr направляли на доочистку сорбционным методом. Суммарное время движения Y 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.
6
82
84
2
Коэффициент разделения иттрия и стронция центробежным экстрактором 2 составил величину 10. Выход Sr при концентрации SrCl в растворе 0.6 г/мл (с учетом приведения к обогащению по изотопу Sr до 100%) составил величину 112 мкКи/мкА час.