СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОНКОЙ ПРОВОЛОКИ С СОДЕРЖАНИЕМ КАЛИФОРНИЯ, ЯВЛЯЮЩЕЙСЯ ИСТОЧНИКОМ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
METHOD OF MANUFACTURING OF THIN CALIFORNIUM-CONTAINING WIRE AS SOURCE OF RADIO ACTIVE EMISSION

Область изобретения
Изобретение относится к изготовлению проволоки, содержащей радиоактивный калифорний-252. Более конкретно, тонкую радиоактивную проволоку примерно круглого поперечного сечения получают путем выполнения ряда операций по обжатию с помощью цангового зажима, используемого в качестве устройства для формования проволоки.
Описание существующего уровня техники
Брахитерапией называется способ лечения рака, в соответствии с которым источник радиоактивного излучения располагают внутри тела в месте опухоли. Нейтронную брахитерапию с использованием калифорния-252 (Cf-252) в качестве источника радиоактивного излучения практикуют в течение тридцати лет, при этом обычно назначают либо лечение низкой дозой радиации, либо, при некоторых видах опухолей, - лечение высокой дозой радиации. Лечение высокой дозой радиации более предпочтительно, так как в этом случае период лечения короче. Однако в настоящее время только относительно большие источники (с наружным диаметром около 3 миллиметров) содержат количество Cf-252, которое обеспечивает интенсивность нейтронного излучения для получения высокой дозы радиации. Современные источники высокой дозы радиации слишком велики для использования при интерстициальном (внутриорганном) лечении, но идеальны при внутриполостной терапии (в гинекологии, проктологии, при лечении болезней головы, шеи, полости рта и т.д.). В результате интерстициальное лечение до настоящего времени сводится к использованию низких доз радиации.
Материал источника на основе Cf-252 с высокой удельной радиоактивностью не существует в форме, достаточно тонкой для использования в небольших источниках соответствующих размеров, необходимых при интерстициальной терапии, например заболеваний мозга, простаты, молочных желез, легких и т.д. Задачей настоящего изобретения является преодоление этого ограничения путем получения более тонкого материала источника на основе Cf-252 с высокой удельной радиоактивностью.
Промышленное производство Cf-252 в Соединенных Штатах осуществляет только Национальная лаборатория в Оук Ридж. Еще один промышленный центр находится в России. Оба центра производят медицинские источники на основе Cf-252. Российские источники на основе Cf-252 не обладают такой высокой удельной радиоактивностью как металлокерамическая проволока с содержанием Cf-252, производимая в Оук Ридж.
Очень тонкую проволоку, являющуюся источником гамма- или фотонного излучения и предназначенную для использования при брахитерапии, не так сложно изготовить как металлокерамическую проволоку с содержанием Cf. Традиционные источники гамма-излучения обладают большим преимуществом, выражающимся в том, что сначала изготавливают очень тонкую проволоку из нерадиоактивного материала, а затем размещают ее в активной зоне ядерного реактора, где происходит ее активация до требуемой радиоактивности. Затем куски этой активированной проволоки герметично заделывают и используют в качестве источников радиоактивного излучения. Известно использование при брахитерапии проволоки с содержанием иридия-192 толщиной 0,0134 дюйма.
С искусственным элементом калифорнием нельзя работать вне хорошо экранированных защитных оболочек, таких как камеры для работы с высокоактивными веществами. Калифорний-252 получают методом жидкостной химической обработки, включающей растворение, очистку, осаждение и изготовление проволоки внутри хорошо экранированной камеры с высоким уровнем радиоактивного заражения. Все операции необходимо выполнять дистанционно, ручное управление операциями с получаемой металлокерамической проволокой невозможно из-за интенсивного нейтронного излучения. Свойства металлокерамической проволоки как металлической матрицы с керамическими примесями (окись калифорния) увеличивают трудности, связанные с миниатюризацией, при изготовлении проволоки со здоровой структурой, особенно металлокерамической проволоки с высоким содержанием Cf-252 (>1% по весу).
Металлокерамическая проволока из Оук Ридж содержит окись калифорния, которую вводят в металлическую матрицу на основе палладия. Оксидная керамика действует внутри палладия как примесь и ухудшает способность палладия подвергаться обработке, когда концентрация окиси превышает 1% по весу. Формование проволоки осуществляют прокаткой предварительно расплавленных металлокерамических гранул через последовательно уменьшающиеся калибры ювелирного прокатного стана. С помощью прокатного стана, используемого в настоящее время в камере для работы с высокоактивными веществами, а именно с калифорнием, можно производить проволоку, имеющую небольшие размеры, около 0,75 мм. Однако эффективный диаметр такой проволоки составляет около 1 мм из-за трапецеидального поперечного сечения проволоки.
Эта технология описана в патенте США №5,755,695 (D.S.Erickson, A.Feiring "Guide wire steering handle and method of using same"), опубликованном 26 мая 1998 г.
Разработан эффективный способ значительного уменьшения поперечного сечения металлокерамической проволоки с высоким содержанием Cf-252 (>1% по весу) производства Национальной лаборатории в Оук Ридж. Дополнительным преимуществом предлагаемого способа является его применимость в камерах для работы с высокоактивными веществами, в которых изготавливают миниатюрные высокоинтенсивные источники Cf-252.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Основной задачей изобретения является создание миниатюрной металлокерамической проволоки с содержанием калифорния-252.
Еще одной задачей изобретения является изготовление проволоки круглого сечения вместо существующей проволоки трапецеидального сечения.
Еще одна задача изобретения состоит в получении прямого куска проволоки для упрощения резки и предотвращения разрыва проволоки при обработке.
В предпочтительном варианте осуществления изобретение представляет собой способ формования металлокерамической проволоки. Способ включает следующие операции: а) размещение куска металлокерамической проволоки в цанговом зажиме с пневматическим приводом; б) приложение по периметру этой проволоки импульса регулируемого давления с использованием цангового зажима; в) поворот проволоки на неполный оборот и протягивание ее на небольшое расстояние через цанговый зажим после приложения указанного импульса регулируемого давления; и повторение операций б) и в) до тех пор, пока диаметр проволоки не будет уменьшен по всей ее длине.
На чертеже представлен перспективный вид предлагаемого устройства для формования проволоки.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Предметом изобретения являются устройство для формования проволоки и способ, согласно которому цанговые зажимные губки с пневматическим приводом используют для приложения контролируемого давления к окружности металлокерамической проволоки, являющейся источником радиоактивного излучения, применяемым в брахитерапии. В качестве устройства для формования проволоки используют серийный цанговый зажим с пневматическим приводом. Многократное протягивание проволоки по всей ее длине через цанговый зажим при последовательно возрастающем давлении позволяет изготовить проволоку намного более тонкую, чем получали ранее.
На чертеже изображен серийный цанговый зажим 15 с губками 16 с пневматическим приводом, установленный на основании 14 и предназначенный для ручного управления с помощью пневматического выключателя (не показан). Давление воздуха приводит в действие цанговые зажимные губки, сжимающие кусок металлокерамической проволоки 17. После сжатия проволоки давление воздуха отключают, что приводит к освобождению проволоки из цанговых зажимных губок. Для последовательной обработки проволоки используют два цанговых патрона с различными растворами губок. Один цанговый патрон уменьшает диаметр проволоки, полученной с помощью обычного прокатного стана, а второй цанговый патрон еще более уменьшает диаметр проволоки до требуемого.
Настоящий способ также значительно оптимизирует поперечное сечение проволоки, приближая его к круглой форме, что максимально адаптирует указанную проволоку к последующей холодной обработке давлением. В частности, способ позволяет исключить использование проволоки с ромбовидным или трапецеидальным сечением, изготавливаемой ранее наилучшим из известных способов. Предлагаемый способ позволяет нарезать сформованную проволоку длиной до нескольких дюймов на короткие куски с помощью устройства для резки. Затем каждый кусок помещают внутрь медицинской капсулы для источника. Предлагаемый способ формования проволоки достаточно прост, что делает его идеально подходящим для применения при изготовлении капсул с источниками радиоактивного излучения для брахитерапии в камерах для работы с высокоактивными веществами.
Из чертежа видно, что над цанговым зажимом 15 установлен фиксатор 18 проволоки. Фиксатор 18 используют для протягивания проволоки 17 через формующее устройство вручную с помощью винтового механизма 19, управляемого ручкой 20. Фиксатор 18 используют для захвата так и установки проволоки 17 по отношению к зажиму 15. Каждый импульс давления вызывает сжатие цанговыми зажимными губками куска проволоки длиной менее 1/8 дюйма, так что между импульсами проволока должна быть протянута через цанговый патрон на короткое расстояние. Кроме того, при каждом проходе проволоку переворачивают в держателе для обеспечения формования обоих ее концов и постоянства диаметра по всей длине. Ручку поворачивают на неполный оборот между импульсами, а также при протягивании всей проволоки через форматор при каждом новом значении давления. Процесс повторяют при все более высоком давлении воздуха до тех пор, пока диаметр проволоки не будет уменьшен до требуемого.
Для формования проволоки используют начальное давление 40 фунтов на квадратный дюйм. По завершении формования проволоки при 40 фунтов на квадратный дюйм давление увеличивают на 10-20 фунтов на квадратный дюйм и повторно протягивают проволоку через формующее устройство. Давление увеличивают до тех пор, пока не будет получен требуемый диаметр проволоки с однородным сечением. Соответствие требуемым условиям определяют при протягивании проволоки через калибр требуемого диаметра. Обычный диапазон давления при формовании проволоки от 40 до 60 фунтов на квадратный дюйм, хотя возможно использование давления до 90 фунтов на квадратный дюйм. Необходимо периодически отжигать проволоку при высокой температуре для предотвращения механического упрочнения проволоки, вызываемого формованием, то есть уменьшения сопротивления проволоки дальнейшему формованию по мере уменьшения диаметра. При меньших диаметрах проволоки необходим более частый отжиг.
На практике самую тонкую проволоку, получаемую с помощью обычного прокатного стана, используют в качестве исходного материала для подачи в формующее устройство. Хотя номинально диаметр этой проволоки составляет около 0,75 см, она не проходит через калибр этого диаметра. Эту проволоку протягивают через формующее устройство, и процесс повторяют до получения требуемого диаметра проволоки 0,0225 дюйма (0,572 мм), достижение которого подтверждают путем пропускания проволоки через соответствующий калибр. Теоретически, можно получить еще более тонкую проволоку посредством дальнейшего формования с помощью более узкого цангового патрона. При проведении лабораторных демонстраций с использованием проволоки из марганцево-медного сплава в качестве заменителя металлокерамической проволоки была получена проволока толщиной 0,017 дюйма (0,43 мм).
Использование цанговых патронов с меньшими растворами губок позволяет получить еще более тонкую проволоку, толщина которой менее толщины промышленно производимой проволоки с содержанием Cf (0,0225 дюйма или 0,57 см), и демонстрационных суррогатных лабораторных образцов проволоки (0,017 дюйма или 0,43 мм). На практике минимальная толщина проволоки, полученной данным способом, не определялась, но она не должна превышать 0,4 мм.
По сравнению с другими способами холодной обработки проволоки давлением, такими как обработка на прокатном стане, плющение и раскатка, изготовлена металлокерамическая проволока с содержанием калифорния значительно меньшей толщины.
Предлагаемый способ проще в применении, и для его реализации требуется более простое оборудование по сравнению с другими способами изготовления тонкой проволоки. При реализации указанного способа меньше вероятность повреждения проволоки (например, проволока не протягивается непосредственно через калибр прокатного стана и не расплющивается в калибрах). Предлагаемый способ более мягок по сравнению с плющением, и поэтому менее вероятно, что его применение приведет к раскалыванию проволоки из-за внутренних дефектов, присущих структуре металлокерамики с высоким содержанием окиси Cf. Это является следствием высокой скорости вращения в оборотах в минуту при плющении по сравнению с незначительной скоростью вращения при предлагаемом ручном способе. Пневматическое управление предлагаемым формующим устройством обеспечивает более надежную длительную работу в камере для работы с высокоактивными веществами по сравнению, например, с электродвигателями. В отличие от плющения предлагаемый способ обеспечивает надежную работу в камере для работы с высокоактивными веществами при незначительном техническом обслуживании и регулировке или вообще без необходимости их проведения. Способ обеспечивает также более высокую удельную радиоактивность по сравнению с другими источниками, которые существуют в настоящее время и могут быть выполнены как тонкие источники. В серийном производстве предлагаемое металлокерамическое изделие может быть разрезано на куски со сравнимой удельной радиоактивностью для изготовления равноценных источников радиоактивного излучения.
Процесс формования может быть механизирован, так что пневматический выключатель и протягивающий механизм для протягивания проволоки, управление которыми в настоящее время осуществляют вручную, могут быть синхронизированы и действовать автоматически при каждом проходе металлокерамической проволоки через формующее устройство.
Для отжига проволоки при ее протягивании через формующее устройство можно использовать небольшой кольцевой нагреватель или нагревательную лампу. Благодаря этому нет необходимости вынимать проволоку из формующего устройства и помещать ее в печь для периодического отжига.
Указанная технология была специально разработана для использования при лечении рака методом брахитерапии, что является ее предпочтительным применением. Тем не менее, эту технологию можно использовать во всех случаях, когда требуются очень тонкие или очень компактные источники нейтронов, например в качестве линейных источников или точечных источников для поверки средств измерений либо для специализированных физических исследований.
Несмотря на то, что здесь представлены и описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, для специалиста очевидно, что в них могут быть внесены различные изменения и разработаны различные их модификации без нарушения объема притязаний, ограниченного приведенными ниже пунктами формулы изобретения.