СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИОИЗОТОПА СТРОНЦИЙ-82
METHOD TO PRODUCE RADIOISOTOPE STRONTIUM-82

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).
+
11
13
15
18
р
Работа большинства ПЭТ центров сейчас основана на использовании ультракороткоживущих β-излучающих радионуклидов (С, N, О, F) и предполагает наличие в ПЭТ центре двух обязательных составляющих: позитронно-эмиссионного томографа и циклотрона с Е<20 МэВ для производства указанных выше радиоизотопов. Условие привязки к циклотрону, безусловно, тормозит распространение ПЭТ метода, поскольку далеко не каждая клиника может позволить себе иметь и эксплуатировать циклотрон. Известен более рациональный подход к решению этой проблемы.
82
82
В последнее время, главным образом в США, получила развитие ПЭТ технология, основанная на применении Sr-Rb изотопных генераторов.
Ниже приведены некоторые ядерно-физические характеристики этой изотопной пары:
82
1|2
Sr: T=25.3; ЭЗ (100%); нет сопутствующих γ-квантов.
82
+
1|2
γ
γ
Rb: T=1.27 мин; β(95%), ЭЗ (5%), основные сопутствующие γ-кванты: Е=511 кэВ (189%) и Е=776.9 кэВ (12.5%).
Получаемый в изотопном генераторе рубидий, являясь физиологическим аналогом калия, при введении в организм пациента преимущественно локализуется в миокарде.
Указанные физические и физиологические свойства данной радиоизотопной пары делают этот генератор весьма удобным для использования в ПЭТ методе. Этот генератор компактен, может быть легко доставлен в любую клинику, в том числе на большие расстояния, и эксплуатироваться достаточно длительное время. При этом отпадает необходимость иметь и эксплуатировать в клинике циклотрон (громоздкое и дорогостоящее оборудование, требующее специального помещения и обслуживающего персонала).
82
82
82
α
3He
Настоящее изобретение может быть использовано для получения радиоизотопа Sr на относительно дешевых в эксплуатации ускорителях средних энергий (Е,≤60 МэВ). Предлагаемый способ получения Sr позволяет исключить из процедуры выделения стронция из мишени циклотрона трудоемкую и дорогостоящую операцию радиохимической переработки мишени, свойственную другим методам. Получаемый данным способом Sr будет иметь более высокую радионуклидную чистоту по сравнению с существующими аналогами, так как каскадная компоновка газовой криптоновой мишени в данном способе позволит регулировать и оптимизировать состав и количество радионуклидных примесей в конечном продукте.
Предшествующий уровень техники
82
р
В настоящее время Sr получают облучением протонами (Е≈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.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 кислот 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-Адамосской 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 Е=514 кэВ, близкую к аннигиляционной линии Rb(Е=511 кэВ). Кроме того, присутствие Sr существенно повышает требования к радиационной защите Sr-Rb изотопного генератора и уменьшает срок его службы до перезарядки.
82
82
82
4
4
Известен 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.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 хлорида 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
- как и в предыдущем примере, высокое содержание в целевом продукте основной мешающей примеси Sr, активность которой сопоставима с активностью целевого продукта.
82
Известен способ получения Sr по реакции Rb(p,xn) на мишени из металлического рубидия (Жуйков Б.Л., Коханюк В.М., Глущенко 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 диска 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 на пучке с энергией протонов 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;
- 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 взрывоопасность, обусловленную использованием металлического рубидия.
82
3
82
82
78
82
82
max
В качестве прототипа выбран 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.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.
В результате данный способ имеет следующие существенные недостатки:
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.
Раскрытие изобретения
82
83
85
Техническим результатом является повышение выхода целевого радиоизотопа Sr и возможность регулировать и минимизировать величины сопутствующих активностей основных мешающих примесей: Sr и Sr.
80,82,83,84,86
82
80,82,83,84,86
82
82
Для этого предложен способ получения радиоизотопа стронций-82, включающий облучение пучками ускоренных α-частиц или 3Не мишени из криптона, причем в качестве мишени берут один изотоп или каскад из нескольких изотопов криптона, каждый из которых представляет собой криптон, обогащенный по i-му изотопу до концентрации, превышающей концентрацию i-го изотопа в природной смеси изотопов криптона, и, одновременно, превышающей концентрацию любого другого изотопа в смеси изотопов криптона, при этом изотопы криптона в каскаде располагают последовательно в направлении пучка ускоренных частиц в порядке убывания атомных масс изотопов, имеющих в смеси изотопов криптона максимальную концентрацию, и в процессе одной или нескольких пороговых ядерных реакций Kr(α,xn)Sr или, соответственно, одной или нескольких пороговых ядерных реакций Kr(3Не,xn)Sr накапливают в мишени целевой радиоизотоп Sr.
Кроме того, в качестве источника ускоренных частиц используют циклотрон или линейный ускоритель.
80,82,83
82
На фигуре приведены зависимости сечений пороговых ядерных реакций Kr(α,xn)Sr энергии ускоренных частиц в диапазоне от энергетических порогов реакций до 60 МэВ.
Способ осуществляется следующим образом.
82
82
82
80,82,83,84,86
82
80,82,83,84,86
82
82
82
82
82
82
82
Поскольку каждой точке мишени на оси пучка соответствует вполне конкретная энергия ускоренных частиц, модульная компоновка мишени изотопами криптона позволяет для каждого изотопа выбрать энергетический диапазон (и соответствующее ему место в каскаде) так, что наработку Sr на каждом изотопе криптона осуществляют в энергетической области его максимальной эффективности. Иными словами, наработку Sr осуществляют там, где сечение реакции образования Sr на данном конкретном изотопе криптона выше, чем на любом другом изотопе. Выбор соответствующих энергетических диапазонов осуществляют с помощью энергетических зависимостей сечений реакций Kr(α,xn)Sr и Kr(3He,xn)Sr, приводящих к образованию Sr. Выбор конкретных изотопов криптона и их количество для наработки Sr зависит от начальной энергии заряженных частиц. Чем выше начальная энергия заряженных частиц, тем выше атомный номер изотопа криптона, на котором будет идти пороговая реакция с образованием Sr. Энергетические порога ядерных реакций, приводящих к образованию Sr, увеличиваются с возрастанием атомного номера изотопа криптона. Данный способ позволяет получать максимальный выход Sr для каждого фиксированного набора изотопов криптона и фиксированной начальной энергии заряженных частиц. Абсолютный максимум выхода Sr в криптоновой мишени (для фиксированной начальной энергии заряженных частиц) получают при использовании в данном способе изотопов криптона максимально возможного обогащения.
82
83
85
82
83
85
83
85
83
85
80,82,83,84,86
83
82,83,84,86
85
82,83,84,86
83
83,84,86
85
83
85
Наряду с оптимизацией выхода Sr модульная компоновка каскадной мишени позволяет минимизировать основные мешающие примеси: Sr и Sr. Процедура минимизации та же, что и в случае оптимизации выхода Sr. Разница лишь в том, что наработку Sr и Sr на каждом изотопе криптона осуществляют в энергетических областях его минимальной эффективности. Иными словами, наработку Sr и Sr будут осуществлять там, где сечения реакций образования Sr и Sr на данном конкретном изотопе криптона ниже, чем на любом другом изотопе. При этом выбор соответствующих энергетических диапазонов осуществляют с помощью энергетических зависимостей сечений реакций Kr(α,xn)Sr, Kr(α,xn)Sr, Kr(3Не,xn)Sr и Kr(3Не,xn)Sr, приводящих к образованию Sr и Sr.
82
83
85
На практике условия оптимизации выхода Sr и минимизации содержания примесных активностей Sr и Sr могут противоречить друг другу. В этом случае, с учетом потребительских требований к целевому продукту, реализуют компромиссную компоновку каскадной криптоновой мишени.
82
Предложенный способ получения радиоизотопа Sr обладает существенными достоинствами по сравнению с описанными в литературе аналогами:
α,3He
- Способ может быть реализован на относительно дешевых в эксплуатации ускорителях средних энергий (Е≤60-70 МэВ).
- Мишенное устройство может использоваться многократно.
82
- Выделение Sr из мишени не сопряжено с ее разрушением и проведением многоступенчатого радиохимического передела.
85
- В данном методе активность основной мешающей примеси Sr может быть снижена на порядок по сравнению с аналогами.
82
Предложенный способ получения радиоизотопа Sr обладает существенными достоинствами по сравнению с прототипом:
82
- Выход Sr в каскадной мишени с изотопами криптона может быть поднят в несколько раз по сравнению с выходом мишени из природного криптона.
85
- Активность основной мешающей примеси Sr в данном способе может быть снижена на порядок по сравнению с прототипом.
Пример осуществления изобретения
80
82
80,82
82
82
80,82,83
82
82
80
82
80
82
82
80
80
82
82
82
80
82
80
80
82
85
85
80
82
α
α
α
4
4
Мишень, представляющую собой каскад из двух последовательно расположенных алюминиевых модулей с высокообогащенными изотопами криптона Kr и Kr (обогащение >99.9%, давление 300 кПа), устанавливали на пучок α-частиц энергией 60 МэВ и в процессе пороговых ядерных реакций Kr(α,xn)Sr накапливали в ней целевой радиоизотоп Sr. На основании предварительно полученных авторами экспериментальных значений сечений реакций Kr(α,xn)Sr (см. фигуру) и для обеспечения максимального выхода Sr в области Е≤60 МэВ каскадную криптоновую мишень изготовили из двух модулей с высокообогащенными изотопами криптона: с Kr и Kr, причем геометрическую границу между модулями с Kr и Kr, в виде Al фольги толщиной 100 мкм, установили на расстоянии 12 см (в области, где Е≈50 МэВ) от входа пучка α-частиц в первый модуль с Kr. Длина второго модуля с Kr, равная 29 см, обеспечивала полное торможение α-частиц с Е≈50 МэВ в Kr. Использованная компоновка каскадной мишени позволила нарабатывать максимально возможное количество Sr в области энергий α-частиц в диапазоне 60-50 МэВ (на изотопе Кг) и максимально возможное количество Sr в области энергий α-частиц в диапазоне от порога Kr(α,xn)Sr реакции до 50 МэВ (на изотопе Kr). Кроме того, в модуле с Kr наработали Sr, лишенный примесной активности Sr, так как реакции, инициированные α-частицами, с образованием Sr на Kr отсутствуют. После завершения облучения и до начала процедуры выделения Sr каскадную мишень выдерживали в течение 3 суток, чтобы дать распасться короткоживущим активностям и снизить соответствующие дозовые нагрузки на персонал. Затем каскадную мишень транспортировали в специальный защитный бокс, где подсоединяли к коммуникациям газовакуумного радиохимического стенда. Криптон удаляли из модулей каскадной мишени, например, способом криогенного вымораживания в специальные газовые ловушки (каждый изотоп криптона в собственную ловушку), находящиеся при температуре жидкого азота. После удаления криптона в объемы модулей каскадной мишени через специальные каналы вводились форсунки, через которые под давлением в течение нескольких секунд впрыскивали раствор NHCl, смывающий со стенок каскадной мишени активности изотопов рубидия и стронция. Раствор NHCl самотеком собирали в специальной приемной емкости. Затем с помощью насоса активный раствор через фильтр подавали на ионообменную колонку, где разделяли активности изотопов рубидия и стронция.
82
82
85
82
α3He
Таким образом, данное изобретение позволяет увеличить в несколько раз выход Sr по сравнению с выходом Sr в мишени из природного криптона. Активность основной мешающей примеси Sr в Sr может быть снижена в данном способе на порядок по сравнению с прототипом и рассмотренными аналогами. Способ может быть реализован на относительно дешевых в эксплуатации ускорителях средних энергий (Е≤60-70 МэВ).
82
Выделение Sr из мишени не сопряжено с ее разрушением и проведением многоступенчатого радиохимического передела.
Совокупность указанных обстоятельств позволяет рассчитывать на то, что данный способ будет иметь коммерческую перспективу и обеспечит более широкое внедрение диагностического ПЭТ метода в нашей стране.