СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РАДИОИЗОТОПОВ ЗОЛОТА БЕЗ НОСИТЕЛЯ
METHOD OF OBTAINING ISOTOPES OF GOLD WITHOUT CARRIER

Изобретение относится к области радиохимии, в частности к способам получения радиоизотопов. Изобретение может быть использовано в радиохимии для производства радиоизотопов золота с высокой степенью чистоты.
К началу нашего столетия было синтезировано более 30 радиоизотопов золота с массовыми числами от 171 до 202 [Antony M.S. Nuclide Chart 2002, IReS, 23 rue du Loess, BP 20, Strasburg, France, р.15-16]. Наиболее важными из них являются нуклиды
198
199
195
198
1/2
1/2
1/2
Au(T=2,7 сут) и Au(T=3,15 сут), а также Au(Т-185 сут), образующийся при облучении платиновой мишени ускоренными дейтронами. Радиоактивные индикаторы золота находят широкое применение в фундаментальных научных исследованиях и в промышленности. В медицине Au применяют в виде коллоидного золота для обработки раковых опухолей [Гайсинский М., Адлов Ж. Радиохимический словарь элементов. Под редакцией С.С.Родина. Атомиздат, М., 1968, с.64].
194
194
194
194
194
-6
1/2
1/2
Известен способ получения радиоизотопа Au [Айхлер Б., Доманов В.П. // Способ получения изотопа золота; Бюлл. ОИ, №39, 1984, с.75], основанный на использовании генераторной пары Hg(T=444 г)→Au(T=1,5 сут). Для получения материнского нуклида ртутную мишень облучают протонами промежуточной энергии, подвергают ее дистилляции в атмосфере инертного газа с целью очистки от фоновой активности и после необходимой выдержки в процессе повторной дистилляции ртути в атмосфере водорода выделяют дочерний радиоизотоп в кубовом остатке. Поскольку период полураспада Hg велик, а потерь ртути в процессе дистилляции можно избежать, то выделение дочернего радиоизотопа можно осуществлять многократно. К недостатку способа относится низкий радиационный выход Au, составляющий ~2.10 кБк/мкА·ч·мг.
192
193
192,193
192,193
16
16
192
193
Известен также способ получения радиоизотопов золота Au и Au [Lahiri S., Banerjee К., Das N.R. // Production of carrier free Hg and Au in O irradiated tantalum target and their separation by liquid-liquid extraction; Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 1999, Vol.242(2), pp.497-504] (аналог), согласно которому танталовую мишень облучают ускоренными ионами O с образованием исходных радионуклидов Т1 и Т. В результате последовательного электронного захвата они образуют целевые продукты:
192
192
192
1/2
1/2
1/2
Т1(Т=9,6 мин)→Hg(Т=4,8 ч)→Au(T=4,9 ч),
193
192
193
1/2
1/2
1/2
Т1(Т=21,6 мин)→Hg(Т=3,8 ч)→Au(T=17,6 ч)
192,193
182
192,193
Облученную мишень растворяют в смеси плавиковой и азотной кислот, выдерживают ее в течение определенного времени, необходимого для распада Т1, в полученный раствор вводят отметчик Та и экстрагируют из раствора продукты ядерных реакций. На следующей стадии проводят дополнительную очистку радиоизотопов ртути и золота от вещества мишени, а на заключительном этапе осуществляют выделение Au с использованием органических экстрагентов. К недостаткам способа относится сложность технологии процесса.
196
198
199
1/2
3
Описан способ получения радиоизотопов золота без носителя [Айхлер Б., Доманов В.П. Препринт ОИЯИ, Р 12-7775, /Дубна, 1974], которые выделяют в виде хлоридов (прототип). Согласно предложенному подходу в качестве вещества мишени используют металлическую ртуть, которую облучают ускоренными протонами с промежуточной энергией (660 МэВ). В процессе облучения в веществе мишени накапливаются радиоизотопы золота, в частности Au(T=6,2 сут), Au и Au, образующиеся по ядерным реакциям Hg(p,2pxn), а также сопутствующие нуклиды с порядковыми номерами Z<81. Облученный материал переносят на поверхность кварцевого песка, помещенного в кварцевую трубку, и при нагревании отгоняют вещество мишени в потоке водорода, а кварцевый песок с адсорбированными на его поверхности продуктами ядерных реакций помещают в стартовую зону кварцевой термохроматографической колонки (ТХК), которую нагревают при 1000°С в потоке хлора - газа-носителя и реагента. Образующиеся летучие хлориды адсорбируются на стенках ТХК при определенных температурах. В описанных условиях хлорид золота (AuCl) осаждается при 230°С и после охлаждения колонки может быть переведен в раствор.
К недостаткам метода относится присутствие в радиоактивных препаратах золота радиоизотопов циркония, теллура и гафния, т.к. летучесть их хлоридов близка к летучести хлорида золота.
Технической задачей настоящего изобретения является получение радиоизотопов золота с высокой радиохимической чистотой.
2
2
3
Поставленная задача достигается тем, что в качестве вещества мишени используют металлическую ртуть, которую облучают ускоренными протонами, отделяют вещество мишени путем его возгонки в атмосфере водорода, собирают продукты ядерных реакций и превращений на поверхности кварцевого песка, 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. При этом мишень облучают протонами низкой энергии (<350 МэВ), а реагентом являются пары мышьяка. В условиях данной методики летучие арсениды образуют золото (предполагаемая формула AuAs), а также серебро (AgAs) и рений (ReAs). Радиоизотопы золота образуют зону адсорбции с центром при 780°С, радиоизотопы серебра при 640°С и рения при 470°С. Остальные продукты ядерных реакций летучих арсенидов не образуют, и они с эффективностью, близкой к 100%, остаются в стартовой зоне ТХК. Благодаря значительной разнице в летучестях AuAs и ReAs перекрытия их адсорбционных зон не происходит. Что касается арсенидов золота и серебра, то их полного разделения достичь не удается вследствие размытия термохроматографических пиков и в зоне осаждения AuAs соосаждается до 10% AgAs. Дополнительная очистка радиозолота достигается благодаря выбранным условиям облучения ртутной мишени протонами. По данным [Michel R., Bodemann R., Busemann H. et al. // Cross sections for the production of residual nuclides by low- and medium-energy protons from the target elements C, N, O, Mg, Al, Si, Ca, Ti, Cu, Sr, Y, Zr, Nb, Ba and Au; Nucl. Instr. and Methods, 1997, В 129, pp.153-193] при облучении тяжелых мишней с Z=79-80 протонами низких энергий (например, при Ер=329 МэВ) сечение образования продуктов ядерных реакций с А=190-200 составляет около 100 мб, а нуклидов с А=100-110 (образующихся по реакциям глубокого расщепления) не превышает 1 мб. Для сравнения, при Ер=760 МэВ эта величина возрастает до 2-3 мб. Таким образом, суммарный коэффициент очистки >10.
Существенное отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в облучении ртутной мишени протонами низкой энергии и использовании в качестве реагента паров мышьяка.
Эти существенные признаки позволяют получать радиоизотопы золота с высокой степенью очистки от посторонних примесей.
196
198
199
1
Сущность способа заключается в следующем: ртутную мишень облучают ускоренными протонами низкой энергии, например равной 310 МэВ. В процессе облучения образуются радиоизотопы с Z<81, в частности Au, Au и Au. 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 и охлаждения зоны нагрева кварцевый песок с собранными на его поверхности радиоизотопами переносят в стартовую зону кварцевой ТХК, перед которой помещают твердый реагент - мышьяк. Готовую к эксперименту колонку устанавливают внутри каскада трубчатых электропечей, имеющих различное функциональное назначение. Первая печь (1) предназначена для нагревания твердого реагента до определенной температуры t, вторая (2) обеспечивает горячий транспорт паров реагента, третья (3) обогревает исходный радиоактивный образец до высокой температуры, а четвертая (4) создает вдоль колонки отрицательный температурный градиент. После продувки установки очищенным гелием вдоль колонки устанавливают заданное температурное распределение. В процессе высокотемпературной химической обработки исходного образца парами реагента радиоизотопы золота образуют летучий арсенид, транспортируемый вдоль ТХК в потоке гелия и адсорбирующиейся при 780°С (температура максимума термохроматографического пика). Радиоизотопы большинства сопутствующих золоту элементов летучих соединений не образуют и остаются в исходном образце. Летучесть арсенидов характерна только двум сопутствующим элементам - рению и серебру. Однако арсенид рения осаждается ниже 470°С и не влияет на радиохимическую чистоту целевого продукта, а благодаря сочетанию химических и ядерно-физических методов очистки содержание в нем радиоизотопов серебра не превышает 0,1%.
1
Основная доля паров реагента не вступает в химические реакции и осаждается на стенках ТХК при 350°С, что обеспечивает также и высокую химическую чистоту получаемого препарата. Распределение у-активности вдоль ТХК и химический выход радиоизотопов золота Y определяют с помощью у-спектрометра. Значение Y зависит от ряда параметров, в частности от концентрации реагента в газовой фазе, что, в свою очередь, определяется температурой t. При выборе температурного режима использованы данные [Таблицы физических величин. Справочник под ред. И.К.Кикоина, М, Атомиздат, 1976, с.206]. Полученные результаты представлены в таблице.
Зависимость значений Y от температуры t<sub>i</sub>
т<sub>1</sub>.°C
390
410
430
440
450
Y, %
30
57
68
71
77
Дальнейшее увеличение концентрации паров реагента приводит к их интенсивному осаждению на стенках ТХК (ниже 350°С) и может привести к закупорке газового тракта. Таким образом, температурный интервал 430-450°С является оптимальным для реализации способа.
R
196
С учетом данных [Michel R., Bodemann R., Busemann H. et al. // Cross sections for the production of residual nuclides by low- and medium-energy protons from the target elements C, N, O, Mg, Al, Si, Ca, Ti, Cu, Sr, Y, Zr, Nb, Ba and Au; Nucl. Instr. and Methods, 1997, В 129, pp.153-193], радиационный выход (Y) Au составляет ~0,4 кБк/мкА·ч·мг. Значение
R
R
198
199
Y радиоизотопа Au равно ~1 кБк/мкА∙ч∙мг, а в случае Au Y=~0,9 кБк/мкА·ч·мг. Перевод выделенных радиоизотопов в водную фазу осуществляют путем обработки зоны осаждения золота подходящим растворителем, например теплой соляной кислотой.
Пример.
9,5 г бидистиллята металлической ртути, помещенной в кварцевую ампулу, облучают протонами низкой энергии с энергией 310 МэВ с интенсивностью пучка
12
-1
-2
-40
-6
-3
3
3.10 сек, см в течение 24 часов. По окончании облучения мишень "охлаждают" в течение 1-1,5 суток, переносят ее на поверхность кварцевого песка (d=100-200MKM), предварительно помещенного в кварцевую трубку (с 1=10 мм), и отгоняют вещество мишени в токе водорода при температуре 350°С. По окончании возгонки и охлаждения устройства полученный исходный радиоактивный образец переносят в стартовую зону кварцевой ТХК (с 1=3 мм), а в начале колонки помещают твердый реагент - мышьяк марки х.ч., который предварительно очищали путем вакуумной сублимации. Затем колонку помещают внутрь трубчатых электропечей (1)-(4). После продувки колонки в токе очищенного гелия (остаточное содержание водяных паров менее 10% и кислорода менее 10%) последовательно подавали напряжение на печь (4), обеспечивающую отрицательный температурный градиент с величиной α=-17 град °С/см, на печь (2) (460-480°С), затем на печь нагревания исходного образца (3) (900°С). По достижении заданных параметров подавали напряжение на печь (1), в которой мышьяк нагревали при 440°С. Концентрация паров мышьяка составляла 6×10 моль·см. Объемная скорость гелия составляла 20 см·мин, а продолжительность процесса 45 мин. Полученный арсенид золота осаждался при 780°С с химическим выходом 71%. Радиохимическая чистота препаратов радиоактивного золота составила 99,9%. На чертеже показано распределение арсенидов золота и рения вдоль колонки. Отмечен также центр зоны осаждения арсенида серебра. Из чертежа видно, что зоны осаждения арсенида золота и мышьяка находятся на значительном расстоянии друг от друга, что обеспечивает высокую химическую чистоту полученных радиоизотопов золота.
Предлагаемый способ может быть использован не только в традиционных областях (промышленность, медицина). В настоящее время ведутся работы по получению и поиску в природе сверхтяжелых элементов, в частности элемента с Z=111 [Oganessian Yu.Ts., Utyunkov V.K., Lobanov Yu.V. et al. // Phys. Rev. C.2004, P. 021601(R)], [Marinov A., Rodoshkin I., Pape A. et al. // Existance of long-lived isotopes of a superheavy element in natural Au; (is submitted to Phys. Rev. Letters)] который, по современным представлениям, является химическим гомологом золота. В этом случае предлагаемый способ может стать основой для разработки метода химической идентификации эказолота.