Способ получения радиоизотопа стронций-82

Изобретение относится к технологии получения радиоизотопов для ядерной медицины на ускорителях заряженных частиц. Способ получения радиоизотопа стронций-82 включает облучение ускоренными пучками α-частиц или 3Не мишени из криптона. 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 ^{80,82,83,84,86}Kr(α,xn)⁸²Sr или, соответственно, одной или нескольких пороговых ядерных реакций ^{80,82,83,84,86}Kr(3He,xn)⁸²Sr накапливают в мишени целевой радиоизотоп ⁸²Sr. Изобретение позволяет увеличить выход целевого радиоизотопа ⁸²Sr и обеспечивает возможность регулирования и минимизации величины сопутствующих активностей основных мешающих примесей ⁸⁵Sr и ⁸³Sr. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

 

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).

Работа большинства ПЭТ центров сейчас основана на использовании ультракороткоживущих β⁺-излучающих радионуклидов (¹¹С, ¹³N, ¹⁵О, ¹⁸F) и предполагает наличие в ПЭТ центре двух обязательных составляющих: позитронно-эмиссионного томографа и циклотрона с Е_р<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.

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

Ниже приведены некоторые ядерно-физические характеристики этой изотопной пары:

⁸²Sr: T_1|2=25.3; ЭЗ (100%); нет сопутствующих γ-квантов.

⁸²Rb: T_1|2=1.27 мин; β⁺(95%), ЭЗ (5%), основные сопутствующие γ-кванты: Е_γ=511 кэВ (189%) и Е_γ=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).

Настоящее изобретение может быть использовано для получения радиоизотопа ⁸²Sr на относительно дешевых в эксплуатации ускорителях средних энергий (Е_α,_3He≤60 МэВ). Предлагаемый способ получения ⁸²Sr позволяет исключить из процедуры выделения стронция из мишени циклотрона трудоемкую и дорогостоящую операцию радиохимической переработки мишени, свойственную другим методам. Получаемый данным способом ⁸²Sr 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

В настоящее время ⁸²Sr получают облучением протонами (Е_р≈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.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 кислот 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-Адамосской 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 Е_γ=514 кэВ, близкую к аннигиляционной линии ⁸²Rb(Е_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 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.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 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;

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

Известен способ получения ⁸²Sr 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:

- использование для получения ⁸²Sr дорогостоящего ускорителя высоких энергий;

- 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 взрывоопасность, обусловленную использованием металлического рубидия.

В качестве прототипа выбран 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.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.

В результате данный способ имеет следующие существенные недостатки:

- 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.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом является повышение выхода целевого радиоизотопа ⁸²Sr и возможность регулировать и минимизировать величины сопутствующих активностей основных мешающих примесей: ⁸³Sr и ⁸⁵Sr.

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 ^{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 накапливают в мишени целевой радиоизотоп ⁸²Sr.

Кроме того, в качестве источника ускоренных частиц используют циклотрон или линейный ускоритель.

На фигуре приведены зависимости сечений пороговых ядерных реакций ^80,82,83Kr(α,xn)⁸²Sr энергии ускоренных частиц в диапазоне от энергетических порогов реакций до 60 МэВ.

Способ осуществляется следующим образом.

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 ⁸²Sr на каждом изотопе криптона осуществляют в энергетической области его максимальной эффективности. Иными словами, наработку ⁸²Sr осуществляют там, где сечение реакции образования ⁸²Sr на данном конкретном изотопе криптона выше, чем на любом другом изотопе. Выбор соответствующих энергетических диапазонов осуществляют с помощью энергетических зависимостей сечений реакций ^{80,82,83,84,86}Kr(α,xn)⁸²Sr и ^{80,82,83,84,86}Kr(3He,xn)⁸²Sr, приводящих к образованию ⁸²Sr. Выбор конкретных изотопов криптона и их количество для наработки ⁸²Sr 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 ⁸²Sr. Энергетические порога ядерных реакций, приводящих к образованию ⁸²Sr, увеличиваются с возрастанием атомного номера изотопа криптона. Данный способ позволяет получать максимальный выход ⁸²Sr для каждого фиксированного набора изотопов криптона и фиксированной начальной энергии заряженных частиц. Абсолютный максимум выхода ⁸²Sr в криптоновой мишени (для фиксированной начальной энергии заряженных частиц) получают при использовании в данном способе изотопов криптона максимально возможного обогащения.

Наряду с оптимизацией выхода ⁸²Sr модульная компоновка каскадной мишени позволяет минимизировать основные мешающие примеси: ⁸³Sr и ⁸⁵Sr. Процедура минимизации та же, что и в случае оптимизации выхода ⁸²Sr. Разница лишь в том, что наработку ⁸³Sr и ⁸⁵Sr на каждом изотопе криптона осуществляют в энергетических областях его минимальной эффективности. Иными словами, наработку ⁸³Sr и ⁸⁵Sr будут осуществлять там, где сечения реакций образования ⁸³Sr и ⁸⁵Sr на данном конкретном изотопе криптона ниже, чем на любом другом изотопе. При этом выбор соответствующих энергетических диапазонов осуществляют с помощью энергетических зависимостей сечений реакций ^{80,82,83,84,86}Kr(α,xn)⁸³Sr, ^82,83,84,86Kr(α,xn)⁸⁵Sr, ^82,83,84,86Kr(3Не,xn)⁸³Sr и ^83,84,86Kr(3Не,xn)⁸⁵Sr, приводящих к образованию ⁸³Sr и ⁸⁵Sr.

На практике условия оптимизации выхода ⁸²Sr и минимизации содержания примесных активностей ⁸³Sr и ⁸⁵Sr могут противоречить друг другу. В этом случае, с учетом потребительских требований к целевому продукту, реализуют компромиссную компоновку каскадной криптоновой мишени.

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

- Способ может быть реализован на относительно дешевых в эксплуатации ускорителях средних энергий (Е_α,3He≤60-70 МэВ).

- Мишенное устройство может использоваться многократно.

- Выделение ⁸²Sr из мишени не сопряжено с ее разрушением и проведением многоступенчатого радиохимического передела.

- В данном методе активность основной мешающей примеси ⁸⁵Sr может быть снижена на порядок по сравнению с аналогами.

Предложенный способ получения радиоизотопа ⁸²Sr обладает существенными достоинствами по сравнению с прототипом:

- Выход ⁸²Sr в каскадной мишени с изотопами криптона может быть поднят в несколько раз по сравнению с выходом мишени из природного криптона.

- Активность основной мешающей примеси ⁸⁵Sr в данном способе может быть снижена на порядок по сравнению с прототипом.

Пример осуществления изобретения

Мишень, представляющую собой каскад из двух последовательно расположенных алюминиевых модулей с высокообогащенными изотопами криптона ⁸⁰Kr и ⁸²Kr (обогащение >99.9%, давление 300 кПа), устанавливали на пучок α-частиц энергией 60 МэВ и в процессе пороговых ядерных реакций ^80,82Kr(α,xn)⁸²Sr накапливали в ней целевой радиоизотоп ⁸²Sr. На основании предварительно полученных авторами экспериментальных значений сечений реакций ^80,82,83Kr(α,xn)⁸²Sr (см. фигуру) и для обеспечения максимального выхода ⁸²Sr в области Е_α≤60 МэВ каскадную криптоновую мишень изготовили из двух модулей с высокообогащенными изотопами криптона: с ⁸⁰Kr и ⁸²Kr, причем геометрическую границу между модулями с ⁸⁰Kr и ⁸²Kr, в виде Al фольги толщиной 100 мкм, установили на расстоянии 12 см (в области, где Е_α≈50 МэВ) от входа пучка α-частиц в первый модуль с ⁸²Kr. Длина второго модуля с ⁸⁰Kr, равная 29 см, обеспечивала полное торможение α-частиц с Е_α≈50 МэВ в ⁸⁰Kr. Использованная компоновка каскадной мишени позволила нарабатывать максимально возможное количество ⁸²Sr в области энергий α-частиц в диапазоне 60-50 МэВ (на изотопе ⁸²Кг) и максимально возможное количество ⁸²Sr в области энергий α-частиц в диапазоне от порога ⁸⁰Kr(α,xn)⁸²Sr реакции до 50 МэВ (на изотопе ⁸⁰Kr). Кроме того, в модуле с ⁸⁰Kr наработали ⁸²Sr, лишенный примесной активности ⁸⁵Sr, так как реакции, инициированные α-частицами, с образованием ⁸⁵Sr на ⁸⁰Kr отсутствуют. После завершения облучения и до начала процедуры выделения ⁸²Sr 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 NH₄Cl, смывающий со стенок каскадной мишени активности изотопов рубидия и стронция. Раствор NH₄Cl 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.

Таким образом, данное изобретение позволяет увеличить в несколько раз выход ⁸²Sr по сравнению с выходом ⁸²Sr в мишени из природного криптона. Активность основной мешающей примеси ⁸⁵Sr в ⁸²Sr 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_α3He≤60-70 МэВ).

Выделение ⁸²Sr 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.

1. Способ получения радиоизотопа стронций-82, включающий облучение ускоренными пучками α-частиц или 3Не мишени из криптона, отличающийся тем, что 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 ^{80,82,83,84,86}Kr(α,xn)⁸²Sr или соответственно одной или нескольких пороговых ядерных реакций ^{80,82,83,84,86}Kr(3He,xn)⁸²Sr накапливают в мишени целевой радиоизотоп ⁸²Sr.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве источника ускоренных частиц используют циклотрон или линейный ускоритель.