Способ моделирования химического поведения атомов сверхтяжелых элементов

Изобретение относится к области ядерной химии. Сущность изобретения: способ моделирования химического поведения атомов сверхтяжелых элементов (СТЭ) в газовой фазе заключается в том, что облученную на пучке ускоренных частиц мишень используют в качестве генератора радионуклида, являющегося химическим аналогом идентифицируемого СТЭ. Выделение легкого радионуклида-аналога из облученной мишени осуществляют путем ее нагрева до высоких температур, обеспечивающих испарение этого радионуклида с последующей его обработкой химическими реагентами с целью получения летучих соединений, исследование которых осуществляют, например, в условиях газовой термохроматографии. Экстраполяция полученных данных позволяют оценить летучесть идентифицируемого СТЭ (в виде аналогичных соединений) и прогнозировать некоторые другие физические характеристики. Облученная мишень может быть использована многократно, что обеспечит получение набора опытных данных сравнительно простыми средствами. Преимущество изобретения заключается в упрощении как экспериментальной базы, так и самого процесса проведения эксперимента, проводимого в режиме off-line. 3 ил.

 

Изобретение относится к области ядерной химии и может быть использовано для проведения экспериментов, направленных на прогнозирование химического поведения атомов сверхтяжелых элементов (СТЭ с порядковым номером Z≥104) в газовой фазе.

Целью изобретения является упрощение модельных экспериментов с предполагаемыми легкими аналогами СТЭ. Модельные опыты с аналогами СТЭ проводят с целью использования полученных данных для химической идентификации СТЭ и изучения их химического поведения. Например, экспериментам, направленным на химическую идентификацию элемента 105 (Db, дубний), предшествовали опыты с его соседями по пятой группе Периодической таблицы элементов - ниобием и танталом, а результаты экспериментов с молибденом и вольфрамом существенно облегчили выбор условий химического выделения элемента 106 (Sb, сиборгий) из продуктов ядерных реакций. Эксперименты с Z=104-106 проводили как в жидкой, так и в газовой фазе. В последнее время методам газовой химии отдается предпочтение, поскольку они обеспечивают экспрессный перевод атомов в летучие соединения (что снижает потери СТЭ с секундными периодами полураспада), характеризуются высоким химическим выходом, значительным фактором отделения от фоновых α-излучателей и высокой эффективностью их переноса в зону детектирования.

Предложен метод моделирования химической идентификации элемента 107 (Bh, борий), основанный на предположении о близости свойств Тс, Re и Bh (Eichler R. et. al., Radiochim. Acta, 2000, vol. 88, no. 2, pp. 87-93) - аналог. Источником технеция являлись продукты спонтанного деления радионуклида ²⁵²Cf, а радиоизотопы рения получали на пучке ускоренных протонов по ядерной реакции ^нат.W(p,xn)^I84,188Re. С использованием аэрозольной струи их переносили в термохроматографическую установку и переводили радиоизотопы рения в летучие оксихлориды, которые разделяли на поверхности кварцевых колонок. К недостаткам метода является сложность технологии и трудоемкость процесса.

Известен способ моделирования химического поведения элемента 106 (Sb, сиборгий), основанный на данных о термохроматографии оксихлоридов вольфрама (Белов, В.З. и др. Сообщения ОИЯИ Р6-6685, Дубна, 1972) - прототип. Для получения радиоизотопов ¹⁷⁵W и ¹⁷⁶W естественную смесь изотопов эрбия облучали ионами ¹²С с энергией 70 МэВ на ускорителе тяжелых ионов. Термализация ядер отдачи осуществлялась в потоке азота, который использовался в качестве газа-носителя, переносившего продукты ядерных реакций на вход термохроматографической колонки (ТХК) из молибденового стекла. На этот же участок установки подавали пары тионилхлорида (SOCl₂) и осуществляли перевод полученных продуктов ядерных реакций в летучие соединения. Эксперименты вели при температуре начального участка ТХК, равной 350°С. Опыты проводились в двух режимах - с использованием неочищенного азота, содержавшего примесь кислорода с концентрацией С(О₂) равной 0.1-0.2%, и в потоке очищенного N₂, полученного путем пропускания азота через нагретый медный фильтр, что приводило к снижению С(O₂) до 0.01-0.05%. По окончании опыта продолжительностью в несколько часов измерялось распределение радиоизотопов вдоль ТХК, производимое с помощью γ-спектрометра и Ge(Li) детектора.

Результаты выполненных экспериментов показали, что в обоих случаях термохроматограмма (гистограмма распределения радиоактивности) содержала 2 адсорбционные зоны с центрами при 270-250°С и 150-140°С. Соотношение между химическими выходами летучих фракций в первом случае зафиксировано на уровне ~ 90:10 (в пользу первого пика), а во втором - ~ 60:40. Было высказано предположение о принадлежности обоих соединений к классу оксихлоридов, причем мене летучее соединение описывается формулой WO₂Cl₂, а более летучее - WOCl₄.

К недостаткам способа является сложность его осуществления. Достаточно трудоемкой являлась и подготовка к эксперименту, включавшая несколько стадий: 1) расчет энергии ускоренных ионов и параметров мишени; 2) изготовление мишени; 3) монтаж установки на выведенном пучке ионов; 4) откачка ионопровода до достижения высокого вакуума (10^-6 мм рт.ст.); 5) "тренировка" источника ускоряемых ионов до получения рабочих параметров (5-10 мкА); 6) настройка конфигурации пучка ионов. Эти факторы отражаются как на продолжительность эксперимента, так и на стоимость циклотронного времени. Вследствие очевидных трудностей поведения эксперимента, поставленные задачи часто оставались нереализованными. Так, в прототипе (2-я ссылка, С. 10) констатируется: "Подробное изучение химических процессов, протекающих в условиях экспериментов, и их термодинамических характеристик представляет большой интерес, но, к сожалению, ограничено большой стоимостью циклотронного времени."

Технической задачей настоящего изобретения является упрощение проведения эксперимента.

Поставленная техническая задача достигается тем, что мишень, облученную пучком ускоренных частиц, используют в качестве генератора целевых радионуклидов. Выделение продуктов ядерных реакций из мишени достигается путем ее нагревания до высоких температур, обеспечивающих испарение продуктов ядерных реакций с периодическим их использованием для проведения модельных экспериментов.

Существенные отличия предлагаемого способа от прототипа заключаются в проведении эксперимента в режиме off-line (т.е. мишень облучают пучком ускоренных частиц вне установки). Таким образом, появляется возможность многократного получения модельных радиоизотопов и их выделения из облученной мишени путем ее нагревания. В некоторых случаях можно использовать так называемый "отработанный" пучок. Обычно, при проведении физических, экологических и медико-биологических исследований, "отработанный" пучок ускоренных частиц утилизируют, направляя его в массивный бетонный блок. Если использованный пучок не потерял контрастности и сохранил достаточно высокую интенсивность (что проверяется радиометрическими измерениями), то его можно использовать для синтеза радионуклидов, используемых в радиохимии. Эти существенные признаки позволяют существенно упростить проведение эксперимента.

Сущность способа заключается в следующем. В качестве вещества мишени используют химический аналог СТЭ или элемент, порядковый номер которого близок к порядковому номеру аналога СТЭ. Мишень облучают пучком ускоренных частиц, например, эпитермальными нейтронами, выделяют из нее полученные по реакциям (n,γ) радиоизотопы путем нагревания до высоких температур, переносят выделенные продукты в потоке газа-носителя на вход в ТХК, где их обрабатывают подходящим химическим реагентом для получения летучих соединений, которые разделяют на поверхности колонки в условиях газовой термохроматографии.

Выбор температуры нагревания облученной мишени основан на результатах предварительных опытов продолжительностью в 1 ч. При температуре красного каления (550-650°С) выделение из мишени радиоизотопов вольфрама не происходило. Повышение температуры до 750-850°С приводило к их незначительной эмиссии, а при температуре 950-1050°С суммарный выход радиоизотопов ¹⁸⁵W (Т_1/2=75.1 сут) и ¹⁸⁷W (Т_1/2=23.72 ч) уже позволял проводить модельные эксперименты. Оптимальные результаты возгонки летучих фракций получены при нагревании мишени до 1150-1250°С. Они представлены примерами реализации предлагаемого способа.

Пример 1. Вольфрамовую проволоку (0.3 мм) длиной 9.5 см, свернутую в спираль, помещали в алюминиевый контейнер и облучали ее на отработанном пучке эпитермальных нейтронов с интенсивностью 4⋅10 cm^-2⋅s^-1 в течение 8 ч. По окончании сеанса мишень выдерживали 9-10 ч с целью распада короткоживущих радионуклидов с Т_1/2<1 ч.

Основными продуктами облучения являлись два радиоизотопа - ¹⁸⁵W (Т_1/2=75.1 сут) и ¹⁸⁷W(T_1/2=23.72 ч), образующиеся по реакции (n, β-). Полученную мишень закрепляли между двумя электродами, как показано на Фиг. 1. Собранный узел помещали в круглой (d=10 см) кварцевой колбе с тремя раструбами, ограниченными стандартными шлифами. Левый раструб предназначен для подачи в колбу газа-носителя, а правый - для переноса возогнанных из мишени фракций и их перевода в летучие соединения. Перед опытом установку в течение 50-60 мин продували через левый раструб струей аргона, очищали его от примесей водяных паров в объеме фильтра, заполненного пятиокисью фосфора, снижали концентрацию кислорода (исходное значение 0.2-0.3%), пропуская газ через второй фильтр с активированной медной стружкой при 200-250°С. Остаточная концентрация С(O₂) составляла 0.01-0.05%. Объемный расход аргона в предлагаемом методе, как и в прототипе, составлял 4.5 л/мин. Значения С(O₂) измеряли газовым хроматографом ЛХМ-7А. Далее через понижающий трансформатор на электроды подавали напряжение и при температуре 1200°С нагревали ее в течение 2.5 ч. Контроль температуры нагрева осуществляли с помощью оптического микропирометра типа RD-09. На входе в термохроматографическую колонку с начальной температурой 350°С возогнанные продукты обрабатывались парами тионилхлорида (SOCl₂) с парциальным давлением 25-26 мм рт.ст. Распределение β-активности вдоль ТХК измеряли сцинтилляционным бета-счетчиком. На Фиг. 2 представлена термохроматограмма, из которой видно, что полученные летучие соединения осаждались в двух адсорбционных зонах с центрами при 240 и 140°С, а соотношение между химическими выходами этих соединений составляло ~ 40:60. Сравнение температур осаждения полученных оксихлоридов и представленных в прототипе (Рис. 2) указывает на их близость и, следовательно, на идентичность их химического состава.

Пример 2. Предлагаемая возможность моделирования химического поведения атомов была выполнена в измененных условиях, а именно - с использованием газа-носителя без его предварительной очистки от кислорода. Исходная концентрация O₂ в аргоне составляла 0.2-0.3%. В правую часть устройства помещали кварцевую колонку и продували ее в течении 30-40 мин газовым потоком. При этом очистку газа от паров воды, расход аргона, нагрев мишени (ее использовали повторно), нагрев начального участка ТХК и подачу паров тионилхлорида на вход в ТХК проводили в прежнем режиме. После продувки через понижающий трансформатор подавали напряжение и доводили температуру мишени до ~ 1200°С. Продолжительность нагрева равнялась 2 ч, после чего снимали напряжение и проводили дегазацию установки от паров SOCl₂. По данным бета-измерений, полученные летучие соединения осаждались в двух зонах ТХК с центрами при 250 и 140°С, как показано на Фиг. 3. Соотношение между двумя летучими фракциями при этом составляло ~ 65:35.

Перечень фигур:

Фиг. 1 Принципиальная схема предлагаемой установки, где:

1 - электроды;

2 - притертая поверхность;

3 - кварцевая колба;

4 - газ-носитель;

5 - облученная мишень;

6 - обечайка (наружная кварцевая колонка);

7 - химический реагент;

8 - термохроматографическая кварцевая колонка;

9 - утилизация газового потока.

Фиг. 2 Термохроматограммы оксихлоридов вольфрама при С(O₂)=0.01-0.05%, где:

1 - температурное распределение вдоль ТХК, °С.

По оси X - относительная β^- - радиоактивность радиоизотопов вольфрама;

По оси Y - термоградиентный участок колонки, см;

По оси Z - температурная шкала, °С.

Фиг. 3 Термохроматограммы оксихлоридов вольфрама при С(O₂)=0.2-0.3%, где:

1 - температурное распределение вдоль ТХК.

По оси X - относительная β^- - радиоактивность радиоизотопов вольфрама;

По оси Y - термоградиентный участок колонки, см;

По оси Z - температурная шкала, °С.

В прототипе высказано предположение об образовании в экспериментах двух оксихлоридов - WO₂Cl₂ и WOCl₄. Полученные нами данные подтверждают эту гипотезу. Как видно из представленных примеров, высокая очистка Аг способствует преимущественному выходу более летучего соединения (WOCl₄), а в случае повышения С(О₂) химический выход менее летучего WO₂Cl₂ заметно возрастает.

Активацию мишени можно осуществлять не только ее облучением эпитермальными нейтронами, но и протонами (в том числе и с Ер>500 МэВ), а также ускоренными тяжелыми ионами. Кроме основного предназначения, заявляемый способ может найти применение в ядерной медицине для производства радиофармацевтических препаратов, а также для получения отметчиков, находящих применение в радиохимии.

Литература:

[1] Eichler R., Eichler В., Gaeggeler H.W. et al. // Radiochim. Acta. 2000.Vol. 88, N 2, P. 87-93.

[2] Белов B.3., Звара И., Короткий Ю.С. и др. Сообщения ОИЯИ Р6-6685, Дубна, 1972.

Способ моделирования химического поведения атомов сверхтяжелых элементов, включающий облучение мишени ускоренными частицами с образованием химического аналога и последующей обработкой синтезированных радиоактивных элементов с получением летучих соединений и их разделением в газовой фазе в условиях газовой термохроматографии, отличающийся тем, что облученную на пучке ускоренных частиц мишень используют в качестве генератора целевых радионуклидов путем ее нагревания до высоких температур, обеспечивающих испарение продуктов ядерных реакций, а изучение химического поведения гомологов сверхтяжелых элементов осуществляют в режиме off-line.