способ получения радиоизотопов золота без носителя

Формула изобретения

Способ получения радиоизотопов золота без носителя, заключающийся в том, 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, отличающийся тем, что мишень облучают протонами низкой энергии (<350 МэВ), а в качестве реагента используют пары мышьяка.

Описание изобретения к патенту

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

¹⁹⁸Au(T_1/2 =2,7 сут) и ¹⁹⁹Au(T_1/2=3,15 сут), а также ¹⁹⁵Au(Т_1/2-185 сут), образующийся при облучении платиновой мишени ускоренными дейтронами. Радиоактивные индикаторы золота находят широкое применение в фундаментальных научных исследованиях и в промышленности. В медицине ¹⁹⁸Au 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].

Известен способ получения радиоизотопа ¹⁹⁴Au [Айхлер Б., Доманов В.П. // Способ получения изотопа золота; Бюлл. ОИ, № 39, 1984, с.75], основанный на использовании генераторной пары ¹⁹⁴Hg(T_1/2=444 г) ¹⁹⁴Au(T_1/2=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 ¹⁹⁴Hg велик, а потерь ртути в процессе дистилляции можно избежать, то выделение дочернего радиоизотопа можно осуществлять многократно. К недостатку способа относится низкий радиационный выход ¹⁹⁴Au, составляющий ~2.10^-6 кБк/мкА·ч·мг.

Известен также способ получения радиоизотопов золота ¹⁹²Au и ¹⁹³Au [Lahiri S., Banerjee К., Das N.R. // Production of carrier free ^192,193Hg and ^192,193Au in ¹⁶O 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 ¹⁶O с образованием исходных радионуклидов ¹⁹²Т1 и ¹⁹³Т. В результате последовательного электронного захвата они образуют целевые продукты:

¹⁹²Т1(Т_1/2=9,6 мин) ¹⁹²Hg(Т_1/2=4,8 ч) ¹⁹²Au(T_1/2=4,9 ч),

¹⁹³Т1(Т_1/2=21,6 мин) ¹⁹²Hg(Т_1/2=3,8 ч) ¹⁹³Au(T_1/2=17,6 ч)

Облученную мишень растворяют в смеси плавиковой и азотной кислот, выдерживают ее в течение определенного времени, необходимого для распада ^192,193Т1, в полученный раствор вводят отметчик ¹⁸²Та 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 ^192,193 Au с использованием органических экстрагентов. К недостаткам способа относится сложность технологии процесса.

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 ¹⁹⁶Au(T_1/2=6,2 сут), ¹⁹⁸Au и ¹⁹⁹Au, 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 (AuCl₃) 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.

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 (ReAs₂). 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 ReAs₂ 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 >10³.

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.

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 ¹⁹⁶Au, ¹⁹⁸Au и ¹⁹⁹Au. 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 t₁, 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%.

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 t₁. 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 ti
т1.°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.

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_R) ¹⁹⁶Au составляет ~0,4 кБк/мкА·ч·мг. Значение

Y_R радиоизотопа ¹⁹⁸ Au равно ~1 кБк/мкА ч мг, а в случае ¹⁹⁹Au Y_R=~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

3.10¹² сек ^-1, см^-2 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^-40% и кислорода менее 10 ^-6%) последовательно подавали напряжение на печь (4), обеспечивающую отрицательный температурный градиент с величиной =-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^-3. Объемная скорость гелия составляла 20 см³·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.