мишень для получения радионуклидов и способ ее изготовления (варианты)

Формула изобретения

1. Мишень для получения радионуклидов при облучении потоком ускоренных заряженных частиц, включающая облучаемый образец, размещенный на охлаждаемой во время облучения медной подложке, поверх которого выполнен защитный слой металла, отличающаяся тем, что облучаемый образец выполнен из материала на основе композиции из природной или обогащенной сурьмы и другого металла, причем в качестве металла в композиции использован титан или алюминий, или никель, или медь, а облучаемый образец приварен к подложке.

2. Способ изготовления мишени для получения радионуклидов, включающий приготовление облучаемого образца, размещение его на охлаждаемой во время облучения медной подложке и покрытие его снаружи защитным слоем металла, отличающийся тем, что в качестве материала облучаемого образца используют материал на основе композиции сурьмы и другого металла, причем в качестве металла в композиции используют титан или алюминий, или никель, или медь, облучаемый образец приваривают к охлаждаемой подложке путем диффузионной сварки, которую проводят при удельном давлении на площадь облучаемого образца от 80 до 160 кГ/см² и температуре не менее 360 и не более 440°С.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что диффузионную сварку проводят предпочтительно при удельном давлении на площадь облучаемого образца от 90 до 110кГ/см ².

4. Мишень для получения радионуклидов при облучении потоком ускоренных заряженных частиц, включающая массивный монолитный облучаемый образец, содержащий природную или обогащенную сурьму и заключенный в герметичную оболочку, размещенную в потоке охлаждающей жидкости, отличающаяся тем, что массивный монолитный облучаемый образец выполнен из материала на основе композиции сурьмы и другого металла, причем в качестве металла в композиции использован титан или алюминий, или никель, или медь, а герметичная оболочка выполнена из металлического титана или металлического ниобия, или нержавеющей стали, или металлического никеля.

5. Мишень по п.4, отличающаяся тем, что герметичная оболочка приварена к облучаемому образцу.

6. Мишень по п.4, отличающаяся тем, что поверх герметичной оболочки из металлического титана выполнен защитный слой из металлического никеля, причем толщина слоя находится в пределах от 40 до 100 мкм.

7. Способ изготовления мишени для получения радионуклидов, включающий использование массивного монолитного облучаемого образца, содержащего природную или обогащенную сурьму, заключение массивного монолитного облучаемого образца в оболочку и ее герметизацию, отличающийся тем, что в качестве материала массивного монолитного облучаемого образца используют материал на основе композиции сурьмы и другого металла, причем в качестве металла в композиции используют титан или алюминий, или никель, или медь, в качестве материала герметичной оболочки используют металлический титан или металлический ниобий, или нержавеющую сталь, или металлический никель.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что оболочку приваривают к облучаемому образцу и герметизируют путем диффузионной сварки, которую проводят при удельном давлении на площадь облучаемого образца от 200 до 320 кГ/см².

9. Способ по любому из пп.7 и 8, отличающийся тем, что при использовании композиции из соединений сурьмы с титаном, оболочку приваривают к облучаемому образцу и герметизируют при температуре от 600 до 1000°С.

10. Способ по любому пп.7 и 8, отличающийся тем, что при использовании композиции из соединений сурьмы с титаном оболочку приваривают к облучаемому образцу и герметизируют предпочтительно при удельном давлении от 250 до 290 кГ/см² и температуре от 800 до 900°С.

11. Способ по п.7, отличающийся тем, что снаружи герметичную оболочку из металлического титана покрывают защитным слоем из металлического никеля путем диффузионной сварки никелевой фольги к поверхности оболочки.

12. Способ по п.7, отличающийся тем, что снаружи герметичную оболочку из металлического титана покрывают защитным слоем из металлического никеля путем разложения карбонила никеля (Ni(CO)₄) на нагреваемой оболочке в динамическом вакууме при температуре не менее 400°С.

13. Способ по п.7, отличающийся тем, что снаружи герметичную оболочку из металлического титана покрывают защитным слоем путем электролитического покрытия титана сначала медью и затем электролитического покрытия медного слоя никелем.

14. Способ по п.7, отличающийся тем, что при использовании композиции из соединений сурьмы с титаном оболочку из металлического никеля выполняют путем электролитического покрытия массивного монолитного облучаемого образца слоем никеля.

15. Способ по любому пп.11-14, отличающийся тем, что толщина слоя из металлического никеля находится в пределах от 40 до 100 мкм.

16. Способ по п.7, отличающийся тем, что оболочку герметизируют путем лазерной или электронно-лучевой сварки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области ядерной технологии, а именно технологии для получения и выделения радиоактивных изотопов для медицинских целей. Изобретение касается получения радиоолова в состоянии «без носителя» (например, ^117m Sn) из мишени, содержащей сурьму. Олово-117м перспективно для использования в качестве радиоактивной метки органических соединений и биологических объектов, предназначенных для радиотерапии онкологических и сердечно-сосудистых заболеваний. Из мишени, содержащей сурьму, можно получать и другие радионуклиды, в частности радионуклиды теллура (при облучении протонами или дейтронами) и йода (при облучении альфа-частицами).

Известна мишень на основе сплава GaNi [A.A.Razbash et al. «Production of Germanium-68 in Russia», Proc. 6^th Workshop on Targetry and Target chemistry, TRIUMF, Vancouver, Canada, 1995, P. 99-100]. Здесь мишень содержит облучаемый образец из сплава GaNi, который напрессован на медной подложке. Мишень используют для получения радионуклида германия-68 при облучении на пучке ускоренных протонов ускорителя.

Вышеупомянутая мишень не может использоваться для получения олова-117м в состоянии «без носителя», которое производят, облучая протонами композиции, содержащие сурьму.

Наиболее близким техническим решением является мишень для получения радионуклидов при облучении потоком ускоренных заряженных частиц [С.Loch et al. «A new Preparation of Germanium-68», Int. J. Appl. Radiat. Isot, v. 33, 1982, p.267-270], включающая облучаемый образец, размещенный на охлаждаемой во время облучения медной подложке, поверх которого выполнен защитный слой металла. При этом облучаемый образец из сплава GaNi впрессован в медную подложку.

Недостатком такой мишени является недостаточная эффективность охлаждения облучаемого образца при таком контакте облучаемого образца с подложкой. Данная мишень также не может использоваться для получения олова-117м в состоянии «без носителя», которое производят, облучая протонами композиции, содержащие сурьму.

Известен способ изготовления мишени на основе сплава GaNi [A.A.Razbash et al. «Production of Germanium-68 in Russia», Proc. 6^th Workshop on Targetry and Target chemistry, TRIUMF, Vancouver, Canada, 1995, p. 99-100]. Здесь мишень изготавливают из сплава GaNi, который напрессовывают на медную подложку. Мишень используют для получения радионуклида германия-68 при облучении на пучке ускоренных протонов ускорителя. Недостатком такой мишени является недостаточная эффективность охлаждения облучаемого образца при таком контакте облучаемого образца с подложкой.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления мишени для получения радионуклидов [С.Loch et al. «A new Preparation of Germanium-68», Int. J. Appl. Radiat. Isot., v. 33, 1982, p.267-270], включающий приготовление облучаемого образца, размещение его на охлаждаемой во время облучения медной подложке и покрытие его снаружи защитным слоем металла. При этом облучаемый образец из сплава GaNi впрессовывают в медную подложку.

Недостатком такой мишени является недостаточная эффективность охлаждения облучаемого образца при таком контакте облучаемого образца с подложкой. Данная мишень также не может использоваться для получения олова-117м в состоянии «без носителя», которое производят, облучая протонами композиции, содержащие сурьму.

Известна также мишень [Курина И.С. и др. Устройство для получения радионуклидов. Патент РФ № 97120413 (11.12.1997), МПК⁶ G21G 1/00. 1/02], включающая облучаемый образец, заключенный в герметичную оболочку. Эта мишень используется для получения молибдена-99 и других радионуклидов из делящегося материала на реакторе. Недостатками такой мишени являются сравнительно низкая теплопроводность и низкий теплоотвод во время облучения.

Наиболее близким техническим решением является также мишень для получения радионуклидов при облучении потоком ускоренных заряженных частиц [Б.Л.Жуйков и др. Способ получения радиоолова в состоянии без носителя и мишень для его осуществления. Патент РФ № 2313838, заяв. 29.12.2006, БИ № 36, 2007], включающая массивный монолитный облучаемый образец, содержащий природную или обогащенную сурьму и заключенный в герметичную оболочку, размещенную в потоке охлаждающей жидкости. Сурьму расплавляют внутри графитовой или металлической оболочки, достигая, таким образом, контакта, необходимого для эффективного охлаждения. Недостатком такой мишени является низкая термическая устойчивость мишени из металлической сурьмы при ее облучении пучком протонов на ускорителе, так как сурьма обладает невысокими теплопроводностью (недостаточное охлаждение), температурой плавления, температурой сублимации и высокой реакционной активностью элементарной сурьмы при большой температуре, что приводит к разрушению оболочки мишени во время изготовления или облучения мишени.

Известен также способ изготовления мишени для получения радионуклидов [Курина И.С. и др. Устройство для получения радионуклидов. Патент РФ № 97120413 (11.12.1997), МПК⁶ G21G 1/00, 1/02], включающий размещение облучаемого образца в герметичной оболочке. Эта мишень используется для получения молибдена-99 и других радионуклидов из делящегося материала на реакторе. Недостатками такой мишени является сравнительно низкая теплопроводность и низкий теплоотвод во время облучения.

Наиболее близким техническим решением является также способ изготовления мишени для получения радионуклидов при облучении потоком ускоренных заряженных частиц [Б.Л.Жуйков и др. Способ получения радиоолова в состоянии без носителя и мишень для его осуществления. Патент РФ № 2313838, заяв. 29.12.2006, БИ № 36, 2007], включающий использование массивного монолитного облучаемого образца, содержащего природную или обогащенную сурьму, заключение массивного монолитного облучаемого образца в оболочку и ее герметизацию. Сурьму расплавляют внутри графитовой или металлической оболочки, достигая, таким образом, контакта, необходимого для эффективного охлаждения. Недостатком такой мишени является низкая термическая устойчивость мишени из металлической сурьмы при ее облучении пучком протонов на ускорителе, так как сурьма обладает невысокими теплопроводностью (недостаточное охлаждение), температурой плавления, температурой сублимации и высокой реакционной активностью элементарной сурьмы при большой температуре, что приводит к разрушению оболочки мишени во время изготовления или облучения мишени.

Техническим результатом данного изобретения является повышение термической устойчивости и увеличение выхода радионуклидов (например, ^117mSn) из мишеней, содержащих сурьму, путем их облучения высоким током заряженных частиц (до сотни мкА и выше).

Технический результат достигается тем, что в мишени для получения радионуклидов при облучении потоком ускоренных заряженных частиц, включающей облучаемый образец, размещенный на охлаждаемой во время облучения медной подложке, поверх которого выполнен защитный слой металла, в отличие от прототипа, облучаемый образец выполнен из материала на основе композиции природной или обогащенной сурьмы и другого металла, причем в качестве металла в композиции использован титан, или алюминий, или никель, или медь, а облучаемый образец приварен к подложке.

Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления мишени для получения радионуклидов, включающем приготовление облучаемого образца, размещение его на охлаждаемой во время облучения медной подложке и покрытие его снаружи защитным слоем металла, в отличие от прототипа в качестве материала облучаемого образца используют материал на основе композиции природной или обогащенной сурьмы и другого металла, причем в качестве металла в композиции используют титан, или алюминий, или никель, или медь, облучаемый образец приваривают к охлаждаемой подложке путем диффузионной сварки, которую проводят при удельном давлении на площадь облучаемого образца от 80 до 160 кг/см² (предпочтительно от 90 до 110 кг/см ²) и температуре не менее 360 и не более 440°С.

Технический результат достигается также тем, что в мишени для получения радионуклидов при облучении потоком ускоренных заряженных частиц, включающей массивный монолитный облучаемый образец, содержащий природную или обогащенную сурьму и заключенный в герметичную оболочку, размещенную в потоке охлаждающей жидкости, в отличие от прототипа массивный монолитный облучаемый образец выполнен из материала на основе композиции сурьмы и другого металла, причем в качестве металла в композиции использован титан, или алюминий, или никель, или медь, а герметичная оболочка выполнена из металлического титана, или металлического ниобия, или нержавеющей стали, или металлического никеля и может быть приварена к облучаемому образцу. При этом поверх герметичной оболочки выполнен защитный слой из металлического никеля, причем толщина слоя находится в пределах от 40 до 100 мкм.

Технический результат достигается также тем, что в способе изготовления мишени для получения радионуклидов, включающем использование массивного монолитного облучаемого образца, содержащего природную или обогащенную сурьму, заключение массивного монолитного облучаемого образца в оболочку и ее герметизацию, в отличие от прототипа в качестве материала массивного монолитного облучаемого образца используют материал на основе композиции сурьмы и другого металла, причем в качестве металла в композиции используют титан, или алюминий, или никель, или медь, в качестве материала герметичной оболочки используют металлический титан, или металлический ниобий, или нержавеющую сталь, или металлический никель, причем оболочку герметизируют путем лазерной или электронно-лучевой сварки или приваривают к облучаемому образцу и герметизируют путем диффузионной сварки, которую проводят при удельном давлении на площадь облучаемого образца от 200 до 320 кг/см².

При этом при использовании композиции из соединений сурьмы с титаном оболочку приваривают к облучаемому образцу и герметизируют при температуре от 600 до 1000°С, предпочтительно при удельном давлении от 250 до 290 кг/см² и температуре от 800 до 900°С.

Также при использовании композиции из соединений сурьмы с титаном оболочка из металлического никеля может быть выполнена путем электролитического покрытия массивного монолитного облучаемого образца слоем никеля.

Кроме того, снаружи герметичную оболочку из металлического титана покрывают защитным слоем из металлического никеля путем диффузионной сварки никелевой фольги с поверхностью оболочки или путем разложения карбонила никеля (Ni(CO)₄) на нагреваемой оболочке в динамическом вакууме при температуре не менее 400°С или путем электролитического покрытия титана сначала медью и затем электролитического покрытия медного слоя никелем, при этом толщина слоя из металлического никеля находится в пределах от 40 до 100 мкм.

Сущность заявленных мишеней для получения радионуклидов при облучении потоком ускоренных заряженных частиц и способов их изготовления поясняется прилагаемыми чертежами.

На Фиг.1 показан пример конструкции мишени на охлаждаемой медной подложке для облучения на протонах низкой энергии, где

1 - облучаемый образец, покрытый тонким слоем металла;

2 - медная подложка мишени;

3 - пазы для охлаждающей воды;

4 - водяное радиационно-стойкое уплотнение.

На Фиг.2 показан пример конструкции мишени в оболочке, охлаждаемой во время облучения с разных сторон водой, где

1 - массивный монолитный облучаемый образец (TiSb);

2 - титановый корпус оболочки мишени;

3 - входное и выходное окна мишени (облучаются пучком) из титановой фольги (100 мкм), приваренные к корпусу оболочки диффузионной сваркой и покрытые снаружи слоем никеля 50 мкм;

4 - титановые кольца толщиной 0.5 мм для усиления конструкции и электронно-лучевой сварки;

5 - сварной шов электронно-лучевой сварки.

На Фиг.3 показано фото мишени из TiSb, электролитически покрытой непосредственно слоем никеля.

На Фиг.4 показано фото мишени из TiSb, заваренной в оболочку из титана с помощью диффузионной сварки (оболочка покрыта никелем), с кольцами, предназначенными для дополнительной герметизации по периметру с помощью электронно-лучевой сварки (см. Фиг.2).

Осуществление заявленной мишени для получения радионуклидов при облучении потоком ускоренных заряженных частиц и способов ее изготовления подтверждается следующими пояснениями и примерами.

Чистая сурьма плавится при температуре 630°С и начинает заметно сублимироваться уже при температуре выше 750°С. Кроме того, сурьма при высоких температурах является весьма химически активным веществом, которое реагирует и разрушает различные материалы оболочки мишени. Соединения на основе титана, алюминия и никеля (соответственно, TiSb, AlSb и NiSb) обладают гораздо большей термической устойчивостью, чем металлическая сурьма: температуры плавления соответственно - 1160, 1058 и 1147°С, энтальпия образования соответственно -167, -49 и -66 кДж/моль [Pauling File. Inorganic Material Database. Ed. P.Vilars, K.Cazual, J. L.C.Daams. Materials Park, OH, ASM International, 2002]. Это говорит о том, что эти соединения, особенно TiSb, не склонны разлагаться, поэтому при повышенных температурах не наблюдаются возгонка сурьмы и ее взаимодействие с материалом оболочки. Проведенные оценки показали, что теплопроводность TiSb даже несколько больше, чем теплопроводность чистых сурьмы и титана. Полученный эвтектический сплав сурьмы с медью (63 атом. % Sb) имеет относительно низкую температуру плавления 526°С и практически не связывает чистую сурьму, но зато имеет относительно высокое ее содержание и обладает повышенной теплопроводностью (по нашим оценкам 56±5 Вт/м·К по сравнению 17-21 Вт/м·К для чистой сурьмы).

При получении радионуклида олово-117м из сурьмы при относительно низких начальных энергиях протонов (30-40 МэВ) нужно использовать сравнительно тонкие мишени: 1-2 мм по направлению пучка заряженных частиц (соответственно тоньше, если пучок направлен под углом по отношению к плоскости мишени, например 6-12). В этом случае целесообразно приваривать интерметаллидный композит к подложке, которую охлаждают водой. Для лучшего охлаждения подложку делают из металлической меди. Материал мишени приваривают к медной подложке методом диффузионной сварки в вакууме при давлении 80-160 кг/см² (предпочтительно при 90-110 кг/см²) и при температуре 360-440°С. Со стороны пучка (обычно с этой стороны во время облучения вакуум) поверхность рабочего вещества мишени покрывают тонким слоем металла (например, меди) толщиной несколько мкм для уменьшения распыления сурьмы во время облучения.

В том случае, если мишень облучают протонами относительно высокой энергии, (например, 55 МэВ и выше), целесообразно использовать другую конструкцию мишени, которую охлаждают с разных сторон водой. При этом вода оказывается под интенсивным пучком протонов, подвергается радиолизу, становится более химически активной и разрушает многие материалы, которые не взаимодействуют с водой в обычных условиях. При этом AlSb активно взаимодействует даже с обычной водой. Другие материалы мишени - TiSb и NiSb, а также материал оболочки - титан, с обычной водой не взаимодействуют, но разрушаются водой под воздействием интенсивного пучка протонов. Коррозия меди также заметна. Нержавеющая сталь, ниобий, никель практически не разрушаются радиолизной водой. Поэтому для материалов оболочки использовали последние материалы или никелировали оболочки из титана снаружи. Кроме того, удалось никелировать электролитически непосредственно интерметаллидный материал мишени TiSb (Фиг.3), а покрыть никелем AlSb - не удалось. Эксперимент показал, что толщина покрытия никелем 40-100 мкм является оптимальной: при меньшей толщине в процессе облучения слой мог нарушаться.

Титановая оболочка особенно перспективна для материала мишени TiSb, так как титан не приносит дополнительных стабильных и радиоактивных примесей как материалов отдачи во время облучения и не требует дополнительной химической очистки при выделении олова-117м из облученного TiSb. Материал TiSb можно заключить в титановую оболочку с помощью диффузионной сварки, при этом давление на площадь мишени должно составлять не менее 200 и не более 320 кг/см² (предпочтительно 250-290 кг/см²), а температура не менее 600 и не более 1000°С (предпочтительно не менее 800 и не более 900°С). При предпочтительных значениях температуры не только герметизируется титановая оболочка, но реализуется также плотный контакт между рабочим веществом мишени и материалом оболочки, что улучшает охлаждение. Для более надежной герметизации дополнительно по периметру мишени оболочку можно заваривать с помощью электронно-лучевой или лазерной сварки с использованием колец, усиливающих конструкцию (Фиг.2 и 4).

Непосредственно покрыть никелем титановую оболочку не удавалось ввиду наличия оксидной пленки. Однако покрытие никелем было осуществлено тремя другими методами: (1) предварительное электролитическое покрытие титана медью, а уже затем никелем - как это описано, например, в Лайнер В.И. Гальванические покрытия легких сплавов. Металлургиздат, М., 1959; (2) методом термического разложения газообразного карбонила никеля на нагреваемой титановой оболочке в динамическом вакууме; (3) приваривание никелевой фольги к поверхности оболочки мишени методом диффузионной сварки, причем это можно осуществлять одновременно с завариванием титановой оболочки с параметрами, указанными выше.

Пример 1.

Облучаемый образец в виде пластинки сплава меди и сурьмы, содержащего 62 атомных % сурьмы (76% по весу), толщиной 0.4 мм приваривают методом диффузионной сварки к медной подложке (Фиг.1). Диффузионную сварку осуществляют при температуре около 400°С (температура плавления сплава 526°С) при удельном давлении около 100 кг/см².

Медная подложка с другой стороны снабжена ребрами радиатора, охлаждаемого водой со скоростью около 4 м/с. Мишень, расположенную под углом к пучку 11° с пятном пучка площадью 12 см ², облучают током пучка протонов 500 мкА в диапазоне энергий 40-26 МэВ с энерговыделением на рабочем веществе мишени 580 Вт/см ². При этом расчетная температура на поверхности мишени не превышает 350°С. В результате наработка олова-117м составляет 3,2 мКи/час.

Данный пример демонстрирует возможность использования мишени с облучаемым образцом на медной охлаждаемой подложке для получения радионуклидов, в частности олова-117м.

Пример 2.

Массивный монолитный облучаемый образец в виде круглой пластинки из композита Ti-Sb (содержание Sb - 44 атомных %, т.е. 67% по весу) толщиной 2,2 мм диаметром 45 мм покрывают электролитически никелем толщиной 40 мкм (Фиг.3) и облучают на пучке протонов под углом 26° током 100 мкА с энергией в диапазоне 55-30 МэВ, охлаждая со всех сторон потоком воды. Наработка олова-117м составляет 2,3 мКи/час без значительных примесей олова-113. При облучении обогащенной сурьмы-123 выход составляет 3,6 мКи/час.

Данный пример демонстрирует возможность использования мишени с массивным монолитным облучаемым образцом с покрытием из металлического никеля для получения радионуклидов, в частности олова-117м.

Пример 3.

Массивный монолитный облучаемый образец в виде шайбы из композита Ti-Sb толщиной 5,8 мм в кольце из титана (внешний диаметр 50 мм, а внутренний - 40 мм) (Фиг.2) закрывают с обеих сторон титановой фольгой толщиной 100 мкм и никелевой - 50 мкм. Фольги приваривают к шайбе с помощью диффузионной сварки в вакууме (2·10 ^-4 мм рт.ст.) под давлением пресса 5800 кг (удельное давление 285 кг/см²) и при температуре 850°С в течение 20 мин. После этого изделие медленно охлаждают (от 850 до 250°С - за 80 мин). В случае, когда диффузионную сварку проводят при температуре 600-650°С, титановая фольга приваривается к титановому кольцу, но не к рабочему веществу мишени. Сваренную деталь вместе с дополнительными титановыми кольцами (Фиг.4) герметизируют по периметру путем электронно-лучевой сварки, как показано на Фиг.2.

Полученную мишень облучают на пучке протонов под углом 26° током 100 мкА с энергией протонов в диапазоне 120-85 МэВ, охлаждая со всех сторон потоком воды. Выход олова-117м составляет около 20 мКи/час, при этом образуются значительные примеси олова-113.

Данный пример демонстрирует возможность использования мишени с массивным монолитным облучаемым образцом в охлаждаемой оболочке из металлического титана с никелевым покрытием для получения радионуклидов, в частности олова-117м.

Таким образом, использование настоящего изобретения обеспечивает повышение термической устойчивости материала мишени при наивысшем содержании сурьмы при облучении потоком ускоренных заряженных частиц и предоставляет возможность высокопроизводительного получения из массивных сурьмяных мишеней, облученных пучком заряженных частиц высокой интенсивности, радиоолова в состоянии «без носителя» (с большой удельной активностью) с целью его дальнейшего использования для радионуклидной терапии костного рака, сердечно-сосудистых и других заболеваний.