Спосіб одержання ізотопу кобальту-57 ( варіанти)

1 Спосіб одержання ізотопу кобальту-57 шляхом ядерної реакції з нікелю-58, який відрізняється тим, що для реалізації ядерної реакції використовують пучок гальмівного гама-випро Винахід відноситься до ядерної фізики, а більш конкретно до способів отримання ізотопу кобальту-57 (Со57), і може бути використаний, наприклад, в ядерній медицині в якості еталонного джерела для калібровок діагностичних гамма-камер, в промисловості та для наукових досліджень Відомий спосіб отримання ізотопу Со 57 на циклотроні (циклотронний кобальт [1]) шляхом опромінювання мишені із природнього заліза, що містить ізотопи Fe56 (91,68%) та Fe57 (2,17%) пучком прискорених дейтронів (d) з енергією 15 МеВ для реалізації ядерної реакції, що проходить з випромінюванням нейтронів (п) Fe56(d,n)Co57 (1) або пучком прискорених протонів (р) з енергією 25 МеВ для реалізації ядерної реакції з послідуючим випромінюванням гама (у)-квантів Fe56(p, y)Co57 (2) Недоліком цього способу є супутні ядерні реакції з утворенням довгоживучих ІЗОТОПІВ нікелю, заліза, МІДІ, тощо Це зменшує радіоізотопну чистоту вихідного продукту і потребує дорогостоячих методів радіохімії для очистки ізотопу Co 57 Окрім того, реалізація таких реакцій потребує значних енергозатрат, оскільки середня споживана потуж ВШ мінювання, створений за допомогою пучка прискорених електронів з максимальною енергією вище 9 МеВ 2 Спосіб одержання ізотопу кобальту-57 шляхом ядерної реакції з нікелю-58, який відрізняється тим, що для реалізації ядерної реакції використовують пучок швидких нейтронів, створений за допомогою пучка прискорених електронів 3 Спосіб одержання ізотопу кобальту-57 шляхом ядерної реакції з нікелю-58, який відрізняється тим, що для реалізації ядерної реакції використовують пучок змішаних гальмівних гама- та нейтронного пучків, створений за допомогою пучка прискорених електронів з максимальною енергією вище 9 МеВ ність циклотронів становить величину порядку 200-500 кВт при струмах порядку 1-10 мкА Найбільш близьким до запропонованого по технічній сутності та ефекту що досягається, є спосіб отримання ізотопу Со 7, вибраний нами в якості прототипу, [2] шляхом опромінення мишені із природної суміші ІЗОТОПІВ нікелю на протонному лінійному прискорювачі з енергією пучка протонів 15-28 МеВ При цьому реалізується ядерна реакція Ni58(p, 2n)Co57, (3) яка проходить через два бета-захоплення проміжкових ядер - першого, Cu57(p ) => N157, який проходить з періодом напіврозпаду 260 мс, другого, Ni57(p )=> Co 7 , ВІДПОВІДНО, - 36 годин До недоліків приведеного способу як і в попередньому випадку слід віднести високу імовірність супутніх протонних ядерних реакцій на інших ізотопах нікелю, що є в природній суміші Тому, як і в попередньому випадку, цей метод є енергозатратним, а виділення ізотопу Co 57 з кінцевого продукту, що отримується при такому опромінюванні, потребує дорогостоячих методів ядерної хімії Завданням винаходу є покращення чистоти кінцевого продукту-ізотопу Со5 та зменшення енергозатрат, собівартості технологічного процесу при його виробництві ю ^CO 43475 Завдання досягається тим, що для реалізації ядерної реакції з нікелю-58 використовують пучок гальмівного гамма-випромінювання, створений за допомогою пучка прискорених електронів з максимальною енергією вище 9 МеВ, пучок швидких нейтронів, створений за допомогою пучка прискорених електронів або використовують, змішані гальмівні гамма- та нейтронні пучки, створений за допомогою пучка прискорених електронів з максимальною енергією вище 9 МеВ Порівняльний аналіз з прототипом показує, що запропонований спосіб має ряд суттєвих переваг Зокрема, ядерні реакції на ізотопах Ni-58, що становлять 67,7% природної суміші нікелю, з 57 ціллю напрацювання ізотопа Со за участю гамма-квантів (п 1 формули винаходу) можуть проходити по 2-х каналах, прямому Ni 58 (у, р)Со57, (4) поріг якої становить 8,17 МеВ, а також непрямому, через утворення ізотопа Ni 57 та послідуючої емісії електрона (бета (р )розпад) Ni 5 8 (y,n)Ni 5 7 Р" (100%)Со 57 , (5) поріг якої становить 12,2 МеВ Період напіврозпаду Ni 57 В ІЗОТОП CO 5 7 становить 36 годин Це дозволяє суттєво збільшити вихід кінцевого продукту, а саме ізотопу Со 57 при менших енергозатратах та собівартості процесу Ізотопна чистота отриманого ізотопу Со 57 при цьому зростає В якості джерела гальмівного гамма-випромінювання використовується прискорювач електронів Відомо, ЩО В цьому разі вихід гальмівного випромінювання пропорцюнальний струму пучка і його енергетичний спектр складним чином залежить від товщини, матеріалу та енергії електронів пучка Встановлено, що при використанні мікротрона оптимізація гальмівної мішені досягається при товщині, що відповідає 0,3 радіаційній довжині випромінювання При цьому потужність дози W в радах за хвилину (р/хв) на віддалі г =1 м від мішені можна оцінити по формулі W[p/XB ] ~ 0,04 Е'МеВ ] І[мкА] (6) Оптимізацію та збільшення ЩІЛЬНОСТІ потоку гальмівного гамма-випромінювання можна досягти при використанні формуючих пристроїв з оптимальною, до 85% відбиваючою поверхнею Схему реалізації способу отримання ізотопу Со 57 по п 1 формули винаходу представлено на фіг 1 Елементами запропонованого способу є пучок прискорених електронів 1 з енергією більшою 9 МеВ, 2 - гальмівна мішень, що конвертує електрони в гальмівне гамма-випромінювання, яке після формувача-концентратора 3 попадає на мішень 4, що містить природний нікель В якості матеріалу гальмівної мішені 2 використовують речовини з високим атомним номером і температурою плавлення як тантал, вольфрам та ІНШІ Для напрацювання ізотопа Со 57 за участю нейтронних потоків (п 2 формули винаходу) також використовуються два типи ядерних реакцій 58 Ni (n,n'p)Co 58 Ni (n,2n)Ni 57 57 (100%) Co" (7) (8) Як і в попередньому випадку відзначимо, що 57 період напіврозпаду Ni в ізотоп Co , реакція (8), становить 36 годин Прискорювач електронів може служити як джерело високоінтенсивних нейтронних потоків 57 для отримання Со по п 2 формули винаходу 7 Схема отримання напрацювання Co для даного випадку приведена на фіг 2 Для використання лише нейтронного потоку мішень з нікелю розташовують під кутом 90° до осі пучка Ефективність конвертації прискорених електронів в нейтронний пучок в першу чергу залежить від енергії електронів, матеріалу та форми конвертора Для отримання максимального виходу нейтронів товщину нейтронного конвертора слід вибрати не менше 5-7 радіаційної довжини Збільшення анізотропії кутового розподілу нейтронів відносно 90° досягається вибором матеріалу з високим атомним номером як Pb, W, Мо Значний ефект дає використання в якості нейтронних конверторів подільних матеріалів як Ри 2 3 9 та ІЗОТОПІВ урану Так, для конвертора з плутонію ця величина близька до 1% Енергетичний спектр таких пучків визначається співвідношенням числа нейтронів випаровування та нейтронів прямих процесів Спектр Ф(ЕП) перших можна оцінити простим виразом Ф(Еп)~Епехр(-Еп/Тп) (9) тут Тп- ефективна температура, що має порядок 0 85-1 МеВ для конверторів з Cr, In, W, Pb, Bi та значень Еу 16-22 МеВ Нейтрони прямих процесів, будучи продуктами прямої взаємодії фотона з одним нуклоном ядра мають значно більшу асиметрію кутових розподілів та енергію І, нарешті, напрацювання ізотопа Co 57 можна здійснити за участю змішаних гальмівних гамма-та нейтронних потоків (п 3 формули винаходу), отриманих з використанням пучків прискорених електронів В цьому разі реалізуються ядерні реакції (4), (5), (7) та (8) Схема такої установки не містить принципово нових елементів як ті, що приведені на фіг 1,2 Реалізація змішаних гамма-, нейтронних потоків здійснюється вибором спеціального конвертора з одним, або кількома рознесеними в просторі екранами з важких елементів як свинець В цьому разі співвідношення гамма- та нейтронних потоків регулюється товщиною та матеріалом екрану Так, при збільшенні товщини екрану з 10 до ЗО см для Ет ~ 20 МеВ доля нейтронної компоненти зростає в 3 рази Запропонований винахід є менш енергозатратний в порівнянні з ядерними технологіями, що базуються на використанні циклотронів Дійсно, коли потужність технологічних циклотронів та ЛІНІЙНИХ прискорювачів протонів становить 200-500 кВт, то ця величина для електронних прискорювачів значно менша і складає 40-80 кВт В якості джерела прискорених електронів може бути електронний прискорювач, що задовільняє умовам запропонованого винаходу як 43475 мікротрон, бетатрон, або ЛІНІЙНИЙ електронний прискорювач з енергією електронів в пучку вищою 9МеВ Таким чином, заявлений спосіб виготовлення ізотопу Co 57 відповідає критерію "новизна" Приводимо приклад реалізації запропонованого технічного рішення Приклад. Реалізація способу отримання ізотопу Co 57 проводилася на електронному прискорювачі мікротроні Мишень із нікеля природного складу опромінюється змішаним пучком гальмівних фотонів та фотонейтронів з енергією до 18,5 МеВ, з використанням мікротрона на протязі 2 годин Пучки гальмівного гамма- та нейтронного випромінювання отримується на мікротроні шляхом конвертації електронного пучка при використанні гальмівної Та-пластини товщиною 1,5 мм та нейтронного Pb-конвертора, товщиною 3 см Опромінювалися пластини з природного нікелю На фіг1а) представлена часова залежність відносної активності ІЗОТОПІВ, отриманих після опромінювання змішаним гамма-, нейтронним пучком мішені з природного нікелю для різних часів At після закінчення опромінювання Показана динаміка зміни активності з часом слідуючих ІЗОТОПІВ В - Ni-57 (127 2 кеВ), С - Со-57 (122 1 кеВ), D - Со-57 (136 5 кеВ), Е - анігіляція 511 кеВ, F - (636 кеВ), G - Ni-57 (1378 кеВ) На рисунках 36 та Зв представлено апаратурні гамма-спектри ІЧі-57та Со-57 Як видно з наведеного прикладу запропонований спосіб отримання ізотопу Со-57 не потребує унікального ядерно-фізичного обладнання з використанням протонних прискорювачів і забезпечує високу ізотопну чистоту вихідного продукту Висока рентабельність технологічного процесу для запропонованого способу отримання ізотопу Co 57 досягається внаслідок значно меншого енергоспоживання електронних прискорювачів в порівнянні з протонними Намічається впровадження запропонованого способу отримання ізотопу Со 57 в Інституті електронної фізики НАН України при виконанні наукових досліджень та в фірмі "СКТБ-ОРЮН" при калібровці медичних діагностичних гамма-камер Джерела інформації 1 Luis Е Dias Cobalt-57 production // JPNM Physics Isotopes, 1996 Див www/med/harvard edu/ JPNM/physics/isotopes/Co/Co^/p rod/htm І та wagenaar @nucmed bin harvard edu) 2 Борис Жуков Standard Product Specification // Nucl Res of RAS in Troitsk (Russian) - bz @al 120 mrtroitsk ru (прототип) '"і/і. " "W* ФІГ. 1 Фіг. 2 43475 10000 -. s X s 1(HXb .1 100-= 1000 800 600 400 200 1200 Час після опромінювання, години а) 1 №000 0 — В| taoo 50000 1000 по хто ЇОМЮ і .. S • >• 10060 І «в Q гов і , 1 • 200 t 250 k 300 >—1 350 p t—•—і 400 4SQ я я— Канали в) б) Фіг. З Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3 - 7 2 - 8 9 (03122) 2 - 5 7 - 0 3 —і— 43475