CC BY
30
ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
Исследование возможностей получения и выделения радиоизотопа 18 F
на ускорителях электронов
Р. А. Алиев1, С. С. Белышев2,6, Л.З. Джилавян3,а, Б. С. Ишханов1,2, В. В. Ханкин1, В. И. Шведунов1
1 Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д. В. Скобельцына (НИИЯФ МГУ).
Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2.
2 Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет,
кафедра общей ядерной физики. Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2. 3 Институт ядерных исследований РАН. Россия, 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, д. 7а. E-mail: a [email protected], 6 [email protected] Статья поступила 06.02.2014, подписана в печать 27.02.2014.
Исследована возможность производства и выделения медицинского радиоизотопа 18 F на разрезном микротроне с энергией ускоренных электронов 55 МэВ в фотоядерной реакции 23Na(7, an). Для выделения 18 F из облученных NaOH мишеней использована ионообменная хроматография.
Ключевые слова: радиоизотопы, фотоядерные реакции, активационный анализ, гамма-спектрометрия, радиохимическое разделение.
УДК: 539.172.3; 621.039. PACS: 25.20.-x.
Введение
В результате открытия явления радиоактивности [1-4] и создания методов образования искусственных радиоактивных ядер на ядерных реакторах [5, 6] и ускорителях протонов и некоторых других тяжелых заряженных частиц [5-7] радиоизотопы нашли широкое применение в различных областях и в особенности в медицине, определив в ней целое направление — ядерную медицину [8]. В ядерной медицине важное место занимает позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) с использованием радиоизотопа 18 Р (/3+ -распад 96.9%; период полураспада Г1/2 = 109.77 мин [9, 10]), обладающая высокочувствительной диагностической способностью (особенно для онкологии [11]).
В настоящее время 18 Р получают на циклотронах в реакциях 20 Ые (¿, а) и 18 О (р, п) [7]. При этом если для неона желательно использование обогащения изотопов, то для кислорода оно совершенно необходимо, так как содержание 18 О в естественной смеси изотопов составляет только 0.2% [10]. С другой стороны, для неона есть дополнительные сложности работы с газовыми мишенями.
Применение в качестве источников радиоизотопов ядерных реакторов и ускорителей тяжелых заряженных частиц сопровождается различными финансовыми, техническими и экологическими ограничениями (см. об этом, напр., в [5]). Поэтому понятен интерес к альтернативному источнику производства радиоизотопов, дающему частичную замену и/или дополнение и позволяющему ослабить ограничения и недостатки, связанные с первыми двумя типами источников радиоизотопов.
В качестве такого альтернативного источника неоднократно рассматривалось производство радиоизотопов на ускорителях электронов (см., в частности, работы [12-15], посвященные получению 18 Р на ускорителях
электронов). Рост спроса на медицинские радиоизотопы вынуждает интенсифицировать исследования возможностей получения радиоизотопов на ускорителях электронов. В этом направлении был выполнен цикл работ по производству медицинских радиоизотопов на ускорителях электронов в Харьковском физико-техническом институте (Украина) с участием в части таких работ ведущих сотрудников Аргонской национальной лаборатории США (см., напр., [16]). Кроме того, на линейных ускорителях электронов в Канаде ведутся масштабные работы по производству радиоизотопа 99 Мо в реакции 100Мо(7, п) (см., напр., [17]).
В рамках изучения возможностей производства радиоизотопов на ускорителях электронов ранее в [18-22] было исследовано образование 18 Р в фотоядерных реакциях. В [20] в реакции 23 Ыа (7, ап)18 Р в мишенях из металлического натрия были получены положительные результаты по уровнями полной активности 18 Р в сопоставлении с запрашиваемыми в ядерной медицине. Следует при этом учесть, что в природном натрии содержится только изотоп 23 Ыа, так что дорогое изотопное обогащение мишени не требуется. В настоящей работе в продолжение работы [20] сообщаются результаты исследования на разрезном микротроне РТМ-55 с энергией выведенных электронов Ее « 55 МэВ [23] возможностей получения на ускорителях электронов в реакции 23 Ыа (7, ап)18 Р необходимых для целей ядерной медицины высоких уровней полной А и удельной а активностей 18 Р. В качестве мишени был выбран твердый гидроксид натрия ЫаОН.
1. Методика эксперимента
Методика облучения мишеней и измерения наведенных в них активностей подробно описана ранее в [20],
поэтому укажем только ее наиболее существенные в настоящей работе особенности.
Выведенный из разрезного микротрона РТМ-55 пучок электронов с энергией Ee « 55 МэВ бомбардировал вольфрамовый радиатор тормозных y-квантов толщиной Xr « 2.2 мм « 0.6l7X0 [24] (X0 — радиационная длина вольфрама). Средние токи пучка электронов в этих экспериментах составляли около 0.1 мкА. Для удобства проведения радиохимического выделения образующегося изотопа 18 F в настоящей работе использовались мишени из порошка NaOH, имеющие Xр до нескольких г • см-2 (X и р — толщина и плотность мишени). Измеренные поперечные размеры пучка электронов не превышали 5 мм. Наблюдение за током пучка электронов проводилось с помощью цилиндра Фарадея, расположенного сразу после сборки радиатор-мишень, и с помощью трансформаторного датчика тока пучка, установленного на предпоследней орбите РТМ-55 и прокалиброванного по току пучка, измеренному с помощью цилиндра Фарадея. Было выполнено несколько серий облучения. Длительности облучений т варьировались до — 1ч.
Измерения вторичных Y-квантов, связанных с распадами радиоактивных изотопов, образовавшихся в мишени в результате ее облучения, проводились с помощью спектрометра из сверхчистого германия (high purity germanium, HPGe), к которому переносились исследуемые образцы (мишени либо выделенные из них препараты). Эффективность регистрации Y-квантов HPGe-спектрометром была прокалибрована как экспериментально с помощью набора стандартных радиоактивных источников, так и расчетным путем с помощью программы GEANT4 [25].
Для отделения натрия от фтора была применена аналогично [13] ионообменная хроматография с использованием катионообменной смолы Dowex 50Wx8 с размером зернения 100-200 mesh (производство Fluka Analytical). При подготовке сорбента, находящегося первоначально в Na + -форме, для переведения в H + -форму его выдерживали в растворе 4 М соляной кислоты в течение часа. После заполнения колонку промывали раствором 4 М соляной кислоты (5 полных колоночных объемов), потом водой для удаления избытка кислоты (еще 5 полных объемов колонки).
2. Полученные результаты и их обсуждение
Из анализа данных проведенных измерений Y-спектров, зарегистрированных HPGe- спектрометром для облученных образцов NaOH до проведения радиохимического разделения (см. верхний спектр на рис. 1), следует, что в этих спектрах наряду с искомой активностью от распада ядер 18 F, образующихся в реакции 23 Na (y, an)18F, наблюдаются распады следующих радиоизотопов, образующихся в результате облучения:
• 15O (-распад - 99%, T1/2 = 122.24 с [9, 10]), образуется в реакции 16 O (y, n)15O;
• 22Na (-распад - 91%, T1/2 = 2.6019 года [9, 10]), образуется в реакции 23 Na (y, n)22Na;
• 24Na (в- -распад, T1/2 = 14.959 ч [10]), образуется в реакции 23 Na (n, Y)24Na. Проявление этой реакции связано с фоном от замедлившихся нейтронов, обра-
Отсчеты
лб
1200 Ет кэВ
Рис. 1. 7'-спектр облученной мишени (вверху) и выделенного препарата (внизу). 22 Ыа в выделенном препарате не обнаружен
зующихся в фотонейтронных реакциях как в самих мишенях, так и в окружающих материалах.
Пики в этих спектрах до энергии Е^ ^ 1400 кэВ обусловлены следующими 7'-линиями от распадов указанных радиоизотопов [9]:
• аннигиляционная линия 511 кэВ (пик от нее отмечен на рис. 1, как «18Р», но он образуется как сумма составляющих от распадов радиоизотопов 18 Р (основная составляющая в выбранных временных условиях измерения спектров), а также 15О и 22 Ыа). Различные составляющие линии 511 кэВ были разделены с использованием временного анализа кривой распада;
• линия 1275 кэВ, образующаяся при распаде 22 Ыа;
• линия 1369 кэВ, образующаяся при распаде 24 Ыа;
линии, связанные с распадами радиоизотопов 24
22
24 Na и 24Na, использовались для контроля полноты отделе-
ния
18
F от материала мишени.
В [18, 19] было показано, что полная активность А в условиях, соответствующих настоящей работе, приближенно описывается соотношением
А « [(1 - ехр{-т(1п2) • (71/2)-1}) N • (X • (X)"') х
X (а—1 )заы • N • ((Хр) • п • М-)], (1)
где Ые — средний поток электронов (Ые = I • q-1, I - средний ток пучка электронов, q = 1.6 • 10-19 К — элементарный электрический заряд); (а-1 )5^иг - величина (— 1)-го момента по энергии фотонов Е1 от сечения а{Е1} рассматриваемой реакции в области насыщения этого момента в зависимости от Ее ; ЫА = 6.022• 1023 моль-1 — число Авогадро; п = Псьет • % (здесь псьет и % — химический и изотопный составы мишени; для ЫаОН-мишени псьет = % = 1); М — молекулярный вес мишени (для ЫаОН-мишени М = 39.997 г• моль-1 [26]); остальные величины были определены выше.
Для удобства представления результатов при различных токах пучка электронов на тормозной мишени
ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
31
Расчетные [А/(1 ■ X ■ р)]^^ и экспериментальные [А/(1 ■ X ■ р)]^ активности образующиеся при насыщении для среднего тока электронов I = 1 мкА и мишеней из металлического № и из NaOH, имеющих (Хр) = 1 (гсм-2)
Мишень; M, г/моль; Schern х ^is Реакция; (а-ОзаШг, мбн (см. [15, 16]) [A/(I ■ X ■ p)]calcul, мКи/(мкА-г-см 2) [A/(I ■ X ■ p)]exp2 мКи/(мкА-г-см 2)
1 Na; 22.99; 1 х 1 23Ыа(7, ап); 0.1 ^ 0.3 0.27 ^ 0.82 - 0.45
2 NaOH; 39.997; 1 х 1 23Ыа(7, ап); 0.1 ^ 0.3 0.16 ^ 0.47 - 0.26
и различных толщинах облучаемых мишеней сведения о получаемых величинах активности приведены к универсальной величине, связывающей получаемую активность в условиях насыщения с током электронов и с толщиной мишеней. Исходя из (1), для полученной активности А в мКи при фиксированном среднем токе пучка электронов I в мкА на вольфрамовом радиаторе толщиной 2.2 мм, и при величине (X ■ р) в г ■ см-2 имеем
{А/(I ■ X ■ р)}« 63 М-^а-О^иг, (2)
где {А/(1 ■ X ■ р)} измеряется в мКи/(мкА ■ г■ см-2), М измеряется в г/моль; (а-1)5а4иг измеряется в мбн.
Расчетные согласно (2) и экспериментальные значения величин {А/(1 ■ X ■ р)} в условиях насыщения нарабатываемых активностей даны в таблице для двух вариантов облучаемой мишени (из металлического Ыа и из ЫаОН).
При исследованиях ионообменного выделения 18 Р из облученных мишеней было проведено два эксперимента.
Целью первого эксперимента было установление профиля элюирования фтора и натрия. Для выделения фтора использовали 240 мг материала мишени, растворенные в 1 мл воды. 5 мл сорбента поместили в колонку высотой 5 см. В колонку поместили раствор мишени и элюировали водой, собирая фракции по 1 мл от 1 до 5 мл и еще две фракции по 10 мл. При этом натрий прочно удерживался в колонке и не смывался, фтор выходил в основном (96%) в 3-5 мл (рис. 2). Выходы контролировались: для фтора по линии 511 кэВ; для натрия по линии 1275 кэВ.
К
Отсчеты • с 80 70 60 50 40 30 20 10
-1
-1
0
10
15
20
Рис. 2. Хроматограмма — элюирование 18Р с колонки,
заполненной Dowex 50
Целью второго эксперимента были исследование полноты выделения 18 Р, расчет активности и радиоизотопной чистоты продукта. При этом во втором эксперименте был несколько увеличен объем колонки (7 см длина, 7 мл объем), а также несколько увеличена масса мишени (до 340 мг). Непосредственно после разделения были получены 7'-спектры раствора исходной мишени, элюата из колонки и самой колонки после элюирова-ния. Получено, что более 95% 18 Р находится в элюате, менее 5% осталось в колонке.
Отдельно были проведены измерения большей длительности (— 20 ч) для оценки содержания 22 Ыа в элюате. Пик 22 Ыа в спектре обнаружен не был. Согласно верхней оценке, содержание 22 Ыа не более 36 мБк (не более 0.04% от исходной активности).
Приведенная к моменту времени, соответствующему окончанию облучения, полная активность 18Р, образованная в мишени массой 340 мг, на этот момент времени составила 97 кБк, при этом активность выделенного 18 Р составила 93 кБк. Время выделения изотопа 18 Р составило — 90 мин.
Полученный результат означает, что на ускорителе электронов с энергией Ее = 55 МэВ и средним током пучка I — 40 мкА в результате облучения мишени из ЫаОН толщиной 10 г/см2 (т.е. в условиях, соответствующих тем, которые рассматривались при оценках в [18, 19]) в течение времени т = 3Г1/2 = 5.5 ч, можно получить такую полную активность радиоизотопа 18 Р, из которой после радиохимического разделения, завершающегося через т = (0.5 ^ 1.0)Т1/2, можно выделить изотоп 18Р в водном растворе с полной активностью А — (1.5 ^ 2.2) ■ 109 Бк « (40 ^ 60) мКи и удельной активностью а — (2 ^ 3) мКи/мл.
Заключение
Проведенные эксперименты подтвердили сделанные в [18, 19] оценки производства радиоизотопа 18 Р на ускорителе электронов с энергией Ее = 55 МэВ и средним током пучка I — 100 мкА. Эти эксперименты показали, что в результате облучения ЫаОН-мишени на электронном ускорителе с указанными параметрами можно получать такую полную активность радиоизотопа 18 Р, из которой после радиохимического разделения можно выделить изотоп 18Р с высокой удельной активностью и результирующей полной активностью,
превышающую требуемую для одной диагностической ПЭТ-процедуры больше, чем на порядок.
Результаты настоящей работы подтверждают перспективность получения радиоизотопа 18 F на электронных ускорителях с использованием мишеней с естественным изотопным составом.
Список литературы
1. Becquerel A.H. // Compt. Rend. Acad. Sci. 1896. 122. P. 420.
2. Curie M. // Compt. Rend. Acad. Sci. 1898. 126. P. 1101.
3. Кюри M. Радиоактивность. М., 1960.
4. Nobel Lectures. Joliot F. 1935. Chemical Evidence of the Transmutation of Elements; Joliot-Curie I. 1935. Artificial Production of Radioactive Elements.
5. Isotopes for Medicine and the Life Sciences / Ed. by S.J. Adelstein, F.J. Manning. Washington, D.C., 1995.
6. Zhuikov B.L. // Appl. Radiation and Isotopes. 2014. 84. P. 48.
7. Ruth T.J., Pate B.D., Robertson R., Porter J.K. // Int. J. Appl. Radiation and Isotopes. Pt. B: Nucl. Med. Biol. 1989. B16, N 4. P. 323; Ruth T.J. // Nucl. Physics News Intern. 2013. 23, N 2. P. 30.
8. Principles of Nuclear Medicine. Second Edition / Ed. by H.N. Wagner, Z. Szabo, J.W. Buchanan. Philadelphia, Pennsylvania, 1995.
9. Tables of Isotopes. 7-th Edition / Ed. by C. M. Lederer, V.S. Shirley. N.Y., 1978.
10. Ekstrom L.P., Firestone R.B. WWW Table of Radioactive Isotopes. LBNL Isotopes Project. Lunds Universitet, February 28, 1999.
11. Wagner H.N., Buchanan J.W., Maisey M.N. // Clinical Nuclear Medicine / Ed. by M.N. Maisey, K. E. Britton, B.D. Collier. L., 1998.
12. Welch M.J. // Proc. Int. Conf. on Photonuclear Reactions and Applications / Ed. by B.L. Berman. C0NF-730301. Livermore, California, 1973. P. 1179.
13. Donnerhack A., Sattler E.L. // Int. J. Appl. Radiation and Isotopes 1980. 31 . P. 279.
14. Yagi M., Amano R. // Int. J. Appl. Radiation and Isotopes 1980. 31. P. 559.
15. Leij M. van der, Halteren B.W. van, Brinkman G.A. // Int. J. Appl. Radiation and Isotopes. 1985. 36. P. 717.
16. Айзацкий Н.И., Дикий Н.П., Довбня А.Н. и др. // Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерно-физические исследования. 2008. 50, № 5. С. 169.
17. Ross C., Galea R., Saul P. et al. // Physics in Canada. 2010. 66. P. 19.
18. Джилавян Л.З., Карев А.И., Раевский В.Г. О возможностях наработки с помощью фотоядерных реакций радиоизотопов для целей ядерной медицины на разрезном микротроне на 55 МэВ. Препринт ИЯИ РАН 1268/2010. М., 2010.
19. Джилавян Л.З., Карев А.И., Раевский В.Г. // Ядерная физика. 2011. 74. С. 1728 (Dzhilavyan L.Z., Karev A.I., Raevsky V.G. // Phys. At. Nucl. 2011. 74. P. 1690).
20. Белышев С.С., Джилавян Л.З., Ермаков А.Н. и др. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2012. № 3. С. 8 (Belyshev S.S., Dzhilavyan L.Z., Ermakov A.N. et al. // Moscow Univ. Phys. Bull. 2012. 67. P. 246).
21. Белышев С.С., Джилавян Л.З., Ермаков А.Н. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2013. 77, № 4. С. 531 (Belyshev S.S., Dzhilavyan L.Z., Ermakov A.N. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2013. 77. P. 480).
22. Алиев Р.А., Белышев С.С., Джилавян Л.З. и др. Экспериментальное исследование возможностей наработки 18 F, 67 С^ 177 Lu для ядерной медицины на ускорителях электронов. Препринт ИЯИ РАН 1340/2013. М., 2013.
23. Karev A.I., Lebedev A.N., Raevsky V.G. et al. // Proc. XXII Rus. Particle Accelerator Conf. RuPAC-2010. P. 316.
24. Seltzer S.M., Berger M.J. // Nucl. Instrum. Meth. B. 1985. 12, N 1. P. 95.
25. Agostinelli S., Allison J., Amako K. et al. // Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. A. 2003. 506. P. 250.
26. Pages L., Bertel E., Joffre H., Sklavenitis L. Energy Losses, Trajectories, and Stopping Power for 10 keV to 100 MeV Electrons in Simple Elements and Some Chemical Compounds. Centre d'Etudes Nucleares de Saclay Rapport CEA-R-3942. Saclay, 1970.
Study of the possibility of the production and separation of the 18 F radioisotope at electron accelerators R.A. Aliev1, S.S. Belyshev2b, L. Z. Dzhilavyan3a, B.S. Ishkhanov12, V.V. Khankin1, V.I. Shvedunov1
1D. V. Scobeltsyn Insitute of Nuclear Physics, M.V. Lomonosov Moscow State University, Moscow 119991, Russia.
2 Department of General Nuclear Physics, Faculty of Physics, M.V. Lomonosov Moscow State University, Moscow 119991, Russia.
3 Institute for Nuclear Research, Russsian Academy of Sciences, Moscow 117312, Russia. E-mail: a [email protected], b [email protected].
The possibility of production and separation of the 18 F medical radioisotope at a race-track microtron with an accelerated electron energy of 55 MeV in the 23 Na (7, an) photonuclear reaction is studied. Ion-exchange chromatography is used to separate 18 F from irradiated NaOH targets.
Keywords: radioisotopes, photonuclear reactions, activation analysis, gamma spectrometry, radiochemical
separation.
PACS: 25.20.-x.
Received 6 February 2014.
English version: Moscow University Physics Bulletin 3(2014). Сведения об авторах
1. Алиев Рамиз Автандилович — канд. хим. наук, зав. лабораторией; тел. (495) 939-40-32, e-mail: [email protected].
2. Белышев Сергей Сергеевич — физик; тел. (495) 939-25-58, e-mail: [email protected].
3. Джилавян Леонид Завенович — канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник; тел. (499) 135-21-12, e-mail: [email protected].
4. Ишханов Борис Саркисович — докт. физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой; тел. (495) 939-50-95, e-mail: [email protected].
5. Ханкин Вадим Валерьевич — ведущий инженер, (495) 939-24-51, e-mail: [email protected].
6. Шведунов Василий Иванович — докт. физ.-мат. наук, профессор, зав. лабораторией; тел. (495)-939-24-51, e-mail: [email protected].
