Помощь студентам в учебе
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОРБЦИОННОГО ГЕНЕРАТОРА ТЕХНЕЦИЯ-99М НА ОСНОВЕ 99Мо, ПОЛУЧЕННОГО ПО РЕАКЦИИ 96Zr(a, n)99Mo
|
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ МОЛИБДЕНА-99 И ТЕХНЕЦИЯ-99М НА ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ И УСКОРИТЕЛЯХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ 14
1.1 Радионуклидная диагностика в ядерной медицине 15
1.1.1 Однофотонная эмиссионная компьютерная томография 16
1.2 Технологии производства радионуклидов 99Mo и 99mTc 18
1.2.1 Производство 99Мо на ядерных реакторах 19
1.2.1.1 Получение 99Mo по реакции деления урана-235 20
1.2.1.2 Получение 99Мо методом нейтронной активации молибдена-98.. 21
1.2.2 Получение 99Мо на ускорителях заряженных частиц 23
1.2.2.1 Получение 99Мо по реакции 100Mo(y,n)99Mo 23
1.2.2.2 Получение 99Мо по реакции 100Mo(n,2n)99Mo 24
1.2.2.3 Получение 99Мо по реакции, индуцированной протонами
100Mo(p,x)99Mo 25
1.2.2.4 Прямое получение 99mTc по реакции 100Mo(p,2n)99mTc 27
1.2.2.5 Получение 99Мо по реакции 96Zr(a,n)99Mo 28
1.2.2.6 Выход 99Mo в реакциях на ускорителях частиц 30
1.3 Технологии выделения 99Mo от облученных мишеней 32
1.3.1 Обработка мишеней ядерных реакторов 32
1.3.2 Обработка мишеней, облученных на ускорителях частиц 33
1.4 Генераторы радионуклидов 35
1.4.1 Общая характеристика методов разделения генераторной пары 99Mo/99mTc 36
1.4.1.1 Экстракционные технологии 40
1.4.1.2 Сублимационное разделение 42
1.4.1.3 Хроматографические генераторы 43
1.5 Выводы по главе 1 45
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 47
2.1 Характеристика используемых веществ, материалов и оборудования 47
2.2 Циклотрон Р-7М 49
2.3 Подготовка мишеней и их облучение 52
2.3.1 Метод активации стопок фольг различного состава 52
2.3.2 Мишень для получения 99Mo 54
2.4 Определение активности радионуклидов 55
2.4.1 Калибровка детектора 57
2.4.1.1 Калибровка энергии 57
2.4.1.2 Калибровка эффективности 58
2.5 Гамма-спектроскопия и измерение радиоактивности 59
2.6 Определение сечения ядерной реакции 96Zr(a,n)99Mo 60
2.6.1 Определение энергии пучка а-частиц 61
2.6.2 Контроль тока пучка 62
2.7 Выбор методики выделения 99Mo из мишеней natZr 62
2.7.1 Исследование сублимационного выделения 62
2.7.2 Отработка методики осаждения 99Mo на сорбенте 63
2.7.2.1 Растворение облученной циркониевой мишени 63
2.7.2.2 Подготовка оксида алюминия к адсорбции молибдена 63
2.7.2.3 Порядок сборки хроматографических колонок 64
2.7.2.4 Зарядка колонки в направлении снизу-вверх 65
2.7.2.5 Определение радионуклидной чистоты элюатов 99тТс 66
2.7.2.6 Определение химических примесей в элюатах 66
2.7.2.7 Определение радиохимической чистоты элюата технеция-99м,
выделенного из генераторной колонки 67
2.8. Статистическая обработка результатов измерений 68
ГЛАВА 3. ОТРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ОБЛУЧЕНИЯ а-ЧАСТИЦАМИ ЦИРКОНИЕВОЙ МИШЕНИ И МЕТОДИКИ ВЫДЕЛЕНИЯ ИЗ НЕЕ МОЛИБДЕНА-99 70
3.1. Исследование функции возбуждения 99Mo, получаемого по реакции 96Zr(a,n)99Mo в циркониевых мишенях с естественным изотопным составом.70
3.2. Разработка технологии выделения 99Mo из облученной циркониевой
мишени 77
3.2.1 Определение диффузии 99Мо в поверхностный слой оксида ZrO2 80
3.2.2. Изучение растворимости циркония и оксида на его поверхности 83
3.3 Выводы по главе 3 87
ГЛАВА 4. ПРОВЕДЕНИЯ ЗАРЯДКИ КОЛОНКИ СОРБЦИОННОГО ГЕНЕРАТОРА МОЛИБДЕНОМ-99 С ВЫСОКОЙ УДЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТЬЮ 89
4.1. Разработка технологии подготовки сорбента для проведения адсорбции
молибдена-99 90
4.2. Экспериментальное изучение влияния кислотной обработки оксида
алюминия на величину адсорбции 99Мо и его распределение в генераторных колонках 94
4.3. Исследование закономерностей распределение молибдена-99 в колонках
с различной кислотной обработкой 100
4.4. Разработка схемы и устройства для проведения «обратной зарядки»
молибденом-99 колонок с оксидом алюминия 105
4.5 Проведение технических испытаний заряженной колонки 107
4.6 Переработка и восстановление обогащенного 96Zr из раствора мишени. 108
4.7. Выводы по главе 4 110
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 114
БЛАГОДАРНОСТИ 116
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 117
ГЛАВА 1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ПОЛУЧЕНИЯ МОЛИБДЕНА-99 И ТЕХНЕЦИЯ-99М НА ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ И УСКОРИТЕЛЯХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ 14
1.1 Радионуклидная диагностика в ядерной медицине 15
1.1.1 Однофотонная эмиссионная компьютерная томография 16
1.2 Технологии производства радионуклидов 99Mo и 99mTc 18
1.2.1 Производство 99Мо на ядерных реакторах 19
1.2.1.1 Получение 99Mo по реакции деления урана-235 20
1.2.1.2 Получение 99Мо методом нейтронной активации молибдена-98.. 21
1.2.2 Получение 99Мо на ускорителях заряженных частиц 23
1.2.2.1 Получение 99Мо по реакции 100Mo(y,n)99Mo 23
1.2.2.2 Получение 99Мо по реакции 100Mo(n,2n)99Mo 24
1.2.2.3 Получение 99Мо по реакции, индуцированной протонами
100Mo(p,x)99Mo 25
1.2.2.4 Прямое получение 99mTc по реакции 100Mo(p,2n)99mTc 27
1.2.2.5 Получение 99Мо по реакции 96Zr(a,n)99Mo 28
1.2.2.6 Выход 99Mo в реакциях на ускорителях частиц 30
1.3 Технологии выделения 99Mo от облученных мишеней 32
1.3.1 Обработка мишеней ядерных реакторов 32
1.3.2 Обработка мишеней, облученных на ускорителях частиц 33
1.4 Генераторы радионуклидов 35
1.4.1 Общая характеристика методов разделения генераторной пары 99Mo/99mTc 36
1.4.1.1 Экстракционные технологии 40
1.4.1.2 Сублимационное разделение 42
1.4.1.3 Хроматографические генераторы 43
1.5 Выводы по главе 1 45
ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 47
2.1 Характеристика используемых веществ, материалов и оборудования 47
2.2 Циклотрон Р-7М 49
2.3 Подготовка мишеней и их облучение 52
2.3.1 Метод активации стопок фольг различного состава 52
2.3.2 Мишень для получения 99Mo 54
2.4 Определение активности радионуклидов 55
2.4.1 Калибровка детектора 57
2.4.1.1 Калибровка энергии 57
2.4.1.2 Калибровка эффективности 58
2.5 Гамма-спектроскопия и измерение радиоактивности 59
2.6 Определение сечения ядерной реакции 96Zr(a,n)99Mo 60
2.6.1 Определение энергии пучка а-частиц 61
2.6.2 Контроль тока пучка 62
2.7 Выбор методики выделения 99Mo из мишеней natZr 62
2.7.1 Исследование сублимационного выделения 62
2.7.2 Отработка методики осаждения 99Mo на сорбенте 63
2.7.2.1 Растворение облученной циркониевой мишени 63
2.7.2.2 Подготовка оксида алюминия к адсорбции молибдена 63
2.7.2.3 Порядок сборки хроматографических колонок 64
2.7.2.4 Зарядка колонки в направлении снизу-вверх 65
2.7.2.5 Определение радионуклидной чистоты элюатов 99тТс 66
2.7.2.6 Определение химических примесей в элюатах 66
2.7.2.7 Определение радиохимической чистоты элюата технеция-99м,
выделенного из генераторной колонки 67
2.8. Статистическая обработка результатов измерений 68
ГЛАВА 3. ОТРАБОТКА ОПТИМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ОБЛУЧЕНИЯ а-ЧАСТИЦАМИ ЦИРКОНИЕВОЙ МИШЕНИ И МЕТОДИКИ ВЫДЕЛЕНИЯ ИЗ НЕЕ МОЛИБДЕНА-99 70
3.1. Исследование функции возбуждения 99Mo, получаемого по реакции 96Zr(a,n)99Mo в циркониевых мишенях с естественным изотопным составом.70
3.2. Разработка технологии выделения 99Mo из облученной циркониевой
мишени 77
3.2.1 Определение диффузии 99Мо в поверхностный слой оксида ZrO2 80
3.2.2. Изучение растворимости циркония и оксида на его поверхности 83
3.3 Выводы по главе 3 87
ГЛАВА 4. ПРОВЕДЕНИЯ ЗАРЯДКИ КОЛОНКИ СОРБЦИОННОГО ГЕНЕРАТОРА МОЛИБДЕНОМ-99 С ВЫСОКОЙ УДЕЛЬНОЙ АКТИВНОСТЬЮ 89
4.1. Разработка технологии подготовки сорбента для проведения адсорбции
молибдена-99 90
4.2. Экспериментальное изучение влияния кислотной обработки оксида
алюминия на величину адсорбции 99Мо и его распределение в генераторных колонках 94
4.3. Исследование закономерностей распределение молибдена-99 в колонках
с различной кислотной обработкой 100
4.4. Разработка схемы и устройства для проведения «обратной зарядки»
молибденом-99 колонок с оксидом алюминия 105
4.5 Проведение технических испытаний заряженной колонки 107
4.6 Переработка и восстановление обогащенного 96Zr из раствора мишени. 108
4.7. Выводы по главе 4 110
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 112
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 114
БЛАГОДАРНОСТИ 116
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 117
Актуальность темы исследования. Радиоизотоп технеций-99т (99mTc) является наиболее широко используемым в мире радионуклидом, с которым ежегодно проводится более 30 миллионов медицинских диагностических процедур, что составляет около 80% от общего количества исследований ядерной медицины. Высокий спрос на этот радиоизотоп обусловлен его относительно коротким периодом полураспада (6,01 ч) и низкой энергией гамма-излучения (140,5 кэВ), обеспечивающих малую экспозиционную дозу и, вместе с тем, достаточную проникающую способность для проведения радиометрических измерений сердечнососудистой системы, щитовидной железы, онкологических новообразований, функции почек, исследования легких и др.
Технеций-99м образуется (генерируется) путем бета-распада материнского радиоизотопа молибден-99 (99Мо), период полураспада которого составляет 66,02 ч. В настоящее время более 95% 99Mo производится на ядерных реакторах путем облучения нейтронами мишеней высокообогащенного урана-235 (ВОУ) или низкообогащенного урана (НОУ) с последующим выделением 99Mo из продуктов распада по сложным и дорогостоящим технологиям. При этом образуется большое количество радиоактивных отходов, общая активность которых на несколько порядков превышает активность целевого радионуклида. В последние годы это стало одной из причин остановки ряда исследовательских реакторов в Европе (Карлсруэ, Россендорф и др.) и в 2010 г., в связи с изношенностью реакторной базы, мировой дефицит производства 99Мо достиг 30%.
Альтернативная возможность наработки 99Мо по экологически чистым технологиям предоставляется при организации его региональных производств на ядерных реакторах по реакции радиационного захвата 98Мо(п,у)99Мо путем облучения нейтронами мишеней, обогащенных по изотопу молибден-98. Однако недостаточно высокая удельная активность получаемого здесь 99Мо в пределах 5-10 Ки/г - против 200-500 Ки/г продукта, выделяемого из урана-235, препятствует широкому использованию этой технологии для крупномасштабного производства 99Mo/99mTc - генераторов.
Еще одна возможность малоотходного и экологически чистого получения 99Мо и 99тТс представляется при использовании для этих целей ядерных реакций (у,п), (у,р), (n,2n), реализуемых на молибдене-100 с помощью ускорителей заряженных частиц, таких как ускоритель электронов ЛУЭ-25 или микротроны типа МТ-22, МТ-25. Здесь на высокообогащенных мишенях (100Мо>95%) возможна наработка активности 99Mo более 2,5 Ки, но при этом, также, как и при активации нейтронами обогащенного молибдена-98, высокая удельная активность 99Мо трудно достижима, вследствие присутствия в мишени ядер стабильного молибдена-носителя.
В отличие от приведенных реакторных и ускорительных методов получения активационного 99Мо, существенное повышение его объемной активности до уровня урановых технологий и более может быть достигнуто путем облучения а-частицами циркония-96 (96Zr) по реакции 96Zr(a,n)99Mo.
По данным некоторых публикаций, в качестве материала мишени для получения 99Мо может быть использован металлический цирконий-96, его оксид или нитрид. При этом металлический цирконий, благодаря своей пластичности, достаточно удобен для изготовления мишеней любой требуемой формы. Кроме того, он обладает хорошей теплопроводностью, что позволяет использовать для его облучения высокие токи пучка а-частиц. Все это облегчает проведение выбора оптимальных условий процесса облучения, требуемой длины пробега и энергии а-частиц. Соответственно, и выбора толщины мишени, которая может быть большей или равной длине пробега, что, в первом случае, позволяет для выделения 99Мо из мишени обрабатывать только ее верхний слой, а во втором - проводить растворение всей мишени, что упрощает очистку полученного продукта от примесей.
Следует отметить, что цирконий в естественной смеси имеет пять стабильных изотопов с массами 90, 91, 92, 94 и 96. Но, не смотря на то, что содержание 96Zr в смеси составляет всего 2,80%, обогащенный 96Zr достаточно доступен на рынке стабильных изотопов даже с чистотой более 99,99%. Этот фактор, в сочетании с низким уровнем образующихся радиоактивных отходов, делает проведение исследований, направленных на изучение и создание технологии наработки 99Мо путем активации мишени из 96Zr а-частицами, актуальным.
Степень разработанности темы исследований. Кроме приведенных выше аргументов, получение 99Mo путем бомбардировки а-частицами мишеней 96Zr представляет большой интерес еще и потому, что в результате реакции 96Zr(a,n)99Mo в циркониевой мишени не образуются примеси долгоживущего 99Tc, а полученный 99Mo характеризуется высокой удельной активностью, поскольку он является здесь единственным радиоактивным изотопом молибдена. На момент начала выполнения диссертационной работы в литературе имелись сведения только о двух экспериментальных исследованиях функции возбуждения реакции 96Zr(a,n)99Mo. Предлагаемые альтернативные технологии находятся на ранних стадиях разработки.
Целью работы является разработка малоотходной технологии получения молибдена-99 с высокой удельной активностью при облучении а-частицами мишеней циркония-96 на циклотроне средней мощности Р-7М (типа У-120) и технологии изготовления из него хроматографических генераторов технеция-99м.
Основные задачи исследований:
1. С использованием циклотрона Р-7М сделать оценку выхода ядерных реакций, инициированных пучками а-частиц в толстых мишенях из природного циркония.
2. Экспериментально измерить сечение ядерной реакции 96Zr(a,n)99Mo с использованием метода активированных пакетных фольг для тонкослойного активационного анализа.
3. Определение функции возбуждения реакции 96Zr(a,n)99Mo, величины выхода и удельной активности радиоизотопа молибдена-99.
4. Разработка методов выделения молибдена из циркониевых мишеней природного циркония.
5. Создание полной схемы получения радиоизотопов молибдена-99 и технеция-99т на циклотроне с использованием пучка а-частиц.
6. Разработка технологической схемы изготовления генератора технеция-99м на основе 99Мо с высокой удельной активностью.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые:
1. Установлено, что сечение ядерной реакции 96Zr(a,n)99Mo для а-частиц с энергией 15 МэВ имеет величину 230 мб.
2. На основе экспериментально установленной функции возбуждения определен выход радиоизотопа 99Mo и впервые был сделан вывод о том, что оптимальный диапазон энергии а-частиц должен находиться в переделах 12-19 МэВ, что соответствует толщине мишени 68 мкм.
3. Определено, что при облучении мишеней 96Zr толщиной 68 мкм а-частицами с энергией 19 МэВ, величина выхода 99Mo составляет 1,46 МБк/мкА-ч. Это позволит производить до 17,5 ГБк 99Mo при среднем токе а-частиц 1 мА за 12 ч облучения, что достаточно для его использования в генераторных технологиях для получения 99mTc
4. Показано, что эффективным вариантом решения проблемы получения 99Мо с высокой удельной активностью из циркониевой мишени, является использование для облучения многослойной мишени циркония с геометрией расположения его рабочего слоя на глубине сборки 68 мкм с последующим растворением этого слоя и приготовлением раствора полимолибдата натрия.
5. Доказана эффективность проведения «обратной зарядки» активированных генераторных колонок. Проведена зарядка партии опытных колонок и сделана оценка качества выделяемого из них элюата технеция-99м.
6. Предложена и изготовлена модифицированная схема установки для проведения «обратной зарядки» генераторных колонок 99Mo, выделенным из циркониевой мишени и проведены ее технические испытания.
Теоретическая и практическая значимость результатов работы.
1. Предложен эффективный способ получения молибдена-99 с высокой удельной активностью на циклотроне средней мощности Р-7М по реакции 96Zr(a,n)99Mo путем облучения мишеней металлического циркония а-частицами. Созданы методики обработки мишени после облучения для получения раствора полимолибдата №99Мо(.).| и подготовки сорбента - оксида алюминия для изготовления хроматографических генераторных колонок.
2. Предложены процессы и принципиальные схемы проведения всех стадий выделения технеция-99м из хроматографических колонок с учетом особенностей использования в них 99Мо с высокой удельной активностью и низкой концентрацией. Качество полученных элюатов технеция-99м подтверждено их соответствием действующим требованиям нормативной документации.
3. Результаты работы используются в учебно-педагогическом процессе при чтении курса лекций по теме «Технологии получения радиофармпрепаратов» в соответствии с магистерской программой 010700.24 «Медицинская физика» в Национальном исследовательском Томском политехническом университете, а также при выполнении практических и лабораторных занятий в ИЯТШ НИ ТПУ.
Методология и методы исследования. Методологической основой диссертационного исследования является системный подход к разработке технологии получения 99Мо по реакции 96Zr(a,n)99Mo с учётом применяемых в мировой практике стандартизованных требований к проведению контроля качества получаемого в результате радиофармацевтического лекарственного препарата, содержащего технеций-99м, по радионуклидной, радиохимической и химической чистоте с проведением системной обработки полученных результатов.
В ходе выполнения работы применялись различные методики и методы аналитического контроля целевых радионуклидов 99Mo и "^Гс: методики их радиометрического анализа, методика потенциометрического определения рН, методики спектрального определения химических примесей, методы
высокоэффективной жидкостной и тонкослойной хроматографии,
спектрофотометрический метод.
Методологической основой диссертационной работы являются известные в мире теоретические и экспериментальные наработки по различным видам разделения изотопной пары 99Мо/99тТс, а также методы контроля качества получаемого продукта и математической обработки полученных результатов. В проведенных исследованиях задействованы следующие методы и методики: методика проведения облучения циркониевых мишеней в каналах циклотрона Р-7М, методики вскрытия облученных образцов и приготовления растворов ПМН для проведения «зарядки» генераторов, методики проведения радиометрических измерений генераторов и выделяемых из них элюатов 99тТс, спектрофотометрические методы анализа химического состава препаратов, методика потенциометрического определения pH и современные методы статистической обработки полученных результатов.
Положения выносимые на защиту:
1. Методика и результаты определения выхода ядерных реакций под действием а-частиц в толстых металлических мишенях из природного циркония.
2. Конструкция мишенного узла для экспериментального измерения сечения ядерной реакции 96Zr (а,п) 99Mo с использованием активированных пакетных фольг для тонкослойного активационного анализа.
3. Результаты определения функции возбуждения реакции 96Zr (a,n) 99Mo и расчетные данные по определению толщины мишени, обеспечивающей возможности достижения максимальной удельной активности и величины выхода молибдена-99.
4. Экспериментальные результаты по проведению сублимационного выделения из циркониевой мишени 99Мо, изучению влияния температуры на процессы окисления ее поверхности и величину выхода образовавшихся в мишени радионуклидов.
5. Разработка методики подготовки сорбента нейтрального оксида алюминия для проведения адсорбции полимолибдата натрия на основе 99Мо с высокой удельной активностью для изготовления генераторов технеций-99м .
6. Разработка схемы установки для проведения «обратной зарядки» хроматографических генераторных колонок молибденом-99, выделенным из циркониевой мишени.
Личный вклад автора в работы, выполненные в соавторстве и включенные в диссертацию, состоит в проведенном обзоре литературы по тематике, в общей постановке задач, активном участии в создании экспериментальных устройств и проведении исследований, проведении анализа и математической обработки полученных результатов, написании статей и докладов, а также внедрения результатов исследований в учебный процесс.
Степень достоверности результатов. Результаты работы не противоречат имеющимся в литературе экспериментальным данным, предлагаемым в альтернативных технологиях. Хотя некоторые из них еще не являются коммерчески проверенными, а другие находятся на ранних стадиях разработки. Анализ полученных результатов проводили по аттестованным методикам контроля качества с использованием проверенного сертифицированного оборудования.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях:
- Annual Congress of the European Association of Nuclear Medicine, October 15 - 19, 2016 Barcelona, Spain.
- International Conference on Physics of Cancer: Interdisciplinary Problems and Clinical Applications, March 22 - 25, 2016 Tomsk, Russia.
- III Международная научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Изотопы: технологии, материалы и применение», Октябрь 2016, г. Томск ТПУ.
- XXIV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л. П. Кулёва и Н. М. Кижнера «Химия и химическая технология в XXI веке», Май 2023 г., г. Томск.
- Международный молодежный форум «Россия-Латинская Америка: Диалог будущих лидеров атомной отрасли региона», Март 2024, г. Москва РУДН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, из них 2 статьи, входящих в международную базу данных Scopus и Web of Science, 1 статья, входящая в перечень научных изданий ВАК и 5 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы; содержит 132 страницы, включая 43 рисунка, 23 таблицы, 136 библиографических
Технеций-99м образуется (генерируется) путем бета-распада материнского радиоизотопа молибден-99 (99Мо), период полураспада которого составляет 66,02 ч. В настоящее время более 95% 99Mo производится на ядерных реакторах путем облучения нейтронами мишеней высокообогащенного урана-235 (ВОУ) или низкообогащенного урана (НОУ) с последующим выделением 99Mo из продуктов распада по сложным и дорогостоящим технологиям. При этом образуется большое количество радиоактивных отходов, общая активность которых на несколько порядков превышает активность целевого радионуклида. В последние годы это стало одной из причин остановки ряда исследовательских реакторов в Европе (Карлсруэ, Россендорф и др.) и в 2010 г., в связи с изношенностью реакторной базы, мировой дефицит производства 99Мо достиг 30%.
Альтернативная возможность наработки 99Мо по экологически чистым технологиям предоставляется при организации его региональных производств на ядерных реакторах по реакции радиационного захвата 98Мо(п,у)99Мо путем облучения нейтронами мишеней, обогащенных по изотопу молибден-98. Однако недостаточно высокая удельная активность получаемого здесь 99Мо в пределах 5-10 Ки/г - против 200-500 Ки/г продукта, выделяемого из урана-235, препятствует широкому использованию этой технологии для крупномасштабного производства 99Mo/99mTc - генераторов.
Еще одна возможность малоотходного и экологически чистого получения 99Мо и 99тТс представляется при использовании для этих целей ядерных реакций (у,п), (у,р), (n,2n), реализуемых на молибдене-100 с помощью ускорителей заряженных частиц, таких как ускоритель электронов ЛУЭ-25 или микротроны типа МТ-22, МТ-25. Здесь на высокообогащенных мишенях (100Мо>95%) возможна наработка активности 99Mo более 2,5 Ки, но при этом, также, как и при активации нейтронами обогащенного молибдена-98, высокая удельная активность 99Мо трудно достижима, вследствие присутствия в мишени ядер стабильного молибдена-носителя.
В отличие от приведенных реакторных и ускорительных методов получения активационного 99Мо, существенное повышение его объемной активности до уровня урановых технологий и более может быть достигнуто путем облучения а-частицами циркония-96 (96Zr) по реакции 96Zr(a,n)99Mo.
По данным некоторых публикаций, в качестве материала мишени для получения 99Мо может быть использован металлический цирконий-96, его оксид или нитрид. При этом металлический цирконий, благодаря своей пластичности, достаточно удобен для изготовления мишеней любой требуемой формы. Кроме того, он обладает хорошей теплопроводностью, что позволяет использовать для его облучения высокие токи пучка а-частиц. Все это облегчает проведение выбора оптимальных условий процесса облучения, требуемой длины пробега и энергии а-частиц. Соответственно, и выбора толщины мишени, которая может быть большей или равной длине пробега, что, в первом случае, позволяет для выделения 99Мо из мишени обрабатывать только ее верхний слой, а во втором - проводить растворение всей мишени, что упрощает очистку полученного продукта от примесей.
Следует отметить, что цирконий в естественной смеси имеет пять стабильных изотопов с массами 90, 91, 92, 94 и 96. Но, не смотря на то, что содержание 96Zr в смеси составляет всего 2,80%, обогащенный 96Zr достаточно доступен на рынке стабильных изотопов даже с чистотой более 99,99%. Этот фактор, в сочетании с низким уровнем образующихся радиоактивных отходов, делает проведение исследований, направленных на изучение и создание технологии наработки 99Мо путем активации мишени из 96Zr а-частицами, актуальным.
Степень разработанности темы исследований. Кроме приведенных выше аргументов, получение 99Mo путем бомбардировки а-частицами мишеней 96Zr представляет большой интерес еще и потому, что в результате реакции 96Zr(a,n)99Mo в циркониевой мишени не образуются примеси долгоживущего 99Tc, а полученный 99Mo характеризуется высокой удельной активностью, поскольку он является здесь единственным радиоактивным изотопом молибдена. На момент начала выполнения диссертационной работы в литературе имелись сведения только о двух экспериментальных исследованиях функции возбуждения реакции 96Zr(a,n)99Mo. Предлагаемые альтернативные технологии находятся на ранних стадиях разработки.
Целью работы является разработка малоотходной технологии получения молибдена-99 с высокой удельной активностью при облучении а-частицами мишеней циркония-96 на циклотроне средней мощности Р-7М (типа У-120) и технологии изготовления из него хроматографических генераторов технеция-99м.
Основные задачи исследований:
1. С использованием циклотрона Р-7М сделать оценку выхода ядерных реакций, инициированных пучками а-частиц в толстых мишенях из природного циркония.
2. Экспериментально измерить сечение ядерной реакции 96Zr(a,n)99Mo с использованием метода активированных пакетных фольг для тонкослойного активационного анализа.
3. Определение функции возбуждения реакции 96Zr(a,n)99Mo, величины выхода и удельной активности радиоизотопа молибдена-99.
4. Разработка методов выделения молибдена из циркониевых мишеней природного циркония.
5. Создание полной схемы получения радиоизотопов молибдена-99 и технеция-99т на циклотроне с использованием пучка а-частиц.
6. Разработка технологической схемы изготовления генератора технеция-99м на основе 99Мо с высокой удельной активностью.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые:
1. Установлено, что сечение ядерной реакции 96Zr(a,n)99Mo для а-частиц с энергией 15 МэВ имеет величину 230 мб.
2. На основе экспериментально установленной функции возбуждения определен выход радиоизотопа 99Mo и впервые был сделан вывод о том, что оптимальный диапазон энергии а-частиц должен находиться в переделах 12-19 МэВ, что соответствует толщине мишени 68 мкм.
3. Определено, что при облучении мишеней 96Zr толщиной 68 мкм а-частицами с энергией 19 МэВ, величина выхода 99Mo составляет 1,46 МБк/мкА-ч. Это позволит производить до 17,5 ГБк 99Mo при среднем токе а-частиц 1 мА за 12 ч облучения, что достаточно для его использования в генераторных технологиях для получения 99mTc
4. Показано, что эффективным вариантом решения проблемы получения 99Мо с высокой удельной активностью из циркониевой мишени, является использование для облучения многослойной мишени циркония с геометрией расположения его рабочего слоя на глубине сборки 68 мкм с последующим растворением этого слоя и приготовлением раствора полимолибдата натрия.
5. Доказана эффективность проведения «обратной зарядки» активированных генераторных колонок. Проведена зарядка партии опытных колонок и сделана оценка качества выделяемого из них элюата технеция-99м.
6. Предложена и изготовлена модифицированная схема установки для проведения «обратной зарядки» генераторных колонок 99Mo, выделенным из циркониевой мишени и проведены ее технические испытания.
Теоретическая и практическая значимость результатов работы.
1. Предложен эффективный способ получения молибдена-99 с высокой удельной активностью на циклотроне средней мощности Р-7М по реакции 96Zr(a,n)99Mo путем облучения мишеней металлического циркония а-частицами. Созданы методики обработки мишени после облучения для получения раствора полимолибдата №99Мо(.).| и подготовки сорбента - оксида алюминия для изготовления хроматографических генераторных колонок.
2. Предложены процессы и принципиальные схемы проведения всех стадий выделения технеция-99м из хроматографических колонок с учетом особенностей использования в них 99Мо с высокой удельной активностью и низкой концентрацией. Качество полученных элюатов технеция-99м подтверждено их соответствием действующим требованиям нормативной документации.
3. Результаты работы используются в учебно-педагогическом процессе при чтении курса лекций по теме «Технологии получения радиофармпрепаратов» в соответствии с магистерской программой 010700.24 «Медицинская физика» в Национальном исследовательском Томском политехническом университете, а также при выполнении практических и лабораторных занятий в ИЯТШ НИ ТПУ.
Методология и методы исследования. Методологической основой диссертационного исследования является системный подход к разработке технологии получения 99Мо по реакции 96Zr(a,n)99Mo с учётом применяемых в мировой практике стандартизованных требований к проведению контроля качества получаемого в результате радиофармацевтического лекарственного препарата, содержащего технеций-99м, по радионуклидной, радиохимической и химической чистоте с проведением системной обработки полученных результатов.
В ходе выполнения работы применялись различные методики и методы аналитического контроля целевых радионуклидов 99Mo и "^Гс: методики их радиометрического анализа, методика потенциометрического определения рН, методики спектрального определения химических примесей, методы
высокоэффективной жидкостной и тонкослойной хроматографии,
спектрофотометрический метод.
Методологической основой диссертационной работы являются известные в мире теоретические и экспериментальные наработки по различным видам разделения изотопной пары 99Мо/99тТс, а также методы контроля качества получаемого продукта и математической обработки полученных результатов. В проведенных исследованиях задействованы следующие методы и методики: методика проведения облучения циркониевых мишеней в каналах циклотрона Р-7М, методики вскрытия облученных образцов и приготовления растворов ПМН для проведения «зарядки» генераторов, методики проведения радиометрических измерений генераторов и выделяемых из них элюатов 99тТс, спектрофотометрические методы анализа химического состава препаратов, методика потенциометрического определения pH и современные методы статистической обработки полученных результатов.
Положения выносимые на защиту:
1. Методика и результаты определения выхода ядерных реакций под действием а-частиц в толстых металлических мишенях из природного циркония.
2. Конструкция мишенного узла для экспериментального измерения сечения ядерной реакции 96Zr (а,п) 99Mo с использованием активированных пакетных фольг для тонкослойного активационного анализа.
3. Результаты определения функции возбуждения реакции 96Zr (a,n) 99Mo и расчетные данные по определению толщины мишени, обеспечивающей возможности достижения максимальной удельной активности и величины выхода молибдена-99.
4. Экспериментальные результаты по проведению сублимационного выделения из циркониевой мишени 99Мо, изучению влияния температуры на процессы окисления ее поверхности и величину выхода образовавшихся в мишени радионуклидов.
5. Разработка методики подготовки сорбента нейтрального оксида алюминия для проведения адсорбции полимолибдата натрия на основе 99Мо с высокой удельной активностью для изготовления генераторов технеций-99м .
6. Разработка схемы установки для проведения «обратной зарядки» хроматографических генераторных колонок молибденом-99, выделенным из циркониевой мишени.
Личный вклад автора в работы, выполненные в соавторстве и включенные в диссертацию, состоит в проведенном обзоре литературы по тематике, в общей постановке задач, активном участии в создании экспериментальных устройств и проведении исследований, проведении анализа и математической обработки полученных результатов, написании статей и докладов, а также внедрения результатов исследований в учебный процесс.
Степень достоверности результатов. Результаты работы не противоречат имеющимся в литературе экспериментальным данным, предлагаемым в альтернативных технологиях. Хотя некоторые из них еще не являются коммерчески проверенными, а другие находятся на ранних стадиях разработки. Анализ полученных результатов проводили по аттестованным методикам контроля качества с использованием проверенного сертифицированного оборудования.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях:
- Annual Congress of the European Association of Nuclear Medicine, October 15 - 19, 2016 Barcelona, Spain.
- International Conference on Physics of Cancer: Interdisciplinary Problems and Clinical Applications, March 22 - 25, 2016 Tomsk, Russia.
- III Международная научная конференция молодых ученых, аспирантов и студентов «Изотопы: технологии, материалы и применение», Октябрь 2016, г. Томск ТПУ.
- XXIV Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л. П. Кулёва и Н. М. Кижнера «Химия и химическая технология в XXI веке», Май 2023 г., г. Томск.
- Международный молодежный форум «Россия-Латинская Америка: Диалог будущих лидеров атомной отрасли региона», Март 2024, г. Москва РУДН.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, из них 2 статьи, входящих в международную базу данных Scopus и Web of Science, 1 статья, входящая в перечень научных изданий ВАК и 5 тезисов докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы; содержит 132 страницы, включая 43 рисунка, 23 таблицы, 136 библиографических
1. В результате экспериментального изучения возможности наработки на среднем циклотроне Р-7М молибдена-99 по реакции 96Zr(a,n)99Mo из циркониевой мишени природного состава показана возможность получения радионуклида 99Мо с величиной выхода 1,46 МБк/мкА-ч. Исходя из этого, для наработки активности 99Мо на уровне 18-20 ГБк с целью изготовления генераторов 99тТс, при использовании циркониевой мишени природного состава величина тока должна быть порядка 1мА, а при использовании циркониевых мишеней с обогащением по изотопу 96Zr на уровне 60%, достаточно тока а-частиц 30 мкА.
2. При исследовании сорбционных характеристик нейтрального оксида алюминия установлено, что сорбент имеет максимальную емкость по молибдену при предельной кислотной обработке. При этом кислый сорбент обеспечивает устойчивую адсорбцию молибдена в достаточно широком диапазоне изменения его массы, что послужило основанием для его выбора в качестве сорбента при разработке технологии изготовления сорбционного генератора из 99Мо с высокой удельной активностью.
3. При изучении влияния направления проведения «зарядки» генераторных колонок раствором ПМН на распределение молибдена в их рабочем объеме установлено, что при пропускании раствора в направлении снизу-вверх, молибден в колонке распределяется более компактно, чем при «зарядке» сверху-вниз. За счет этого достигается высокий элюационный выход технеция-99м на уровне 85-90% в объеме физиологического раствора, не превышающем 7 мл, независимо от адсорбированной массы молибдена.
4. Разработана схема усовершенствованной установки для проведения «обратной зарядки» Mo99 колонок с оксидом алюминия. Для проверки работы созданной установки и ее функциональной пригодности была проведена зарядка колонки раствором ПМН, полученным из облученной циркониевой мишени со степенью обогащения по изотопу 96Zr 60%. Из результатов последующего недельного элюирования колонки и проведенного контроля качества полученных препаратов сделан вывод, что они по всем основным показателям качества (РХЧ >99,0%; РНП >2-10’2% от активности 99тТс; тмо <0,2 мкг/мл) соответствуют нормативным требованиям.
5. Из полученных результатов следует, что разработанная технология проведения «обратной зарядки» генераторных колонок с предельной кислотной обработкой сорбента, обеспечивает стабильную работу хроматографического генератора, изготовленного из 99Мо, полученного по реакции 96Zr(a,n)99Mo, в течение всего установленного регламентом срока эксплуатации.
6. Внедрение созданной в процессе выполнения диссертации технологии получения 99Мо из циркониевой мишени и изготовления на его основе 99Mo/99mTc- генераторов будет способствовать созданию подобных производств на имеющихся в России ускорителях заряженных частиц, располагающих соответствующими техническими характеристикам, после проведения медицинских испытаний и получения соответствующих разрешительных документов.
2. При исследовании сорбционных характеристик нейтрального оксида алюминия установлено, что сорбент имеет максимальную емкость по молибдену при предельной кислотной обработке. При этом кислый сорбент обеспечивает устойчивую адсорбцию молибдена в достаточно широком диапазоне изменения его массы, что послужило основанием для его выбора в качестве сорбента при разработке технологии изготовления сорбционного генератора из 99Мо с высокой удельной активностью.
3. При изучении влияния направления проведения «зарядки» генераторных колонок раствором ПМН на распределение молибдена в их рабочем объеме установлено, что при пропускании раствора в направлении снизу-вверх, молибден в колонке распределяется более компактно, чем при «зарядке» сверху-вниз. За счет этого достигается высокий элюационный выход технеция-99м на уровне 85-90% в объеме физиологического раствора, не превышающем 7 мл, независимо от адсорбированной массы молибдена.
4. Разработана схема усовершенствованной установки для проведения «обратной зарядки» Mo99 колонок с оксидом алюминия. Для проверки работы созданной установки и ее функциональной пригодности была проведена зарядка колонки раствором ПМН, полученным из облученной циркониевой мишени со степенью обогащения по изотопу 96Zr 60%. Из результатов последующего недельного элюирования колонки и проведенного контроля качества полученных препаратов сделан вывод, что они по всем основным показателям качества (РХЧ >99,0%; РНП >2-10’2% от активности 99тТс; тмо <0,2 мкг/мл) соответствуют нормативным требованиям.
5. Из полученных результатов следует, что разработанная технология проведения «обратной зарядки» генераторных колонок с предельной кислотной обработкой сорбента, обеспечивает стабильную работу хроматографического генератора, изготовленного из 99Мо, полученного по реакции 96Zr(a,n)99Mo, в течение всего установленного регламентом срока эксплуатации.
6. Внедрение созданной в процессе выполнения диссертации технологии получения 99Мо из циркониевой мишени и изготовления на его основе 99Mo/99mTc- генераторов будет способствовать созданию подобных производств на имеющихся в России ускорителях заряженных частиц, располагающих соответствующими техническими характеристикам, после проведения медицинских испытаний и получения соответствующих разрешительных документов.
