Прмантаева Б.А. 1 , Борисенко А.Р. 2 , Темербаев А.А. 1

Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршысы - Вестник ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, 2011, №6
Прмантаева Б.А. 1 , Борисенко А.Р. 2 , Темербаев А.А. 1 , Жуматаева И. 1
Разработка технологии эффективного производства изотопа
(
1
22
Na
Евразийский национальный университет им.Л.Н.Гумилева, г. Астана, Казахстан)
( 2 Институт ядерной физики НЯЦ РК, г. Алматы, Казахстан)
В данной работе рассматривается получение изотопа 22 Na в результате ядерных реакций при взаимодействии
ускоренных заряженных частиц (протонов энергией до 30 МэВ, дейтронов энергией до 25 МэВ и альфа-частиц энергией
до 50 МэВ) с ядрами мишени. Целью работы является определение оптимальных условий для наработки
радиоактивного изотопа 22 Na на внутреннем пучке циклотрона У-150М. Была проведена оценка возможностей
композитной мишени натрий - серебро по нарабатываемой активности и требуемой толщины материала мишени.
1. ВВЕДЕНИЕ
Процесс производства радиоизотопов состоит из двух основных операций: облучения мишени
и приготовления из нее конечного радиоактивного препарата.
Мишенью могут служить металлы, соли, порошкообразные вещества, газы. На основу,
выполняющую монтажную и теплоотводящую роль, мишень наносится различными
способами. Для металлов это – механическое крепление или припаивание металлической
пластины, гальваническое покрытие основы или наплавление на нее. Последний способ
применяется и для солевой мишени. Порошкообразные вещества фиксируют в основе с
помощью фольги, иногда применяют напыление в вакууме. Газы облучают в тонкостенных
стеклянных или металлических трубках.
В силу указанных особенностей производства большое значение при разработке технологии
нового вида продукции всегда имеет начальная теоретическая проработка предполагаемой
технологической схемы.
Цель работы – определение оптимальных условий для наработки радиоактивного изотопа
22 Na на внутреннем пучке циклотрона У-150М. В ходе работы были проведены:
• подбор литературных данных по уже известным в мировой практике методам
производства планируемого радиоактивного изотопа;
• проработка всех типов ядерных реакций, происходящих при взаимодействии ускоренных
частиц с ядрами планируемых мишеней;
• поиск и обработка информации по экспериментально измеренным сечениям ядерных
реакций;
• определение выхода целевого изотопа по сечению реакции;
• выполнение расчетов по предполагаемым наработкам целевого изотопа;
• определение оптимальной толщины мишени для наработки радиоактивного изотопа
22 Na;
• определение эффективного метода наработки изотопа
22
Na на циклотроне У-150М.
2. ПРИМЕНЕНИЕ ИЗОТОПА
22
Na
Натрий (Sodium), Na, химический элемент I группы периодической системы Менделеева;
атомный номер 11, атомная масса 22,9898; серебристо-белый мягкий металл, на воздухе
быстро окисляющийся с поверхности.
У искусственно полученного радиоактивного изотопа 22 Na физический период полураспада
T 1/2 = 2,64 г, биологический T 1/2 = 11дней (выделяется с мочой), эффективный T 1/2 ∼ 11
дней. Спин и четность: J π = 3 + ; радиус рассеяния: R = 0,570 . 10 −12 см. Критический орган:
86
Б.А. Прмантаева, Разина О.В., К.К. Ержанов, А.Р. Борисенко, А.А. Темербаев, И. Жуматаева
костный мозг; способ проникновения: прием пищи, дыхательные пути, открытые раны,
кожный покров [2].
Искусственно полученные радиоактивные изотопы 22 Na и 24 Na применяют для определения
скорости кровотока в отдельных участках кровеносной системы при сердечнососудистых и
лёгочных заболеваниях, облитерирующем эндартериите и др. Радиоактивные растворы солей
натрия (например, 22 NaCI) используют также для определения сосудистой проницаемости,
изучения общего содержания обменного натрия в организме, водно-солевого обмена,
всасывания из кишечника, процессов нервной деятельности и в некоторых других
экспериментальных исследованиях.
22 Na применяется в различных областях:
• Сельское хозяйство;
• Изучение рациона питания у свободно живущих ящериц;
• Использование в стоматологии;
• Позитронная аннигиляция;
• Криогенный источник медленных монохроматических позитронов.
Естественный изотопный состав натрия представлен моноизотопом 23 Na. Изотоп 22 Na имеет
период полураспада 2,6027 года, а изотоп 24 Na – 14,997 часа. Все остальные изотопы натрия
имеют периоды полураспада на уровне секунды и менее. Следовательно, при рассмотрении
ядерных реакций с образованием изотопов натрия можно ограничиться только реакциями с
образованием изотопа 22 Na, поскольку образующиеся побочные изотопы позволяют
использовать метод очистки от радионуклидных примесей выдержкой на распад.
Кроме прямой реакции образования изотопа 22 Na, реакция с образованием изотопа 22 Mg
также приводит к наработке целевого изотопа: 22 Mg (ЗЭ – 100%, T 1/2 = 3,87 сек) → 22 Na
(ЗЭ – 100%, T 1/2 = 2,6 года) → 22 Ne.
3. ПОЛУЧЕНИЕ ИЗОТОПА
22
Na
В данной работе рассматривается получение изотопа 22 Na в результате ядерных реакций при
взаимодействии ускоренных заряженных частиц (протонов энергией до 30 МэВ, дейтронов
энергией до 25 МэВ и альфа-частиц энергией до 50 МэВ) с ядрами мишени. В качестве
возможного материала мишени следует рассматривать химические элементы, у которых
зарядовое число близко к зарядовому числу атома натрия – 11 (натрий, магний, алюминий).
При этом будут иметь место эндотермические ядерные реакции, обладающие наименьшим
порогом.
Рисунок 1
87
Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршысы - Вестник ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, 2011, №6
Рисунок 2
Рисунок 3
Расчет толщины материала мишени производился с применением программы SPRIM-2008.04
[15]. SPRIM-2008.04 позволяет определить тормозные потери ускоренной заряженной частицы
при взаимодействии с атомами материала мишени (тормозные потери при взаимодействии с
электронами атомных оболочек, при взаимодействии с ядрами), а также пробег частицы в
мишени, продольный и поперечный страгглинг.
Зная тормозные потери и пробег ускоренной заряженной частицы при взаимодействии с
атомами материала мишени, нетрудно найти физическую толщину мишени. С учетом
пространственного расположения (угол наклона мишени к оси пучка 6 градусов)
производится расчет физической толщины:
• Мишень натрия для облучения протонами энергией 30 МэВ должна иметь толщину 1188
мкм.
• Мишень магния для облучения дейтронами энергией 25 МэВ должна иметь толщину 277
мкм.
• Мишень магния для облучения альфа-частицами энергией 50 МэВ со сбросом до 10 МэВ
должна иметь толщину 129 мкм.
Ряд физических свойств натрия (низкая температура плавления, пластичность, низкая
теплопроводность) делают невозможным изготовление и использование натриевой мишени на
внутреннем пучке циклотрона.
Согласно данным справочного издания "Диаграммы состояния двойных металлических
систем"[41], возможно устойчивое состояние системы натрий-серебро в широком процентном
соотношении содержания натрия: от 30% до 80% атомарного содержания натрия. При этом
температура плавления системы сохраняется неизменной – 700 С.
Принимая во внимание этот факт, была проведена оценка возможностей композитной мишени
натрий-серебро по нарабатываемой активности и требуемой толщины материала мишени.
88
Б.А. Прмантаева, Разина О.В., К.К. Ержанов, А.Р. Борисенко, А.А. Темербаев, И. Жуматаева
Наработка изотопа
22
Na облучением композитной мишени с 30% атомарного содержания
натрия протонами энергией 30 МэВ:
При облучении композитной мишени протонами энергией 30 МэВ током 100 мкА в течение
100 часов будет нарабатываться 1,485 ГБк изотопа 22 Na.
Наработка изотопа 22 Na облучением композитной мишени с 80% атомарного содержания
натрия протонами энергией 30 МэВ:
При облучении композитной мишени протонами энергией 30 МэВ током 100 мкА в течение
100 часов будет нарабатываться 3,765 ГБк изотопа 22 Na.
Толщина мишени была определена из расчета пробега протонов в материале
соответствующего состава:
• композитная мишень с 30% содержания натрия для облучения протонами энергией 30
МэВ должна иметь толщину 209 мкм;
• композитная мишень с 80% содержанием натрия для облучения протонами энергией 30
МэВ должна иметь толщину 480 мкм.
4. РЕЗУЛЬТАТЫ
В результате проведенной работы были сделаны следующие выводы:
• При наработке изотопа 22 Na путем облучения пучком протонов энергией 30 МэВ
током 100 мкА в течение 100 часов наибольшая активность на момент окончания
облучения нарабатывается в натриевой мишени. При толщине мишени 1188 мкм будет
нарабатываться 4,95 ГБк изотопа 22 Na;
• При наработке изотопа 22 Na путем облучения пучком дейтронов энергией 25 МэВ током
100 мкА в течение 100 часов наиболее эффективной из мишеней является магниевая
мишень. При толщине мишени 277 мкм будет нарабатываться 1,9 ГБк изотопа 22 Na;
• При наработке изотопа 22 Na путем облучения альфа-частицами энергией 50 МэВ током
100 мкА в течение 100 часов наиболее эффективной из мишеней является магниевая
мишень. При толщине мишени 129 мкм будет нарабатываться 0,3 ГБк изотопа 22 Na;
• Ряд физических свойств натрия (низкая температура плавления, пластичность, низкая
теплопроводность) делают невозможным изготовление и использование натриевой
мишени на внутреннем пучке циклотрона. Возможно создание композитной мишени
натрий-серебро в процентном соотношении содержания натрия: от 30% до 80% атомарного
содержания натрия. При облучении мишени с 30% атомарного содержания натрия
протонами энергией 30 МэВ током 100 мкА в течение 100 часов будет нарабатываться
1,485 ГБк изотопа 22 Na, толщина мишени – 209 мкм. При облучении мишени с 80%
атомарного содержания натрия будет нарабатываться 3,765 ГБк изотопа 22 Na, толщина
мишени – 480 мкм;
• Изотоп 22 Na имеет период полураспада 2,6027 года, а изотоп 24 Na – 14,997 часа. Все
остальные изотопы натрия имеют периоды полураспада на уровне секунды и менее. При
получении изотопа можно использовать метод очистки от радионуклидных примесей
выдержкой на распад, так как изотоп 22 Na имеет период полураспада 2,6027 года.
ЛИТЕРАТУРА
1. Kerri J. Gallagher, David A. Morrison, Richard Shine, and Gordon C. Grigg "Validation and use
of 22 Na turnover to measure food intake in free-ranging lizards"/ // School of Biological Sciences,
University of Sydney, N.S.W. 2006, Australia
89
Л.Н. Гумилев атындағы ЕҰУ Хабаршысы - Вестник ЕНУ им. Л.Н. Гумилева, 2011, №6
2. Мешков И.Н., Павлов В.Н., Сидорин А.О., Яковенко С.Л. Криогенный источник
медленных монохроматических позитронов. //Журнал "Приборы и техника эксперимента"
3. Немец О.Г., Гофман Ю. В. Справочник по ядерной физике. //Наукова Думка, Киев-1975
4. Р.П. Лякишева. Диаграммы состояния двойных металлических систем. Т.1, под общей
редакцией академика РАН //Машиностроение. - Москва. - 1996
Электронные источники:
5. Nuclide Safety Data Sheet Sodium-22/www.nchps.org
6. Journal of Dental Research / http://jdr.sagepub.com/
7. Nuclide Safety Data Sheet Sodium-22/www.nchps.org
8. Journal of Dental Research / http://jdr.sagepub.com/
Прмантаева Б.А., Борисенко А.Р., Темербаев А.А., Жуматаева И.
22 Na изотопын эффективтi өңдiру технологиясын құру
Бұл жұмыста үдетiлген зарядталған бөлшектердiң ядромен өзараәсерлескен ядролық реакцияның нәтижесiнде
(протондардың энергиясы 30 МэВ, дейтронның энергиясы 25 МэВ және альфа-бөлшектiң энергиясы 50 МэВ) 22 Na
изотопын алу қарастырылады. Жұмыстың мақсаты У-150М циклотронның iшкi шоғында радиоактивтi 22 Na изотопын
өңдеу үшiн оптимальды шартын анықтау болып табылады. Натрий-күмiс бiрiккен нысанасының талапқа сәйкес
қалыңдығы бойынша мүмкiншiлiктерiн бағалау.
Prmantayeva B.A., Borisenko A.R., Temerbayev A.A., Zhumatayeva I.
The Development of the Technology for Effective Production of 22 Na Isotope
In this paper we consider the 22 Na isotope as a result of nuclear reactions in the interaction of accelerated charged particles
(protons of energy up to 30 MeV, deuterons of energy up to 25 MeV and alpha particles of energy up to 50 MeV) with the
target nuclei. The aim is to determine the optimal conditions for production of radioactive 22 Na isotopes in the internal beam
of the У-150М cyclotron. We assessed capacity of the composite sodium-silver target in accumulating activity and the required
thickness of the target material.
Поступила в редакцию 12.10.2011
Рекомендована к печати 18.10.2011
90