90Sr/90Y源的應(yīng)用及制備

于 雪，何 虎，武偉名，羅志福

(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

90Sr/90Y源的應(yīng)用及制備

于 雪，何 虎，武偉名，羅志福

(中國原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

90Sr/90Y源在臨床醫(yī)學(xué)、工業(yè)過程控制、科研及工業(yè)用熱源、儀表刻度參考源幾個方面都具有廣泛應(yīng)用。用途不同對源的特性要求不同，源的制備工藝要滿足應(yīng)用的需求。本文針對其不同的應(yīng)用，介紹了不同的90Sr/90Y源制備方法，并對其方法優(yōu)缺點進(jìn)行分析。

90Sr/90Y源；測厚源；大面積參考源；醫(yī)用β放射源

90Sr/90Y源是一種純β衰變放射源，其母體90Sr半衰期為28.79 a，β電子能量為546.0 keV，子體90Y半衰期為64.00 h，β電子能量主要為2 284 keV。90Sr/90Y源是一種能量較強的β放射源，已經(jīng)應(yīng)用于臨床醫(yī)學(xué)、工業(yè)過程控制、特殊需求的科研及工業(yè)用熱源、儀表刻度參考源等方面。不同用途的90Sr/90Y源放射性活度差別很大，活度最大的是同位素電池使用的熱源，比如美國1961年應(yīng)用于氣象局的Sentry型號電池?zé)嵩吹幕疃葹?.475×1014Bq，而后來用于潮汐警報系統(tǒng)的MUMEC·TRACS型號電池?zé)嵩椿疃雀歉哌_(dá)4.366×1015Bq，較小的有測厚源和臨床上使用的敷貼治療源(最高可達(dá)GBq級別)、手腳污染檢測儀等所用的大面積參考源(北貝克級別)。根據(jù)不同的用途需要選擇不同的源制備方法。

1 醫(yī)用90Sr/90Y源的應(yīng)用和制備

90Sr/90Y源在臨床醫(yī)學(xué)的應(yīng)用研究方向比較多，如治療神經(jīng)性皮炎、瘢痕疙瘩、前列腺增生、防治手術(shù)治療冠心病后血管再狹窄等[1-3]。

利用β粒子外照射治療疾病應(yīng)用于臨床已經(jīng)有了很長的歷史，此類療法無痛苦，操作簡單，治療方便。其原理是病變組織對β電離輻射敏感程度比正常組織高，病變組織接受電離輻射后，會發(fā)生退行性改變。β粒子電離密度大、射程短，適宜于敷貼在任何形狀的身體表面病變處進(jìn)行照射，而不引起深部和鄰近組織的損傷，故被作為敷貼治療源。此類β源主要有32P源和90Sr/90Y源和147Pm源，研究32P源和90Sr/90Y源在臨床上應(yīng)用的文獻(xiàn)較多。

不同用途的90Sr/90Y醫(yī)用源形狀各不相同。治療海綿狀血管瘤、瘢痕疙瘩、狐臭等用于敷貼的醫(yī)用源需要將源制成片狀(如治療海綿狀血管瘤，由原子高科股份有限公司生產(chǎn)的90Sr/90Y敷貼器尺寸為20 mm×20 mm，出廠放射性活度740 MBq)，治療前列腺增生由于需要將源由尿道口插入至前列腺位置故其被制作成環(huán)狀，而PTCA(經(jīng)皮冠狀動脈腔內(nèi)成形術(shù))配合治療冠心病防治再狹窄的放射源需要將其制成細(xì)圓柱狀。醫(yī)用用途90Sr/90Y源制備主要使用粉末冶金法。用此方法可以獲得放射性均勻的源芯，并且適合于批量生產(chǎn)，在后期的組裝和加工過程中有很大的靈活性。該方法亦可用于參考源的制備。

其制備步驟主要為鍶-90穩(wěn)定化合物的制備、活性坯模模壓成塊、輥釓剪切、電鍍。此方法在第一步按照混料的不同可以分為“濕混法”和“草酸法”。“濕混法”混合方式是通過在摻入Ag粉的Sr(NO3)2溶液中滴加Na2CO3形成SrCO3-Ag的固-固混合形式。而“草酸法”需要配置好濃AgNO3溶液加入需要量的Sr(NO3)2溶液，然后加入過量的草酸溶液，獲得草酸鍶和草酸銀的共沉積物。

將共沉積物在焙燒爐中分段恒溫焙燒，完成草酸鹽的干燥、分解。得到含有鍶-90核素的銀粉，將其加壓制成合適尺寸的金屬-陶瓷毛坯，然后放到用Ag片沖壓出的凹平面中，用和凹平面相吻合的Au片覆蓋，并在高溫下燒結(jié)(見圖1)。冷卻至室溫后，再進(jìn)行熱軋，獲得片狀源箔。反復(fù)軋制達(dá)到要求后，為防止源箔中放射性同位素泄露，需要將其表面電鍍一層鈀。

圖1 軋制面源的金屬模組合Fig.1 Combination of the metal pack for surface source preparation

2 工業(yè)過程控制用90Sr/90Y源

含90Sr/90Y源的非接觸測厚儀主要用于冶金、造紙、煙卷制造等行業(yè)的過程控制，其原理有兩種：一種是利用同位素發(fā)出的射線穿過測量體前后強度比值與測量體厚度關(guān)系來確定測量體厚度；另一種是利用射線遇到被檢測物體表面后發(fā)生不同程度反射后的射線強度與被檢測物厚度關(guān)系確定其厚度[4]。β測厚儀使用的核素主要有90Sr、147Pm、85Kr、240Tl[5]。由于每種核素的射線能量不同，其最佳測量厚度是不同的，在此厚度時，相對測量誤差最小[6]，故不同種類的測厚源適合不同厚度物體的測量，90Sr源測量鋼板適合的厚度約在0.05～1.00 mm。

90Sr測厚源相比醫(yī)用源活度要大，一般采用陶瓷法制備，具體又分為合成反應(yīng)法、陶瓷涂覆釉層法[7]、搪瓷法，除此之外還有一種沸石吸附法。

合成反應(yīng)法需要提前預(yù)制TiO2源坯，用冷壓法將二氧化鈦粉末壓成生坯，把需要比活度的90Sr(NO3)2溶液滴加到TiO2源坯上，干燥后加熱到1400 ℃，令二者發(fā)生反應(yīng)生成90SrTiO3，同時令二氧化鈦源坯完成燒結(jié)。

陶瓷涂覆釉層法也需要提前預(yù)制一個源坯，但不同的是需要將源坯預(yù)先燒制完成，在源坯表面預(yù)制一個凹面并涂覆一層釉，然后將需要量的90Sr(NO3)2溶液用移液器加入到凹面。烘干后在釉面燒結(jié)溫度下燒制成型。搪瓷法需要將無機(jī)玻璃質(zhì)材料通過熔融凝于金屬基體材料上，其操作方法和陶瓷涂覆釉層法相同，區(qū)別在于其基體材料不同。這兩種方法獲得源的浸出率要比合成法大。沸石吸附法采用沸石材料吸附90Sr溶液中的90Sr等同位素，此法可以獲得小規(guī)格、高活度的β放射源。這四種方法在操作和最終結(jié)果上有著各自的特點，前三種都涉及到高溫操作，對高溫下操作的防護(hù)、燒結(jié)設(shè)備要求很高。和第一種方法相比，第二與第三種方法操作溫度稍低，但是其浸出率要比后面使用燒結(jié)溫度較低釉料的方法要低。上述三種方法操作上都均不易實現(xiàn)。比較而言，沸石吸附法獲得的源均勻性好，但浸出率也比較高。工業(yè)用90Sr/90Y測厚源制備一般用陶瓷涂覆釉層法。

3 科研及工業(yè)用熱源

美國原子能委員會(atomic energy commission)在1959年開始的“放射性材料回收利用”的項目中開發(fā)了鍶-90電池技術(shù)。利用90Sr/90Y熱源發(fā)熱將熱能轉(zhuǎn)換成電能。美國于1961年開發(fā)出第一個鍶-90電池(Sentry型號)，并將其應(yīng)用于和加拿大氣象局的聯(lián)合項目，即測量Axel-Heiberg島(距離北極圈700英里)的風(fēng)速風(fēng)壓等[8]。鍶-90電池雖然因為較強的韌致輻射造成屏蔽層厚重而不適合用于航天領(lǐng)域，其穩(wěn)定性高、壽命超長、環(huán)境要求低的特點依然受到歡迎，被大量應(yīng)用于航海燈塔、海上浮標(biāo)、氣候監(jiān)測、海下通信電纜轉(zhuǎn)接等方面。自從鍶-90電池的誕生，美國和蘇聯(lián)(俄羅斯)等國家對其進(jìn)行了大量的研究和制造，特別是部分國土處于北極圈的蘇聯(lián)(俄羅斯)，其本土內(nèi)鍶-90電池的應(yīng)用(截止到1990年)達(dá)到了1 007處[9]。

如果鍶-90電池需要達(dá)到較高的電功率，必須加大90Sr/90Y的使用量，制造高密度、高放射性活度的熱源(每克90SrTiO3發(fā)熱芯塊僅有0.247 W的熱功率[10])。這使得90Sr/90Y(熱)源質(zhì)量大、體積大、輻射強，存在一定的安全風(fēng)險。如高能β電子產(chǎn)生的韌致輻射，以及電池受到破壞后放射性同位素泄露、擴(kuò)散。對此，鍶-90電池設(shè)計包殼減弱射線強度、保護(hù)源芯，通過選擇合適的源芯材料化學(xué)形式減弱放射性核素的擴(kuò)散能力。

在電池包殼設(shè)計上，一般使用鉭、鎢、貧鈾等高原子序數(shù)材料設(shè)計外層包殼屏蔽韌致輻射產(chǎn)生的X射線，設(shè)計高強度的哈氏合金包殼對源芯密閉封裝、保護(hù)。為了防止放射性同位素泄露事故的發(fā)生，內(nèi)層包殼設(shè)計需要經(jīng)過嚴(yán)格的試驗驗證。對于同位素電池?zé)嵩吹膬?nèi)層包殼安全性，國際原子能機(jī)構(gòu)(IAEA)的相關(guān)文件要求熱源內(nèi)殼必須通過5方面測試。(1) 耐火試驗，耐受800℃高溫保證氣密性；(2) 墜落試驗，從高空9 m高度自由落體撞擊到鋼筋混凝土地面保證氣密性；(3) 沖擊試驗，受相當(dāng)于7 kg鋼芯墜落1 m的沖擊后保證氣密性；(4) 熱沖擊試驗，加熱到電池?zé)嵩吹淖罡吖ぷ鳒囟龋? ℃水中10 min保證氣密性；(5) 耐壓試驗，承受外壓100 MPa環(huán)境壓力保證氣密性。

在源芯材料化學(xué)形式的選擇上，一般采用SrTiO3、SrO、SrF2、Sr2TiO4等穩(wěn)定的化學(xué)形式，其中最穩(wěn)定、最難溶的是SrTiO3，也是應(yīng)用最多的形式。制作90Sr/90Y熱源需要達(dá)到以下要求：尺寸可重現(xiàn)(電池設(shè)計安裝要求)、簡單易行(放射性操作要求)、高密度(熱源源芯均勻性相關(guān))。

90Sr/90Y(熱)源的制作主要有三種方法：冷壓法、熱壓法、熔鑄法[11]。冷壓法和熱壓法適用于所有的鍶鹽形式，熔鑄法適用于熔點較低的鹽，比如SrF2、Sr2TiO4。冷壓法在熱室中操作相對比較簡單，設(shè)備體積小，但制作尺寸重現(xiàn)性比較差。生坯的均勻性對燒結(jié)質(zhì)量影響較大。對于尺寸較小的芯塊用單向加壓的辦法即可，但對于尺寸較大(直徑>10mm)應(yīng)采用雙向加壓的辦法，否則壓出的芯塊可能因為整體密度不均勻在燒制過程中開裂。熱壓法需要使用的熱壓爐體積比較龐大，對操作的場所要求比較高。采用熱壓的方法可以將粉體在較低的壓力下壓成陶瓷形式，控制壓制芯塊的尺寸。熔鑄法是20世紀(jì)80年代美國開發(fā)的制備方法，其獲得的芯塊密度不高，使用較少。

4 儀表刻度用參考源

核燃料加工、核電站核島維修、醫(yī)用源都需要β劑量或污染儀表進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，這個過程需要使用β參考輻射源。

1983年，Sundara rao[12]報道使用在鍍金片上電沉積鍶-90的方法制作了3.5～35 Bq/cm2的參考源。1990年，Yoshida和Martin[13]以及Tsoupko-Sitnikov等(2000年)[14]利用離子交換膜吸附放射性離子制作參考源。除此之外，還有濾紙吸附法、噴涂法等。Mano等[15]用二環(huán)己基-18-冠-6(DCH18C6)對放射性Sr(NO3)2萃取，以氯仿為溶劑，利用PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)固化，制成了用于α β手腳污染檢測儀用的大面積參考源。中國原子能科學(xué)研究院萬兆勇等使用粉末冶金法制備此類參考源。

5 小結(jié)

源的放射性限制臨床使用和工業(yè)過程控制，工業(yè)熱源方面在國外已經(jīng)應(yīng)用很多，而參考源方面的應(yīng)用一直占據(jù)重要地位。

90Sr/90Y源的制備隨著應(yīng)用的需求從僅使用金屬和無機(jī)材料慢慢向傳統(tǒng)材料和新材料融合。不同的β源的制作方法可以互相借鑒。如Sato等[16]利用噴墨打印機(jī)技術(shù)制作Cl-36表面源，可以靈活選擇制作形狀和活度,開啟了β源的制作方法新思路。

[1] 郝慧鈞,傅葉生,張德重. 鍶90/釔90敷貼治療增生性瘢痕疙瘩的療效觀察[B]. 中國醫(yī)藥指南,2012,10(26):179-180.

[2] 農(nóng)天雷. 磷32膠體聯(lián)合鍶90敷貼治療海綿狀血管瘤療效評價[A]. 藥物與臨床,2011,8(19)：78-80.

[3] Francis Q A, David Y C Sandeep N, et al. Clinical outcomes of patients treated with cutting balloon and Sr-90 β-irradiation for instent restenosis[J]. Cardiovascular Radiation Medicine, 2002, 3: 12-15.

[4] 郭志平,張朝宗. 同位素測厚儀的應(yīng)用問題探討[J]. 橡膠工業(yè),1998,45(11)：679-681.

[5] Gardner R P, Metwally W A, Shehata A. A semi-empirical model for a90Sr beta-particale transmission thickness gauge for aluminum alloy[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Reasearch, 2004, 213: 357-363.

[6] 張克敏,王世耕. 測厚儀在板帶軋制中的應(yīng)用[J]. 中國儀器儀表，2006(7)：80-82.

Zhang Kemin, Wang Shigeng. Application of Thickness Gauge in Plate Strip Rolling Process[J]. China Instrumentation, 2006(7): 80-82(in Chinese).

[7] 陸治美. 放射性同位素提取及制源工藝[M]. 北京：中國原子能出版社，2012:265-266.

[8] Technical progress review isotope and radiation technology[R]. US: Oak Ridge National Laboratory, 1970.

[9] Alexander S G. Development Of The RTG Master Plan in 2007 and The Plan for Urgent Measures for RTG Management in 2008[R].Moscow:Russian Research Center “Kurchatov institute”, 2008.

[10]陸治美. 放射性同位素提取及制源工藝[M]. 北京:中國原子能出版社，2012:202.

[11]Roberta S, Robert H L, Baker Jr P S. Strontium-90 Heat Sources[R]. US: Oak Ridge National Laboratory, 1971.

[12]Sundara rao I S, vadiwala R N. Preparation and Standardization of β-Surface sources for Calibration of Contamination Monitors[J]. Int J Appl Tadiat Isot,1983, 34: 1 398-1 399.

[13]Yoshida M, Martin H R. Preparation of extended sources with homogeneous polyethylene ion-exchange membranes[J]. Appl Radiat Isot, 1990, 41: 387-394.

[14]Tsoupko-Sitnikov V, Picolo J L, Carrier M, et al. A novel method for large-area sources preparation for the calibration of β- and α-contamination monitors[J]. Appl. Radiat Isot, 2000, 56: 21-29.

[15]Mano J K, Shyama L G, Rubel C, et al. A novel method for the preparation of large-area90Sr/90Y sources for the calibration of hand contamination monitors[J] . Applied Radiation and Isotopes, 2013, 79: 5-11.

[16]Sato Y, Hino Y, Yamada T, et al. The new fabrication method of standard surface sources[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2004, 60: 543-546.

The Applications and Fabrication Methods of90Sr/90Y Sources

YU Xue, HE Hu, WU Wei-ming, LUO Zhi-fu

(ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China)

The applications of90Sr/90Y sources were reviewed on clinical medicine, thickness gauge, continuous energy supply for science and industry, reference source for contamination calibration. The application of each source proposes certain requirement for the source properties, and that could be realized by some corresponding preparation method. Different90Sr/90Y source preparation methods for each application were introduced, and the characteristics of them were contrasted.

90Sr/90Y source; radioactive source of the thickness gauge; large area90Sr/90Y source; β sources for clinical medicine

10.7538/tws.2015.28.03.0189

2015-00-00;

2015-00-00

于 雪(1989—)，男，山東煙臺人，碩士研究生，核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)

羅志福，男，研究員，E-mail: luozhifu@ciae.ac.cn

TL92+1

A

1000-7512(2015)03-0189-04