CS-30回旋加速器制備放射性核素54Mn

胡映江，林 鵬，單陳瑜，李麗麗，馬 歡，高 靖， 楊遠友，劉 寧，廖家莉，楊吉軍

(1.四川大學(xué) 原子核科學(xué)技術(shù)研究所，輻射物理及技術(shù)教育部重點實驗室，成都 610064； 2.中廣核研究院有限公司，深圳 518026)

54Mn，半衰期為312.6 d，經(jīng)電子俘獲衰變并發(fā)射能量為834.8 keV的γ射線(分支比為99.98%)[1-2]，是反應(yīng)堆或加速器結(jié)構(gòu)材料的主要放射性活化產(chǎn)物[3-4]，除此之外環(huán)境中的54Mn也來源于核爆等核試驗活動[5]。由于54Mn具有較長的半衰期和較高的γ射線能量，因此它成為核設(shè)施日常監(jiān)測、核燃料循環(huán)過程及環(huán)境輻射安全管理中重點關(guān)注的核素之一[6-8]。近年來，隨著同位素技術(shù)的不斷發(fā)展，54Mn還被大量應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、材料、核探測和地球化學(xué)遷移等方面的研究[9-11]。較長的半衰期和發(fā)射單能γ射線使其成為常用的理想校驗源[12-13]。此外，錳還是動植物體內(nèi)多種酶活性催化或激活所必需的微量元素[14]，常以+2、+3、+4價存在，參與蛋白質(zhì)、脂類和碳水化合物的代謝，是脫羧酶、水解酶、激酶等酶的輔助因子[15]。人體內(nèi)錳過量會導(dǎo)致記憶障礙、急性焦慮癥等癥狀，錳缺乏會導(dǎo)致生長障礙、中樞神經(jīng)失調(diào)等病癥[16]。54Mn常作為錳的放射性示蹤劑進行上述相關(guān)研究。如研究54Mn、65Zn等長半衰期核素在農(nóng)作物中的遷移積累對食品安全的影響[17]；利用54Mn研究錳穿透血腦屏障在腦部的聚積[18-19]、錳在動物器官中的運輸[20-22]、人體內(nèi)食物中錳的吸收和生物半衰期以及與錳相關(guān)的疾病研究等[23-27]；也有研究者利用54Mn研究錳在魚、牛等生物體內(nèi)的分布與作用[28-30]。

54Mn作為上述相關(guān)研究工作重要的放射性示蹤核素，國內(nèi)對其加速器制備的報道極少。因此，54Mn的加速器制備研究對我們國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義與價值。

國外報道中，加速器制備54Mn主要有以下方式：IRWIN等[31]用質(zhì)子輻照天然鉻、富集54Cr(80%)及氘核輻照天然鐵加速器制備54Mn，產(chǎn)額分別約為0.5、87、1.4 μCi/μA·h，核反應(yīng)為54Cr(p, n)54Mn，56Fe(d,α)54Mn； RUSSELL[32]利用質(zhì)子輻照富集54Cr(65%)制備54Mn，產(chǎn)額約為1.68 μCi/μA·h； Malgorzata等[15]利用α粒子輻照V2O5靶制備得到核純度為99.9%的54Mn，沒有報道其產(chǎn)額。由于鉻、鐵天然同位素較多，其中54Cr和56Fe的豐度分別為2.365%和91.754%，使用天然鉻或者鐵靶將生成較多的放射性雜質(zhì)，需要使用富集靶才能得到高產(chǎn)額和高核純度的54Mn。相比之下，采用天然豐度為99.75%的51V作為靶核則可避免使用昂貴的富集靶，并且生產(chǎn)成本低、產(chǎn)物核純度高。此外，根據(jù)文獻報道，從輻照釩靶中放化分離54Mn的方法也比較簡單，僅利用Dowex-50×8陽離子樹脂經(jīng)兩種不同淋洗劑淋洗即可得到核純度為99.9%、回收率為98.7%的54Mn。因此，本工作擬采用核反應(yīng)為51V (α, n)54Mn，并通過陽離子交換法放化分離54Mn。

本論文開展了在CS-30回旋加速器上用11.5 MeV的 α 粒子轟擊天然釩靶生產(chǎn)54Mn的工作，包括金屬釩靶的制備、釩靶的輻照、釩靶的溶解、釩-錳模擬分離、54Mn的放射化學(xué)分離。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料和儀器

高純金屬釩：99.99%，冠泰金屬材料有限公司；陽離子交換樹脂Dowex-50×8：50-100目，Sigma公司；硫酸錳(MnSO4·H2O)、無水乙醇、30%過氧化氫(H2O2)、硝酸(HNO3，質(zhì)量分數(shù)為65%～68%)、鹽酸(HCl，質(zhì)量分數(shù)為36%～38%)：分析純，成都市科龍化工試劑廠；所有溶液均由超純水配制。

CS-30回旋加速器：美國TCC公司；SPECTRO ARCOS型電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)：Perkin Elmer公司；FH463B型γ井型閃爍體探測器：北京核儀器公司；GEM30P4-76型高純鍺γ能譜儀：美國ORTEC公司；BS201S電子天平：德國Sartorius公司。

1.2 實驗方法

1.2.1釩靶的制備與輻照 根據(jù)CS-30回旋加速器靶室的要求，將高純度的天然金屬釩板直接加工得到規(guī)格為11 cm×2.8 cm×0.6 cm、質(zhì)地均勻致密且表面光滑的釩金屬靶襯底，同時作為接受α粒子輻照的靶件，金屬釩靶照片示于圖1。

釩靶的輻照：在CS-30回旋加速器上采用11.5 MeV的 α 粒子對釩靶進行輻照，束流強度為30 μA，粒子入射角度2°，輻照時間10.5 h，輻照后冷卻2個月。

1.2.2釩靶的溶解

(1) 模擬釩靶的溶解。用不同濃度的HCl和HNO3進行了金屬釩靶溶解條件研究，濃度分別約為1、3、6、12 mol/L HCl和1、3、6、14 mol/L HNO3。分別滴加約0.1 mL上述濃度的酸液至釩靶表面，根據(jù)溶解反應(yīng)的難易以及反應(yīng)劇烈程度確定所需使用的酸和濃度。經(jīng)過上述實驗確定利用6 mol/L HNO3對金屬釩進行溶解。

正面為受輻照的平面；背面凹槽為冷卻水通道 圖1 金屬釩靶 the front for irradiation; the reverse for water coolingFig.1 Metallic V target

(2) 輻照釩靶的溶解。為了減少未輻照部位金屬釩的共溶解，使用聚乙烯膠帶粘貼將未輻照部位密封，僅留出輻照部位用6 mol/L HNO3進行溶解，如圖2所示。在溶解過程中，為了確定是否將54Mn全部溶解下來，將溶解下來的溶液從靶表面轉(zhuǎn)移至燒杯后，通過伽馬輻射探測儀對靶進行放射性檢測，當放射性強度顯著降低至本底水平時溶解完成。

圖2 輻照釩靶的溶解Fig.2 Irradiated V target dissolution

1.2.354Mn的分離

釩-錳的模擬分離。用6 mol/L HNO3溶解100 mg金屬釩，再向溶解液中加入30.7 mg MnSO4·H2O，將溶解液定容至25 mL作為母液。取上述母液1 mL于燒杯中蒸干，再用5 mL 0.1 mol/L HCl溶液再溶解，作為模擬分離的料液。隨后將料液加載到經(jīng)0.1 mol/L HCl預(yù)處理的Dowex-50×8陽離子樹脂交換柱(100 m，Φ1 cm×3 cm)。根據(jù)文獻中的分離流程[15]，通過不同的淋洗液對釩、錳進行分離：首先，用35 mL 0.1 mol/L HCl-乙醇-3% H2O2混合溶液淋洗釩(其組成為：體積比5∶1的0.1 mol/L HCl和乙醇、約0.2 mL的3% H2O2)，再用20 mL 3 mol/L HCl解吸Mn。每5 mL淋洗液收集于EP管中，用于ICP-OES分析釩、錳的含量。

(2) 輻照釩靶的分離。輻照釩靶的放化分離流程與上述模擬實驗相同，采用井型閃爍體γ探測器測量放射性計數(shù)對54Mn進行測量。最后，用高純鍺γ譜儀對54Mn的淋洗組分進行γ能譜檢測分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 釩靶的輻照

51V(α, n)54Mn作為目標核反應(yīng)，其反應(yīng)閾能為2.5 MeV，根據(jù)51V (α, n)54Mn核反應(yīng)的激發(fā)函數(shù)，當入射 α 粒子的能量約為12 MeV時反應(yīng)截面達到最高值[34]。同時考慮為避免53Mn(T1/2=3.74×106y)的生成，最終選擇采用的α粒子能量為11.5 MeV。

2.2 釩靶的溶解

由于本工作使用的靶為金屬釩，關(guān)于金屬釩溶解的資料較少。為此，我們在室溫下用不同濃度的HCl(1、3、6、12 mol/L)和HNO3(1、3、6、14 mol/L)對金屬釩進行了溶解實驗，以確定適宜的溶解條件，溶解情況如圖3所示。結(jié)果證明所有濃度的HCl和1 mol/L的HNO3在90 min內(nèi)都幾乎不與金屬釩發(fā)生反應(yīng)；14 mol/L HNO3與金屬釩的反應(yīng)十分劇烈，生成黃煙并留下黑色殘渣；3 mol/L和6 mol/L HNO3均可與金屬釩發(fā)生較為溫和的反應(yīng)，但6 mol/L相比3 mol/L反應(yīng)速度更快。相比之下，確定了金屬釩靶HNO3溶解的較佳濃度條件為6 mol/L HNO3。

圖3 不同時間不同濃度 HCl和HNO3對金屬釩靶的溶解情況Fig.3 Dissolution of V target with different concentration of HCl and HNO3 at different time

2.3 釩靶的模擬分離

通過ICP-OES對收集的淋洗液進行元素含量分析，得到分離過程中釩、錳的淋洗曲線如圖4所示。通過0.1 mol/L HCl-乙醇-3% H2O2混合溶液淋洗分離釩，而錳保留在柱上經(jīng)3 mol/L HCl被解吸下來，錳的回收率約為90%。

圖4 釩、錳淋洗曲線Fig.4 Elution profiles of V and Mn

2.4 輻照釩靶的分離

輻照靶的放射化學(xué)分離與模擬實驗不同的是熱實驗過程中通過井型閃爍體γ探測器對54Mn的淋洗情況進行監(jiān)測，通過測量到的放射性計數(shù)反映54Mn的分離情況，得到54Mn的淋洗曲線如圖5所示。在3 mol/L HCl的淋洗下，54Mn從樹脂中被解吸出來，將所得到的54Mn源液測γ能譜，如圖6所示，γ能譜只含有54Mn的能譜峰(834.8 keV)，其放射性核純度達99.9%，總的放射性活度約為252 μCi，產(chǎn)額0.8 μCi/μA·h。由于最初考慮到避免53Mn的產(chǎn)生(核反應(yīng)閾能為12.1 MeV)而選擇了較低能量的入射α粒子(11.5 MeV)，導(dǎo)致本工作的產(chǎn)額值較低。但事實上，53Mn的半衰期極長，與54Mn相比它可以被視為穩(wěn)定核素，因此在不考慮生成53Mn的情況下，可以選擇更高的入射α粒子能量以提高產(chǎn)額。

圖5 54Mn淋洗曲線Fig.5 Elution profile of 54Mn

圖6 54Mn的伽馬能譜圖Fig.6 The γ energy spectra of 54Mn

3 結(jié)論

本文在CS-30回旋加速器上采用能量為11.5 MeV、束流強度為30 μA的 α 粒子轟擊天然釩靶10.5 h，通過51V(α, n)54Mn核反應(yīng)成功制備得到了放射性核素54Mn。確定了在室溫下利用6 mol/L HNO3進行金屬釩靶的溶解。經(jīng)陽離子交換分離得到了活度為252 μCi、核純度為99.9%的無載體54Mn，產(chǎn)額約為0.8 μCi/μA·h。由于國內(nèi)未見加速器制備54Mn工作的報道，因此本工作將填補國內(nèi)加速器制備54Mn相關(guān)研究空白，對國內(nèi)54Mn相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域的研究發(fā)展具有重要價值和意義。