常用穩(wěn)定同位素制劑的濃集及應(yīng)用

李公亮，周 濤，才月新，米亞靜，杜雪媛，吳靈美

（1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院 核技術(shù)應(yīng)用研究所，北京 102413；2.中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100013）

在和平利用原子能的事業(yè)中，核素的應(yīng)用是一個(gè)極為重要的方面，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用在物理、化學(xué)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、藥物、地質(zhì)年代學(xué)、環(huán)境科學(xué)、水文學(xué)、海洋學(xué)、空間科學(xué)以及國(guó)防、工農(nóng)業(yè)等科研和生產(chǎn)領(lǐng)域。其中穩(wěn)定同位素由于其自身優(yōu)良的核性質(zhì)，近年來(lái)備受關(guān)注，并得到了極大發(fā)展。

1 穩(wěn)定同位素的用途與濃集方法

1.1 用途

穩(wěn)定同位素早期主要用于核科學(xué)技術(shù)的研究，由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近年來(lái)其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，突出應(yīng)用在國(guó)防科技和航天事業(yè)中。

穩(wěn)定同位素在原子物理中的應(yīng)用之一，是研究光譜的同位素位移。穆斯鮑爾譜學(xué)是一個(gè)重要研究工具，有多種同位素可以用作穆斯鮑爾源，最常用的是57Fe。質(zhì)譜技術(shù)在化學(xué)研究中所用穩(wěn)定核素的品種相當(dāng)多，特別是同位素稀釋質(zhì)譜技術(shù)，因其精度高，廣泛用于痕量元素的測(cè)定。同位素比值為鑒定地球物理年齡提供了一種靈敏手段，這是因?yàn)槟承╅L(zhǎng)壽命核素是整個(gè)地球進(jìn)程中以同一速率變化的唯一的已知過(guò)程，目前最常用的年代測(cè)量是銣鍶法、釤釹法和鈾鉛法。雖然放射性同位素的標(biāo)記仍占有較大比重，但由于穩(wěn)定同位素有一些放射性同位素所不具備的特點(diǎn)，其應(yīng)用前景是不能低估的。它對(duì)揭示生命過(guò)程，人類(lèi)營(yíng)養(yǎng)、藥物代謝等過(guò)程的研究，顯示了引人注目的潛力。在核醫(yī)學(xué)方面，穩(wěn)定同位素主要用來(lái)制備高比活度放射性同位素和短壽命放射性同位素。用于臨床診斷和治療。近年來(lái)，由于加速器技術(shù)的進(jìn)步、臨床用的探測(cè)儀器的發(fā)展，穩(wěn)定同位素在核醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用更加廣泛，而且需要量越來(lái)越大，其中68Zn和203Tl目前已達(dá)到商用水平。

其它技術(shù)領(lǐng)域穩(wěn)定同位素也不斷地得到應(yīng)用，例如激光器用濃縮同位素可以改善單色性和提高增益，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是通信技術(shù)和空間技術(shù)的快速發(fā)展，使時(shí)間頻率已成為一種寶貴的戰(zhàn)略資源，建立獨(dú)立自主的時(shí)間頻率系統(tǒng)是國(guó)家的國(guó)防建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要保證。原子鐘是時(shí)間頻率系統(tǒng)核心技術(shù)，銣原子鐘是產(chǎn)量最大，應(yīng)用最廣的一種原子鐘，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工藝相對(duì)容易，具有體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格低的優(yōu)勢(shì)。短中期頻率穩(wěn)定性能很好，是星載首選的鐘型。本工作所研制的Rb同位素制劑87Rb作為原子鐘中光抽運(yùn)系統(tǒng)工作物質(zhì)，85Rb則起濾光作用。滿(mǎn)足了國(guó)內(nèi)科研和生產(chǎn)單位的需求，特別是為星載鐘的研制提供了核心材料。

1.2 穩(wěn)定同位素的濃集方法

穩(wěn)定同位素常用的分離方法一般可分為化學(xué)和物理方法：化學(xué)法又分為：電解法、蒸餾法、化學(xué)交換法；物理法分為氣體擴(kuò)散法、熱擴(kuò)散法、離心分離法、激光電磁分離法。

化學(xué)法中，電解法（部分統(tǒng)計(jì)法）的分離能力較弱；蒸餾法是利用兩種同位素的蒸汽壓不同來(lái)進(jìn)行分離的；化學(xué)交換法是基于兩種化合物接觸時(shí)同位素原子在兩種不同化合物間可以交換來(lái)進(jìn)行分離的，可以用于生產(chǎn)重水。

物理法中，氣體擴(kuò)散法是利用氣體的擴(kuò)散來(lái)進(jìn)行分離，其分離系數(shù)和同位素的質(zhì)量數(shù)有關(guān).一般情況下，氣體擴(kuò)散法、熱擴(kuò)散法和離心法對(duì)分離重元素有效；電解法、蒸餾法、交換法對(duì)分離輕元素有效；而介于輕、重元素之間的這部分元素多采用電磁法。

到目前為止，中國(guó)原子能科學(xué)研究院已用電磁法分離了62種穩(wěn)定元素中的55種元素的250種同位素。

2 電磁分離法的主要工藝流程

電磁法分離同位素的主要過(guò)程為：分離元素或其化合物在離子源坩堝中加熱，氣化后進(jìn)入放電室，中性氣體分子在電子轟擊下電離，并形成弧放電等離子體，外加電場(chǎng)將離子從等離子體發(fā)射面引出，離子束加速成形后進(jìn)入磁分析器，不同質(zhì)量的離子束分開(kāi)，相同質(zhì)量的離子束聚焦在像平面上；最后，同位素分別收集在接收口袋中，再用化學(xué)方法提取提純。

電磁分離器由主機(jī)部分和輔助系統(tǒng)組成。主機(jī)部分包括電磁鐵、離子源、接收器和分離室，輔助系統(tǒng)包括供電控制系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、真空系統(tǒng)。下面簡(jiǎn)單介紹一下主機(jī)部分。

2.1 電磁鐵

原子能院F－3分離器磁鐵重280t，磁極隙為40cm，偏轉(zhuǎn)角為180°，磁場(chǎng)強(qiáng)度0.3T。在均勻磁場(chǎng)中，偏轉(zhuǎn)180°后，不同離子的色散（分離后不同離子聚焦點(diǎn)之間的距離）為d。

式中ΔM為兩種同位素質(zhì)量數(shù)之差，對(duì)于原子能院正在運(yùn)行的大型分離器F－3，R＝170cm，若相對(duì)質(zhì)量差則色散為d＝1.7cm。

為了解決角像差對(duì)同位素生產(chǎn)的影響，F(xiàn)－3分離器利用條形墊片分析磁場(chǎng)，可聚焦離子束的張角。

2.2 離子源

離子源要滿(mǎn)足如下要求：能產(chǎn)生各種元素的離子束，束流大，聚焦好，能在強(qiáng)磁場(chǎng)、高真空、高溫度、帶電粒子轟擊和腐蝕氣體包圍氛圍下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。通常采用低壓弧放電型離子源，它可以提供幾十到幾百毫安的離子束（因元素而異）。

離子源包括弧放電、引出電極、供氣三個(gè)基本部分。其結(jié)構(gòu)示意圖示于圖1。

圖1 離子源

離子源是分離器核心部件，它涉及大束流的獲得、防打火技術(shù)以及結(jié)構(gòu)和材料的優(yōu)化與優(yōu)選。

1）合理選擇弧放電室尺寸（20mm×10mm×210mm），以獲得高濃度的弧放電等離子體。

2）小縫近弧引出技術(shù)，引出縫為2mm×120mm，弧柱與引出縫內(nèi)壁距離為0.5mm，以獲得較大的引出離子流。

3）安裝防打火的“PIG”板和內(nèi)、外雙層錐型罩，減少離子源高壓打火。

4）采用條形石墨聚焦電極代替不銹鋼電極，可耐離子轟擊，并減小電級(jí)區(qū)域氣阻，以減少電極之間打火。

5）采用高純石墨制作弧放電室、引出縫、坩堝及加熱爐筒等。

以上這些措施，對(duì)Zn、Fe、Cu、Rb等同位素的分離起到了重要作用。

2.3 接收器

接收器是分離器的另一個(gè)重要部件，對(duì)它的基本要求是可同時(shí)接收多個(gè)同位素，同位素相互沾污小，保持率高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。接收器主要由面板、口袋、擋門(mén)和可移動(dòng)的框架等組成，其結(jié)構(gòu)示意圖示于圖2。

圖2 接收器結(jié)構(gòu)示意圖

面板由高純石墨板制成，面板上有離子束通過(guò)的狹縫，狹縫尺寸由束的聚焦形狀決定，狹縫間距離由同位素色散決定。對(duì)F－3分離器，縫寬通常為8～10mm，高度為230mm。對(duì)于色散小的元素Pb，縫寬為4～5mm。

同位素的接收口袋主要由紫銅或高純石墨制作，袋口尺寸與面板狹縫對(duì)應(yīng)，并大于縫口尺寸，袋深100mm?？诖鼈?cè)面和底部設(shè)置水冷管，以防止已沉積在袋內(nèi)的同位素蒸發(fā)損失。

面板前設(shè)置擋門(mén)，以防止同位素沾污，正常運(yùn)行時(shí)，擋門(mén)打開(kāi)，擋門(mén)由石墨制成。

擋門(mén)、面板、口袋、框架之間互相絕緣，并接入電流表測(cè)量離子束流，根據(jù)各表的電流值，檢測(cè)束流的聚焦情況。

2.4 分離室

分離室是一個(gè)大型的設(shè)備，原子能院F－3分離室的外形尺寸為4 500mm×2 520mm×580mm長(zhǎng)方形盒，內(nèi)部空間為4 390mm×2 410mm×400mm，真空室的真空度好于4×10－3Pa，分離室真空密封性能要好，總的漏氣率小于1.33L·Pa／s。

3 電磁法同位素制劑的濃集工藝

3.1 采用電磁分離法分離同位素的工藝流程分3個(gè)階段

1）準(zhǔn)備階段：制備工作物質(zhì)；離子源和接收器零部件的修理、清洗、烘干；組裝離子源和接收器。

2）分離階段：將離子源、接收器安裝到真空室上，抽真空室至4×10－3Pa，而后進(jìn)行分離操作運(yùn)行。工作一個(gè)周期（工作物質(zhì)用完或離子源頻繁打火等）后更換離子源，開(kāi)始新的分離過(guò)程。

3）提取純化階段：待接收口袋收集到一定量后，卸下接收器口袋，從口袋中提取同位素。提取的方法因收集袋的材料不同而異。銅口袋用酸洗法，石墨口袋用刮削法。根據(jù)同位素的特性與所含雜質(zhì)，作相應(yīng)的化學(xué)提純和工藝處理，制成需要的產(chǎn)品化學(xué)形態(tài)。最后進(jìn)行質(zhì)譜分析，確定產(chǎn)品的同位素豐度。必要時(shí)應(yīng)作雜質(zhì)分析。雜質(zhì)含量通常小于1%。

3.2 電磁分離器的主要運(yùn)行參數(shù)及分離效果

對(duì)Rb、Fe、Cu、Zn等元素的同位素分離，分離器的主要運(yùn)行參數(shù)列于表1?！笆晃濉逼陂g，中國(guó)原子能科學(xué)研究院電磁分離器主要承擔(dān)了5種無(wú)機(jī)同位素的分離任務(wù)，其分離結(jié)果也列于表1中。

表1 幾種元素同位素運(yùn)行參數(shù)

在同位素分離過(guò)程中，離子源打火較多，易造成同位素沾污和離子源部件損壞，運(yùn)行時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制離子源參數(shù)，使其處于最佳接收狀態(tài)。

例如：在分離銅時(shí)，曾選用CuCl2作為工作物質(zhì)，但工作一個(gè)周期后，離子源和真空室的腐蝕十分嚴(yán)重，無(wú)法繼續(xù)使用，后改用CuCl后腐蝕情況明顯改善，分離效果明顯提高，63Cu、65Cu的豐度分別達(dá)到99.7%和99.6%。

4 結(jié) 語(yǔ)

電磁法是國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)確認(rèn)的用于同位素分離的最有效的方法之一。英、法、德等國(guó)也都具有使用電磁法開(kāi)展特殊用途同位素的分離與應(yīng)用的技術(shù)能力。我國(guó)應(yīng)該加速發(fā)展電磁法技術(shù)，滿(mǎn)足國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)需要。

［1］ 張煒明.穩(wěn)定核素的應(yīng)用［J］.北京：科學(xué)出版社，1983.

［2］ 肖嘯菴.同位素分離［M］.北京：原子能出版社，1999：367.

［3］ 茅乃豐，呂洪猷，廖少華.F－3J電磁分離器磁墊片改進(jìn)的物理設(shè)計(jì)（Ⅱ）：墊片試驗(yàn)及離子光學(xué)參數(shù)的確定［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，1976，4：318－331.