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.中國計量科學(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，近年來其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，突出應(yīng)用在國防科技和航天事業(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，這是因為某些長壽命核素是整個地球進(jìn)程中以同一速率變化的唯一的已知過程，目前最常用的年代測量是銣鍶法、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，其應(yīng)用前景是不能低估的。它對揭示生命過程，人類營養(yǎng)、藥物代謝等過程的研究，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，由于加速器技術(shù)的進(jìn)步、臨床用的探測儀器的發(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，使時間頻率已成為一種寶貴的戰(zhàn)略資源，建立獨立自主的時間頻率系統(tǒng)是國家的國防建設(shè)和經(jīng)濟發(fā)展重要保證。原子鐘是時間頻率系統(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)簡單，制造工藝相對容易，具有體積小、質(zhì)量輕、價格低的優(yōu)勢。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系統(tǒng)工作物質(zhì)，85Rb則起濾光作用。滿足了國內(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；物理法分為氣體擴散法、熱擴散法、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進(jìn)行分離的；化學(xué)交換法是基于兩種化合物接觸時同位素原子在兩種不同化合物間可以交換來進(jìn)行分離的，可以用于生產(chǎn)重水。

物理法中，氣體擴散法是利用氣體的擴散來進(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，氣體擴散法、熱擴散法和離心法對分離重元素有效；電解法、蒸餾法、交換法對分離輕元素有效；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，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。

電磁分離器由主機部分和輔助系統(tǒng)組成。主機部分包括電磁鐵、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)。下面簡單介紹一下主機部分。

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°，磁場強度0.3T。在均勻磁場中，偏轉(zhuǎn)180°后，不同離子的色散（分離后不同離子聚焦點之間的距離）為d。

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

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

2.2 離子源

離子源要滿足如下要求：能產(chǎn)生各種元素的離子束，束流大，聚焦好，能在強磁場、高真空、高溫度、帶電粒子轟擊和腐蝕氣體包圍氛圍下長時間穩(wěn)定運行。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重要部件，對它的基本要求是可同時接收多個同位素，同位素相互沾污小，保持率高，運行穩(wěn)定可靠。接收器主要由面板、口袋、擋門和可移動的框架等組成，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F－3分離器，縫寬通常為8～10mm，高度為230mm。對于色散小的元素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，以防止同位素沾污，正常運行時，擋門打開，擋門由石墨制成。

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

2.4 分離室

分離室是一個大型的設(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)行分離操作運行。工作一個周期（工作物質(zhì)用完或離子源頻繁打火等）后更換離子源，開始新的分離過程。

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行參數(shù)及分離效果

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

表1 幾種元素同位素運行參數(shù)

在同位素分離過程中，離子源打火較多，易造成同位素沾污和離子源部件損壞，運行時應(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，曾選用CuCl2作為工作物質(zhì)，但工作一個周期后，離子源和真空室的腐蝕十分嚴(yán)重，無法繼續(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

電磁法是國際原子能機構(gòu)確認(rèn)的用于同位素分離的最有效的方法之一。英、法、德等國也都具有使用電磁法開展特殊用途同位素的分離與應(yīng)用的技術(shù)能力。我國應(yīng)該加速發(fā)展電磁法技術(shù)，滿足國民經(jīng)濟建設(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（Ⅱ）：墊片試驗及離子光學(xué)參數(shù)的確定［J］.原子能科學(xué)技術(shù)，1976，4：318－331.