17 ноября 2020

Успешно испытан высокоэффективный ионный источник для получения радионуклидов высокой чистоты

ПИЯФ ПИЯФ

На лазерно-ядерном комплексе ИРИС в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ в рамках программы исследования короткоживущих удаленных ядер, а также производства медицинских радионуклидов на строящемся в Институте радиоизотопном комплексе РИЦ-80 разработан, изготовлен и успешно испытан высокоэффективный ионный источник поверхностной и лазерной ионизации. Научные итоги работы опубликованы в журнале Nuclear Instruments and Methods in Physics Research.

«В настоящее время активно внедряется метод получения медицинских радиоизотопов с применением электромагнитных масс-сепараторов - эта методика позволяет достичь высокой степени чистоты получаемых радионуклидов, - рассказывает старший научный сотрудник Лаборатории короткоживущих ядер Отделения физики высоких энергий Максим Селиверстов. - В НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ на пучке синхроциклотрона СЦ-1000 в режиме on-line в течение более 45 лет успешно функционирует масс-сепараторный лазерно-ядерный комплекс ИРИС (Исследование Радиоактивных Изотопов на Синхроциклотроне). Эффективность работы данного комплекса в значительной мере определяется эффективностью работы используемого ионного источника (ионизатора) – устройства, позволяющего получить необходимые радиоизотопы в форме однозарядных ионов, что позволяет формировать и управлять пучками радиоактивных изотопов с помощью электромагнитных устройств различных типов. Нашей основной задачей являлось повышение эффективности источника поверхностной ионизации без изменения его геометрических размеров, что позволило более чем на порядок повысить выходы получаемых радионуклидов».

Многие радионуклиды, использующиеся в медицинских целях, обладают сравнительно низким потенциалом ионизации и в этих случаях наиболее простым и надёжным способом ионизации является ионизация на внутренней поверхности ионного источника (поверхностная ионизация), нагретого до высокой температуры. Поэтому ионизаторы изготавливаются из тугоплавких металлов, таких как вольфрам (W), тантал (Ta, Re) и др. Для элементов с низким потенциалом ионизации (например, щелочные металлы) возможно достичь почти 100%-ной эффективности ионизации, однако для большинства элементов эффективность «стандартного» ионизатора из поликристаллического вольфрама или тантала будет значительно ниже. Например, для таллия (Tl) эта величина порядка одного процента.

Чтобы добиться высокой эффективности ионизации для широкого спектра элементов, необходимо учитывать то, что помимо температуры важным фактором, определяющим эффективность ионного источника, являются физико-химические свойства материала ионизатора, а именно, работа выхода электронов из материала ионизатора. Этот параметр характеризует то, насколько эффективно атомы могут ионизоваться на поверхности ионизатора. Таким образом, материал для высокоэффективного ионного источника должен обладать высокой работой выхода, высокой температурой плавления и его механические свойства при высоких температурах должны обеспечивать необходимую структурную стабильность в течение длительного периода времени.

Коллективом научных сотрудников Лаборатории короткоживущих ядер Отделения физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ (В.Н. Пантелеев, А.Е. Барзах, Л.Х. Батист, Д.В. Фёдоров, В.С. Иванов, Ф.В. Мороз, П.Л. Молканов, С.Ю. Орлов, М.Д. Селиверстов, Ю.М. Волков) в сотрудничестве с НПО «Луч» был создан прототип ионного источника из монокристаллического вольфрама. Источник этого типа обладает повышенной эффективностью благодаря  анизотропии свойств монокристалла, в результате чего внутренняя поверхность трубки ионного источника имеет значительно более высокую работу выхода (~ 5 эВ) по сравнению с поликристаллическим вольфрамом (4.5 эВ).

Ионный источник был испытан на лазерно-ядерном комплексе ИРИС. Эксперименты показали, что для элементов со средним или высоким потенциалом ионизации наблюдается значительное увеличение эффективности ионизации по сравнению со «стандартными» источниками поверхностной ионизации. Так, для таллия (Tl) наблюдалось 10-кратное увеличение эффективности по сравнению с ионизаторами с теми же геометрическими и температурными параметрами, но изготовленными из поликристаллического вольфрама. Также можно отметить то, что наблюдалась поверхностная ионизация висмута, которая невозможна в «стандартных» источниках поверхностной ионизации.

В экспериментах с висмутом на масс-сепараторе ИРИС было показано, что разработанный ионизатор может быть также применён в режиме лазерного ионного источника. В этом случае ионизация происходит во внутреннем объёме ионного источника с помощью излучения импульсных лазеров, настроенных в резонанс с частотами оптических переходов в выбранной схеме фотоионизации. Помимо высокой эффективности этот метод позволяет достичь высокой селективности ионизации, т.к. схема фотоионизации индивидуальна для каждого элемента.

В НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ разработана программа развития медицины. Помимо протонной терапии, она включает в себя программу развития производства радионуклидов для целей диагностики и терапии – в частности, строительство масс-сепаратора на одной из мишенных станций комплекса РИЦ-80 на циклотроне Ц-80, а также масс-сепараторного лазерно-ядерного комплекса ИРИНА (Исследование Радиоактивных Изотопов на НейтронАх) на реакторе ПИК для фундаментальных исследований физики ядра, а также разработки новых методов получения радионуклидов для медицины.

Петербургский институт ядерной физики имени Б.П.Константинова (ПИЯФ) был основан в 1956 году как филиал знаменитого Ленинградского физтеха и в 1971 году стал уже самостоятельным институтом, носящим имя своего основателя. В институте проводятся фундаментальные научные исследования в области физики элементарных частиц и высоких энергий, ядерной физики, физики конденсированных сред, молекулярной и радиационной биофизики. Кроме того, ведутся исследования в прикладных областях, где применение самых передовых научных решений приводит к принципиально новым разработкам в области приборостроения, медицины и экологии. В институте действуют две базовых экспериментальных установки - реактор ВВР-М и протонный ускоритель. В настоящее время ПИЯФ организационно подчинён Курчатовскому институту