CS-30回旋加速器制备放射性核素54Mn

胡映江，林 鹏，单陈瑜，李丽丽，马 欢，高 靖， 杨远友，刘 宁，廖家莉，杨吉军

(1.四川大学 原子核科学技术研究所，辐射物理及技术教育部重点实验室，成都 610064； 2.中广核研究院有限公司，深圳 518026)

54Mn，半衰期为312.6 d，经电子俘获衰变并发射能量为834.8 keV的γ射线(分支比为99.98%)[1-2]，是反应堆或加速器结构材料的主要放射性活化产物[3-4]，除此之外环境中的54Mn也来源于核爆等核试验活动[5]。由于54Mn具有较长的半衰期和较高的γ射线能量，因此它成为核设施日常监测、核燃料循环过程及环境辐射安全管理中重点关注的核素之一[6-8]。近年来，随着同位素技术的不断发展，54Mn还被大量应用于医学、农业、材料、核探测和地球化学迁移等方面的研究[9-11]。较长的半衰期和发射单能γ射线使其成为常用的理想校验源[12-13]。此外，锰还是动植物体内多种酶活性催化或激活所必需的微量元素[14]，常以+2、+3、+4价存在，参与蛋白质、脂类和碳水化合物的代谢，是脱羧酶、水解酶、激酶等酶的辅助因子[15]。人体内锰过量会导致记忆障碍、急性焦虑症等症状，锰缺乏会导致生长障碍、中枢神经失调等病症[16]。54Mn常作为锰的放射性示踪剂进行上述相关研究。如研究54Mn、65Zn等长半衰期核素在农作物中的迁移积累对食品安全的影响[17]；利用54Mn研究锰穿透血脑屏障在脑部的聚积[18-19]、锰在动物器官中的运输[20-22]、人体内食物中锰的吸收和生物半衰期以及与锰相关的疾病研究等[23-27]；也有研究者利用54Mn研究锰在鱼、牛等生物体内的分布与作用[28-30]。

54Mn作为上述相关研究工作重要的放射性示踪核素，国内对其加速器制备的报道极少。因此，54Mn的加速器制备研究对我们国内相关领域的发展具有重要意义与价值。

国外报道中，加速器制备54Mn主要有以下方式：IRWIN等[31]用质子辐照天然铬、富集54Cr(80%)及氘核辐照天然铁加速器制备54Mn，产额分别约为0.5、87、1.4 μCi/μA·h，核反应为54Cr(p, n)54Mn，56Fe(d,α)54Mn； RUSSELL[32]利用质子辐照富集54Cr(65%)制备54Mn，产额约为1.68 μCi/μA·h； Malgorzata等[15]利用α粒子辐照V2O5靶制备得到核纯度为99.9%的54Mn，没有报道其产额。由于铬、铁天然同位素较多，其中54Cr和56Fe的丰度分别为2.365%和91.754%，使用天然铬或者铁靶将生成较多的放射性杂质，需要使用富集靶才能得到高产额和高核纯度的54Mn。相比之下，采用天然丰度为99.75%的51V作为靶核则可避免使用昂贵的富集靶，并且生产成本低、产物核纯度高。此外，根据文献报道，从辐照钒靶中放化分离54Mn的方法也比较简单，仅利用Dowex-50×8阳离子树脂经两种不同淋洗剂淋洗即可得到核纯度为99.9%、回收率为98.7%的54Mn。因此，本工作拟采用核反应为51V (α, n)54Mn，并通过阳离子交换法放化分离54Mn。

本论文开展了在CS-30回旋加速器上用11.5 MeV的 α 粒子轰击天然钒靶生产54Mn的工作，包括金属钒靶的制备、钒靶的辐照、钒靶的溶解、钒-锰模拟分离、54Mn的放射化学分离。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料和仪器

高纯金属钒：99.99%，冠泰金属材料有限公司；阳离子交换树脂Dowex-50×8：50-100目，Sigma公司；硫酸锰(MnSO4·H2O)、无水乙醇、30%过氧化氢(H2O2)、硝酸(HNO3，质量分数为65%～68%)、盐酸(HCl，质量分数为36%～38%)：分析纯，成都市科龙化工试剂厂；所有溶液均由超纯水配制。

CS-30回旋加速器：美国TCC公司；SPECTRO ARCOS型电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)：Perkin Elmer公司；FH463B型γ井型闪烁体探测器：北京核仪器公司；GEM30P4-76型高纯锗γ能谱仪：美国ORTEC公司；BS201S电子天平：德国Sartorius公司。

1.2 实验方法

1.2.1钒靶的制备与辐照 根据CS-30回旋加速器靶室的要求，将高纯度的天然金属钒板直接加工得到规格为11 cm×2.8 cm×0.6 cm、质地均匀致密且表面光滑的钒金属靶衬底，同时作为接受α粒子辐照的靶件，金属钒靶照片示于图1。

钒靶的辐照：在CS-30回旋加速器上采用11.5 MeV的 α 粒子对钒靶进行辐照，束流强度为30 μA，粒子入射角度2°，辐照时间10.5 h，辐照后冷却2个月。

1.2.2钒靶的溶解

(1) 模拟钒靶的溶解。用不同浓度的HCl和HNO3进行了金属钒靶溶解条件研究，浓度分别约为1、3、6、12 mol/L HCl和1、3、6、14 mol/L HNO3。分别滴加约0.1 mL上述浓度的酸液至钒靶表面，根据溶解反应的难易以及反应剧烈程度确定所需使用的酸和浓度。经过上述实验确定利用6 mol/L HNO3对金属钒进行溶解。

正面为受辐照的平面；背面凹槽为冷却水通道 图1 金属钒靶 the front for irradiation; the reverse for water coolingFig.1 Metallic V target

(2) 辐照钒靶的溶解。为了减少未辐照部位金属钒的共溶解，使用聚乙烯胶带粘贴将未辐照部位密封，仅留出辐照部位用6 mol/L HNO3进行溶解，如图2所示。在溶解过程中，为了确定是否将54Mn全部溶解下来，将溶解下来的溶液从靶表面转移至烧杯后，通过伽马辐射探测仪对靶进行放射性检测，当放射性强度显著降低至本底水平时溶解完成。

图2 辐照钒靶的溶解Fig.2 Irradiated V target dissolution

1.2.354Mn的分离

钒-锰的模拟分离。用6 mol/L HNO3溶解100 mg金属钒，再向溶解液中加入30.7 mg MnSO4·H2O，将溶解液定容至25 mL作为母液。取上述母液1 mL于烧杯中蒸干，再用5 mL 0.1 mol/L HCl溶液再溶解，作为模拟分离的料液。随后将料液加载到经0.1 mol/L HCl预处理的Dowex-50×8阳离子树脂交换柱(100 m，Φ1 cm×3 cm)。根据文献中的分离流程[15]，通过不同的淋洗液对钒、锰进行分离：首先，用35 mL 0.1 mol/L HCl-乙醇-3% H2O2混合溶液淋洗钒(其组成为：体积比5∶1的0.1 mol/L HCl和乙醇、约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分析钒、锰的含量。

(2) 辐照钒靶的分离。辐照钒靶的放化分离流程与上述模拟实验相同，采用井型闪烁体γ探测器测量放射性计数对54Mn进行测量。最后，用高纯锗γ谱仪对54Mn的淋洗组分进行γ能谱检测分析。

2 结果与讨论

2.1 钒靶的辐照

51V(α, n)54Mn作为目标核反应，其反应阈能为2.5 MeV，根据51V (α, n)54Mn核反应的激发函数，当入射 α 粒子的能量约为12 MeV时反应截面达到最高值[34]。同时考虑为避免53Mn(T1/2=3.74×106y)的生成，最终选择采用的α粒子能量为11.5 MeV。

2.2 钒靶的溶解

由于本工作使用的靶为金属钒，关于金属钒溶解的资料较少。为此，我们在室温下用不同浓度的HCl(1、3、6、12 mol/L)和HNO3(1、3、6、14 mol/L)对金属钒进行了溶解实验，以确定适宜的溶解条件，溶解情况如图3所示。结果证明所有浓度的HCl和1 mol/L的HNO3在90 min内都几乎不与金属钒发生反应；14 mol/L HNO3与金属钒的反应十分剧烈，生成黄烟并留下黑色残渣；3 mol/L和6 mol/L HNO3均可与金属钒发生较为温和的反应，但6 mol/L相比3 mol/L反应速度更快。相比之下，确定了金属钒靶HNO3溶解的较佳浓度条件为6 mol/L HNO3。

图3 不同时间不同浓度 HCl和HNO3对金属钒靶的溶解情况Fig.3 Dissolution of V target with different concentration of HCl and HNO3 at different time

2.3 钒靶的模拟分离

通过ICP-OES对收集的淋洗液进行元素含量分析，得到分离过程中钒、锰的淋洗曲线如图4所示。通过0.1 mol/L HCl-乙醇-3% H2O2混合溶液淋洗分离钒，而锰保留在柱上经3 mol/L HCl被解吸下来，锰的回收率约为90%。

图4 钒、锰淋洗曲线Fig.4 Elution profiles of V and Mn

2.4 辐照钒靶的分离

辐照靶的放射化学分离与模拟实验不同的是热实验过程中通过井型闪烁体γ探测器对54Mn的淋洗情况进行监测，通过测量到的放射性计数反映54Mn的分离情况，得到54Mn的淋洗曲线如图5所示。在3 mol/L HCl的淋洗下，54Mn从树脂中被解吸出来，将所得到的54Mn源液测γ能谱，如图6所示，γ能谱只含有54Mn的能谱峰(834.8 keV)，其放射性核纯度达99.9%，总的放射性活度约为252 μCi，产额0.8 μCi/μA·h。由于最初考虑到避免53Mn的产生(核反应阈能为12.1 MeV)而选择了较低能量的入射α粒子(11.5 MeV)，导致本工作的产额值较低。但事实上，53Mn的半衰期极长，与54Mn相比它可以被视为稳定核素，因此在不考虑生成53Mn的情况下，可以选择更高的入射α粒子能量以提高产额。

图5 54Mn淋洗曲线Fig.5 Elution profile of 54Mn

图6 54Mn的伽马能谱图Fig.6 The γ energy spectra of 54Mn

3 结论

本文在CS-30回旋加速器上采用能量为11.5 MeV、束流强度为30 μA的 α 粒子轰击天然钒靶10.5 h，通过51V(α, n)54Mn核反应成功制备得到了放射性核素54Mn。确定了在室温下利用6 mol/L HNO3进行金属钒靶的溶解。经阳离子交换分离得到了活度为252 μCi、核纯度为99.9%的无载体54Mn，产额约为0.8 μCi/μA·h。由于国内未见加速器制备54Mn工作的报道，因此本工作将填补国内加速器制备54Mn相关研究空白，对国内54Mn相关应用领域的研究发展具有重要价值和意义。