JP2020160001A

JP2020160001A - ジルコニウムの製造方法

Info

Publication number: JP2020160001A
Application number: JP2019062514A
Authority: JP
Inventors: 亮太井村; Ryota Imura
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2019-03-28
Publication date: 2020-10-01

Abstract

【課題】イットリウムターゲットを保持する治具の放射化を抑制して、ジルコニウムの製造を効率よく行うこと。【解決手段】イットリウムからなるターゲットを治具に保持し、ターゲットに陽子線を照射することによってジルコニウムを製造するジルコニウムの製造方法であって、治具を構成する材料の主成分となる元素が第６周期元素である場合、陽子線の進行方向に沿ったターゲットの厚さが０．４ｍｍ以上であり、治具を構成する材料の主成分となる元素が第４周期元素または第５周期元素である場合、陽子線の進行方向に沿ったターゲットの厚さが０．８ｍｍ以上である。【選択図】図４

Description

本発明は、イットリウムから放射性ジルコニウムを製造するジルコニウムの製造方法に関する。

従来、放射性ジルコニウムは、医用イメージングに有効な放射性同位元素であることが知られている。そのため、放射性ジルコニウムの製造方法および精製方法の確立が求められている。製造方法としては、イットリウム（Ｙ）ターゲットに対して陽子線を照射する方法が知られている（特許文献１参照）。陽子線を用いた製造方法においては、数百ミリグラム単位のイットリウム中に、数十〜数百ナノグラム単位の微量の放射性ジルコニウムが生成される。イットリウムからジルコニウムを製造する際の核反応としては、以下の（１）式に示すように、イットリウム（⁸⁹Ｙ）に１つの陽子（ｐ）が入射されることで１つの中性子（ｎ）が弾き出される、（ｐ，ｎ）反応が利用される。
⁸⁹Ｙ（ｐ，ｎ）⁸⁹Ｚｒ ……（１）

ところが、陽子線のエネルギーによっては、副反応として（ｐ，２ｎ）反応や（ｐ，ｐｎ）反応などが発生する場合がある。（ｐ，２ｎ）反応では、以下の（２）式に示すように、イットリウム（⁸⁹Ｙ）に１つの陽子（ｐ）が入射されて２つの中性子（ｎ）が弾き出され、ジルコニウム８８（⁸⁸Ｚｒ）が生成される。（ｐ，ｐｎ）反応では、以下の（３）式に示すように、イットリウム８９（⁸⁹Ｙ）に１つの陽子（ｐ）が入射されて１つの陽子（ｐ）および１つの中性子（ｎ）が弾き出され、イットリウム８８（⁸⁸Ｙ）が生成される。すなわち、⁸⁹Ｚｒの生成において、陽子線のエネルギーによっては、ジルコニウム８８（⁸⁸Ｚｒ）やイットリウム８８（⁸⁸Ｙ）などの不純物放射性核種が生成される可能性がある。
⁸⁹Ｙ（ｐ，２ｎ）⁸⁸Ｚｒ ……（２）
⁸⁹Ｙ（ｐ，ｐｎ）⁸⁸Ｙ ………（３）

そこで、不純物放射性核種の生成を抑制する方法として、陽子線のエネルギーを１４ＭｅＶ以下にする方法が提案された（非特許文献１参照）。イットリウムターゲットに照射する陽子線のエネルギーを１４ＭｅＶ以下にすることによって、選択的に（ｐ，ｎ）反応のみを発生させることができる。そのため、ジルコニウム８９（⁸⁹Ｚｒ）の製造においては、陽子線照射装置であるサイクロトロンから発生した陽子線を減衰機構に透過させ、陽子線のエネルギーを１４ＭｅＶに減衰させてから、イットリウムターゲットに照射することが行われる。

特開２０１６−０６５８６７号公報特開２０１８−１２３３７２号公報

A. Lake Wooten et al. "Routine Production of 89Zr Using an Automated Module", Appl. Sci. 2013, 3, 593-613

しかしながら、本発明者が上述した従来技術について検討を行ったところ、陽子線が照射されるイットリウムからなるターゲットを保持するための治具において、放射化が大きくなるという問題があることを知見した。ターゲットを保持する治具は、一般的に繰り返し使用される。また、治具に対してターゲットを取り付けたり、ターゲットを保持した治具をジルコニウム８９（⁸⁹Ｚｒ）の製造装置に取り付けたりする場合には、作業者が手動で行うのが一般的である。そのため、治具を取り扱う作業者の被ばく量を最小限にするため、治具の放射能が十分に減衰するまで所定時間以上保管してから、再び使用する方法が考えられる。ところが、治具を所定時間以上保管するためには、必要となる治具の数が多くなり、厳重な管理が必要な保管場所を広く確保する必要が生じる。そのため、治具の放射化自体を抑制しつつ、ジルコニウム８９（⁸⁹Ｚｒ）を効率よく製造する方法が望まれていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、イットリウムからなるターゲットを保持する治具の放射化を抑制して、ジルコニウム８９（⁸⁹Ｚｒ）の製造を効率よく行うことができるジルコニウムの製造方法を提供することにある。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るジルコニウムの製造方法は、治具に保持されたイットリウムを含むターゲットに陽子線を照射することによってジルコニウムを製造するジルコニウムの製造方法であって、前記治具を構成する材料の主成分となる元素が第４周期元素または第５周期元素である場合、前記陽子線の進行方向に沿った前記ターゲットの厚さが０．８ｍｍ以上であり、前記治具を構成する材料の主成分となる元素が第６周期元素である場合、前記陽子線の進行方向に沿った前記ターゲットの厚さが０．４ｍｍ以上であることを特徴とする。

本発明に係るジルコニウムの製造方法は、上記の発明において、前記第４周期元素が、銅であり、前記第５周期元素が、ニオブ、ロジウム、パラジウム、および銀からなる群より選ばれた少なくとも１種類であり、前記第６周期元素が、タンタル、タングステン、レニウム、イリジウム、白金、および金からなる群より選ばれた少なくとも１種類であることを特徴とする。

本発明に係るジルコニウムの製造方法は、上記の発明において、前記イットリウムを含むターゲットが金属イットリウムからなり、前記金属イットリウムに対して、ダイヤモンドブレードまたは硬質微粉末が担持されたブレードを用いて加工を行うことにより、前記ターゲットを製造することを特徴とする。

本発明に係るジルコニウムの製造方法によれば、陽子線の進行方向に沿ったターゲット厚さを所定厚さ以上にしていることにより、陽子線エネルギーがターゲット内で十分に低下するため、治具の（ｐ，ｎ）反応を抑制することができる。よってイットリウムからなるターゲットを保持する治具の放射化を抑制して、ジルコニウム８９（⁸⁹Ｚｒ）の製造を効率よく行うことが可能になる。

図１は、本発明の一実施形態によるジルコニウムの製造装置を示す模式図である。図２は、本発明の一実施形態によるジルコニウムの製造方法において、治具のγ線スペクトルを示すグラフである。図３は、図２に示す囲み部を拡大したγ線スペクトルを示すグラフである。図４は、本発明の一実施形態によるジルコニウムの製造方法において、イットリウムからなるターゲットの厚さに対する放射能比を示すグラフである。図５は、本発明の一実施形態によるジルコニウムの製造方法において、治具を構成する材料の主成分ごとの、（ｐ，ｎ）反応断面積が１００ｍｂとなる陽子線エネルギーを示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。なお、以下の実施形態の全図においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。また、本発明は以下に説明する実施形態によって限定されるものではない。

まず、本発明の一実施形態によるジルコニウムの製造装置について説明する。図１は、一実施形態によるジルコニウム（⁸⁹Ｚｒ）の製造装置を示す模式図である。図１に示すように、ジルコニウム（⁸⁹Ｚｒ）の製造装置１０は、陽子線照射装置１１、エネルギー減衰板１２、および冷却機構１３を備える。陽子線照射装置１１は、例えばサイクロトロン、シンクロトロン、または線形加速器などから構成され、加速された陽子を陽子線Ｌ_pとして出射可能に構成される。エネルギー減衰板１２は、陽子線Ｌ_pの出射エネルギーを減衰させるためのエネルギー減衰手段であって、通過する陽子線Ｌ_pのエネルギー（以下、陽子線エネルギー）を、１３ＭｅＶ以上１５ＭｅＶ以下の例えば１４ＭｅＶにまで減衰可能に構成される。

冷却機構１３は、ターゲット１を保持した治具２を、陽子線Ｌ_pが照射される位置に固定可能に構成されている。冷却機構１３の内部では、冷媒１３ａを流動させることができる。冷却機構１３は、治具２を冷媒１３ａによって冷却可能に構成され治具２の設置部分に低温の冷媒１３ａが供給されて、治具２が冷却されてターゲット１が冷却される。一方、治具２からの伝熱により昇温された冷媒１３ａは、外部に排出されて冷却される。冷媒１３ａとしては、一般に水が使用されるが、他にも不凍液（ＬＬＣ）や、液体ヘリウム、金属ナトリウムなどを用いることもできる。

ジルコニウム（⁸⁹Ｚｒ）の製造装置１０においては、ターゲット１を保持した治具２を冷却機構１３の照射側の面に取り付けた後、ターゲット１に陽子線Ｌ_pを照射するように構成される。ターゲット１に陽子線Ｌ_pを照射することにより、⁸⁹Ｙから⁸⁹Ｚｒが生成される一方、ターゲット１からは核反応によって高速中性子５が生じる。生じた高速中性子５は、陽子線のような荷電粒子と比べるとその飛程は長く、治具２を貫通する。

（ジルコニウムの製造方法）
次に、本発明の一実施形態によるジルコニウム（⁸⁹Ｚｒ）の製造方法について説明する。まず、上述のように構成されたジルコニウム（⁸⁹Ｚｒ）の製造装置１０において生じる問題点について説明する。すなわち、従来の⁸⁹Ｚｒの製造においては、ターゲット１に対する陽子線Ｌ_pの照射によって治具２が放射化するという問題があった。そこで、本発明者は、上述した⁸⁹Ｚｒの製造における治具の放射化の問題を解決するために種々実験および鋭意検討を行った。以下にその概要を説明する。

まず、本発明者は、治具２の放射化の原因について実験および検討を行った。本発明者は、イットリウムからなる厚さが０．５ｍｍのターゲット１を、白金イリジウム合金（ＰｔＩｒ）からなる治具２に取り付けた。その後、上述したジルコニウム（⁸⁹Ｚｒ）の製造装置１０を用いて、ターゲット１に陽子線Ｌ_pを照射した。この場合、ターゲット１においては、上述した（１）式に従って、⁸⁹Ｙから⁸⁹Ｚｒが生成されるとともに、陽子線Ｌ_pおよび高速中性子５によって治具２においても核反応が発生して放射化される。本発明者は、放射化した治具２に対して、ゲルマニウム（Ｇｅ）検出器を用いて、生成した放射性核種の同定を行った。図２は、γ線スペクトルを示すグラフである。図３は、図２に示す囲み部を拡大したグラフである。

図２から、放射化された治具２から種々の放射性核種が検出されていることが分かる。また、図３から、放射性核種として、¹⁹¹Ｐｔ、¹⁹²Ｉｒ、¹⁹⁴Ｉｒ、¹⁹⁵Ａｕ、¹⁹⁶Ａｕ、および¹⁹⁸Ａｕなどが治具２から検出されていることが分かる。発明者は、検出された放射性核種は、以下の表１および表２に示す核反応によって生成したものであると考えた。

なお、表１において、¹⁹⁴Ｐｔから（ｐ，ｎ）反応によって生成される¹⁹⁴Ａｕは電子捕獲（ＥＣ）過程で崩壊するためγ線を放出しない。また、¹⁹⁶Ｐｔから（ｎ，ｐ）反応によって生成される¹⁹⁶Ｉｒ、および¹⁹⁸Ｐｔから（ｎ，ｐ）反応によって生成される¹⁹⁸Ｉｒについては、半減期が１分以内であることから、ほとんど検出されない。また、表２において、¹⁹³Ｉｒから（ｎ，ｐ）反応によって生成される¹⁹³Ｏｓ（オスミウム１９３）については、γ線をほとんど放出しない。また、¹⁹³Ｉｒから（ｐ，ｎ）反応によって生成される¹⁹³Ｐｔについても電子捕獲（ＥＣ）過程で崩壊するためγ線を放出しない。

図２、図３、表１、および表２から、検出された放射性核種はいずれも、ＰｔまたはＩｒから、（ｐ，ｎ）反応または（ｎ，ｐ）反応によって生成したものであることが分かる。ここで、（ｐ，ｎ）反応は、ターゲット１に入射した陽子線Ｌ_pがターゲット１を通過して治具２に入射することによって発生する。一方、（ｎ，ｐ）反応は、ターゲット１において（１）式に従った核反応が生じた際に、弾き出された高速中性子５が治具２に入射することによって発生する。本発明者の知見によれば、高速中性子５は飛程が長いため、（ｎ，ｐ）反応を抑制することは極めて困難である。そこで本発明者は、（ｐ，ｎ）反応を抑制することによって治具２の放射化を抑制し、治具２の放射化を最小化することを想到した。

本発明者は（ｐ，ｎ）反応を抑制する方法についてさらに検討を行い、ターゲット１において陽子線Ｌ_pの陽子（ｐ）のエネルギーを十分に低減させてから治具２に入射させることができれば、治具２の放射化を抑制可能ではないかと考察した。この考察に基づいて、本発明者は、ターゲット１の厚さと放射化の割合、すなわち製造した⁸⁹Ｚｒの放射能に対する治具２の放射能の比率（放射能比）を、照射の終了時点から２時間後に測定する実験を行った。厚さの異なるイットリウムからなるターゲット１を白金イリジウム（ＰｔＩｒ）合金からなる治具２に取り付け、陽子線エネルギーが１４ＭｅＶで電流が５μＡの陽子線をターゲット１に５分間照射した。照射の直後は短寿命の^89mＹ（半減期１６秒）が急速に崩壊することから放射能が高くなるため、鉛遮蔽箱（ホットセルとも言う）内に２時間保管する。その後、ターゲット１と治具２を分離して、それぞれの放射能を計測することによって放射能比を算出する。治具２に関してはさらに、Ｇｅ検出器（図示せず）を用いてγ線スペクトル測定を行った。図４は、イットリウムからなるターゲット１の厚さに対する放射能比を示すグラフである。

図４から、ＰｔＩｒ合金からなる治具２においては、ターゲット１の厚さが０．４ｍｍ以上であれば、（ｐ，ｎ）反応による放射化をほとんど抑制できることが分かる。すなわち、ＰｔＩｒ合金からなる治具２においては、イットリウムからなるターゲット１の厚さを０．４ｍｍ以上にすることが好ましいことが分かる。

次に、本発明者は、さらに鋭意検討を重ね、治具２の材料として用いることができる元素ごとに（ｐ，ｎ）反応の起こりやすさについて実験を行った。なお、（ｐ，ｎ）反応の起こりやすさとは、（ｐ，ｎ）反応の反応断面積が１００ｍｂ（１×１０^-29ｍ²）となる陽子線エネルギー（ＭｅＶ）である。図５は、治具２の材料として用いられる元素の原子番号ごとの（ｐ，ｎ）反応の反応断面積が１００ｍｂとなる陽子線エネルギー（ＭｅＶ）を示すグラフである。図５から、原子番号が大きくなるほど、（ｐ，ｎ）反応の反応断面積が１００ｍｂとなる陽子線エネルギー（ＭｅＶ）は大きくなることが分かり、（ｐ，ｎ）反応が発生しづらくなることが分かる。

この一実施形態においてターゲット１は、例えば金属イットリウムから構成される。なお、ターゲット１を酸化イットリウムセラミックから構成することも可能であるが、この場合、陽子線Ｌ_pが酸素原子に衝突してエネルギーが消費され、さらに不純物の生成の原因になるという問題が生じる。また、金属イットリウムの融点および熱伝導率もそれぞれ、酸化イットリウムセラミックの融点および熱伝導率に比して高い。以上のことから、本実施形態におけるターゲット１としては、金属イットリウムを用いることが好ましい。

ターゲット１として金属イットリウムを用いることが好ましい一方、本発明者の知見によれば、金属イットリウムは、高硬質、高融点、および低導電率であることに起因して加工が困難である。すなわち、金属イットリウムは、高硬質によって機械加工が困難、高融点によって圧延加工が困難、および低導電率によって放電加工が困難である。これらの点から、０．１〜１ｍｍ程度の厚さの金属イットリウムを低コストで精度良く加工することは、従来極めて困難であった。そこで本発明者が、金属イットリウムを低コストで精度良く加工する方法について実験および鋭意検討を重ねた結果、ダイヤモンドブレードまたは硬質微粉末が担持されたブレードを用いて、金属イットリウムを加工する方法を案出した。これらのブレードを用いることにより、金属イットリウムを低コストで高精度に加工できることも確認された。ここで、ダイヤモンドブレードを用いて金属イットリウムを加工した場合、さらに研削加工を行うことによって加工精度を向上させることも可能である。

治具２は、可能な限り放射化しづらい金属材料から構成することが望ましいため、上述したように、治具２を構成する金属材料の元素としては、原子番号が大きい元素が望ましい。さらに、陽子線Ｌ_pの照射によってターゲット１の温度が上昇することから、治具２は、高融点であって、熱伝導率、機械的強度、および耐腐食性能が高く、耐酸性がある材料が望ましい。具体的に、治具２は、銅（Ｃｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、またはこれらの元素から選択された少なくとも１種類の元素を含む合金から構成することが好ましい。

本発明者は、上述したターゲット１の厚さに関する検討、治具２に生じる（ｐ，ｎ）反応の発生原理、および治具２を構成する元素の原子番号ごとの（ｐ，ｎ）反応の起こりやすさを合わせて検討した。その結果、本発明者は、ターゲット１は陽子線Ｌ_pの進行方向に沿って一定以上の厚みを有していればよく、その厚みを、ターゲット１を構成する材料の主成分となる元素が、第４周期、第５周期、および第６周期のいずれに該当するかによって、変化させることを案出した。

具体的に本発明者は実験および検討を行い、治具２の材料の主成分が第４周期や第５周期の金属である場合、ターゲット１の厚みは、陽子線Ｌ_pの進行方向に沿って０．８ｍｍ以上が好ましいことを知見した。一方、治具２の材料の主成分が第６周期の金属である場合、図４から、ターゲット１の厚みは、陽子線Ｌ_pの進行方向に沿って０．４ｍｍ以上であればよい。

治具２の材料の主成分の元素が第４周期元素のＣｕまたは第５周期元素の場合、具体的に例えば、Ｃｕ、Ｚｒ、Ｎｂ、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテチウム（Ｒｕ）、Ｒｈ、Ｐｄ、またはＡｇを合計７０％以上含む材料から構成される場合、ターゲット１の厚さを０．８ｍｍ以上とする。なお、治具２の主成分として用いられる第５周期元素としては、高融点であって、熱伝導率、機械的強度、および耐腐食性能が高く、耐酸性がある、Ｎｂ、Ａｇ、もしくはＰｄ、または、これらの元素から選択された少なくとも１種類の元素を含む合金がより好ましい。

治具２の材料の主成分の元素が第６周期元素の場合、具体的に例えば、ハフニウム（Ｈｆ）、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ，Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、またはＡｕを合計７０％以上含む材料から構成される場合、ターゲット１の厚さを０．４ｍｍ以上とする。なお、治具２の主成分として用いられる第６周期元素としては、高融点であって、熱伝導率、機械的強度、および耐腐食性能が高く、耐酸性がある、Ｔａ、Ｗ、Ｐｔ、Ｉｒ、もしくはＡｕ、または、これらの元素から選択された少なくとも１種類の元素を含む合金がより好ましい。

以上の検討結果に基づくと、陽子線Ｌ_pの進行方向に沿ったターゲット１の厚さが上述した所定厚さ以上であれば、ターゲット１は、陽子線Ｌ_pの進行方向に対して、傾斜させて設置したりジグザグ構造にしたりすることが可能である。

本発明の一実施形態によるジルコニウム（⁸⁹Ｚｒ）の製造方法においては、以上のようにして、陽子線Ｌ_pの進行方向に沿ったターゲット１の厚さを決定した上で⁸⁹Ｚｒの製造を行う。すなわち、まず、ジルコニウム（⁸⁹Ｚｒ）の製造装置１０に対して、イットリウム８９（⁸⁹Ｙ）のターゲット１を保持した治具２を、冷却機構１３の照射側の面に取り付ける。その後、陽子線照射装置１１から出射されてエネルギー減衰板１２によって、１４ＭｅＶ以下のエネルギーに減衰された陽子線Ｌ_pを、ターゲット１に照射する。これにより、上述した（１）式の核反応が生じて、⁸⁹Ｙから⁸⁹Ｚｒが生成される。一方で、ターゲット１の陽子線Ｌ_pの進行方向に沿った厚さが所定厚さ以上であれば、治具２において（ｐ，ｎ）反応が抑制され、主に（ｎ，ｐ）反応が生じる。（ｎ，ｐ）反応による放射化は回避困難であるが、図４に示すように放射化への寄与は小さい。その後、従来公知の方法（例えば、特許文献２参照）によって、ターゲット１から⁸⁹Ｚｒを分離、精製することによって、⁸⁹Ｚｒが抽出される。

以上説明した一実施形態によるジルコニウム（⁸⁹Ｚｒ）の製造方法によれば、陽子線Ｌ_pの進行方向に沿ったターゲット１の厚さを、治具２を構成する材料の主成分である元素に応じて所定厚さ以上にしている。これにより、治具２の（ｐ，ｎ）反応を抑制することができるので、イットリウム８９（⁸⁹Ｙ）からなるターゲット１を保持する治具２の放射化を抑制して、ジルコニウム８９（⁸⁹Ｚｒ）の製造を効率よく行うことができる。

以上、本発明の実施形態について具体的に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、上述の実施形態において挙げた数値はあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる数値を用いてもよい。さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付のクレームおよびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ターゲット
２治具
５高速中性子
１０ジルコニウムの製造装置
１１陽子線照射装置
１２エネルギー減衰板
１３冷却機構
１３ａ冷媒
Ｌ_p 陽子線

Claims

治具に保持されたイットリウムを含むターゲットに陽子線を照射することによってジルコニウムを製造するジルコニウムの製造方法であって、
前記治具を構成する材料の主成分となる元素が第６周期元素である場合、前記陽子線の進行方向に沿った前記ターゲットの厚さが０．４ｍｍ以上であり、
前記治具を構成する材料の主成分となる元素が第４周期元素または第５周期元素である場合、前記陽子線の進行方向に沿った前記ターゲットの厚さが０．８ｍｍ以上である
ことを特徴とするジルコニウムの製造方法。
前記第４周期元素が、銅であり、
前記第５周期元素が、ニオブ、ロジウム、パラジウム、および銀からなる群より選ばれた少なくとも１種類であり、
前記第６周期元素が、タンタル、タングステン、レニウム、イリジウム、白金、および金からなる群より選ばれた少なくとも１種類である
ことを特徴とする請求項１に記載のジルコニウムの製造方法。
前記イットリウムを含むターゲットが金属イットリウムからなり、
前記金属イットリウムに対して、ダイヤモンドブレードまたは硬質微粉末が担持されたブレードを用いて加工を行うことにより、前記ターゲットを製造する
ことを特徴とする請求項１または２に記載のジルコニウムの製造方法。