JP2020169873A - 放射性同位元素の製造方法、及び、放射性同位元素製造用の熱分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】１００ｇ程度以上の多量の亜鉛試料に加速器で得られる中性子を照射して生成される放射性銅を迅速に高効率で分離すると共に、再利用を可能とする。【解決手段】加速器からの中性子を金属亜鉛Ｚｎ−６８、Ｚｎ−６７、Ｚｎ−６４等を含む試料に照射して単独にあるいは同時にＣｕ−６７やＣｕ−６４を生成する。中性子照射済みの亜鉛を加熱し、亜鉛と銅の蒸気圧の差を利用し、蒸気圧の高い亜鉛のみを気化して分離・除去し、亜鉛分離後の残渣を回収・精製して放射性銅Ｃｕ−６７、Ｃｕ−６４を得る。【選択図】図２

Description

本発明は、放射性同位元素の製造方法、及び、放射性同位元素製造用の熱分離装置に係り、特に、銅の放射性同位元素であるＣｕ−６４やＣｕ−６７の製造に用いるに好適な、放射性同位元素の製造方法、及び、放射性同位元素製造用の熱分離装置に関する。

銅の放射性同位元素であるＣｕ−６４とＣｕ−６７は、次世代の核医学診断・治療用の放射性同位元素（ラジオアイソトープ：ＲＩ）として有望視されているが、臨床実用段階での製造方法は確立されていない。

重陽子加速器（重陽子エネルギー１０〜５０ＭｅＶ）で得られる重陽子を中性子生成用のコンバータ（炭素、ベリリウム、リチウムなど）に当て、発生させた高速中性子を亜鉛試料に照射して、両核種を単独あるいは同時に合成することができる。

例えば特許文献１には、原料ターゲットに加速器からの高速中性子を照射し、１個の中性子ｎの照射により１個の陽子ｐを放出する（ｎ，ｐ）反応を起こさせ、放射性同位元素を製造する方法が記載されている。

高速中性子を用いる方法は、陽子などの荷電粒子ビームを試料に照射する場合に問題となる試料の発熱等に起因して試料を多量に使用できないといった制限がないため高強度、高品質、高比放射能を有するＲＩを製造できることなど他の製造方法に比べて有利な点がある。しかし、この有利性を生かして臨床に実利用できる製造量を確保するためには、一度に多量の試料（〜１００ｇ）を分離精製し高品質の銅が得られる処理をする必要がある。

これまでは、３０ｇ程度までの照射済み亜鉛（Ｚｎ）酸化物からＣｕ−６４とＣｕ−６７の両核種を合成し、カラム分離法（非特許文献１参照）を用いて単離する技術開発を成功裏に行ってきた。しかし、カラム分離法で３０ｇ以上の照射済み亜鉛を処理すると、１０時間以上の分離時間を要し、その間に目的核種の減衰による放射能の損失が無視できないため、大量製造のためにこの方法を採用できなかった。

一方、特許文献２および３にはＺｎ−６８に高エネルギーのγ線を照射し、Ｃｕ−６７を熱分離法により製造する方法が記載されている。

特開２０１０−２２３９３５号公報 米国特許出願公開第２０１３／００８３８８２号明細書 米国特許出願公開第２０１６／００４０２６７号明細書

M. Kawabata 他 "Production and separation of 64Cu and 67Cu using 14 MeV neutrons" J Radioanal Nucl Chem (2014. 9. 6)

しかしながら従来は、加速器で得られる高速中性子を用いて合成した銅の放射性同位元素を熱分離法により分離することは考えられていなかった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、高速中性子により製造された銅放射性同位元素と亜鉛試料の蒸気圧の差を利用した熱分離法を適用することにより、１００ｇ程度の多量の亜鉛試料を用いて短時間で銅放射性同位元素を分離できることを課題とする。

本発明は、加速器を用いて得た高速中性子を金属亜鉛を含む１００ｇ程度以上の試料に照射し、中性子照射済みの亜鉛を加熱し、亜鉛と銅の蒸気圧の差を利用し、蒸気圧の高い亜鉛のみを気化して分離・除去し、亜鉛分離後の残渣を回収・精製して放射性銅を得ることにより、前記課題を解決するものである。

ここで、前記放射性銅は、濃縮Ｚｎ−６８試料又は濃縮Ｚｎ−６７試料に中性子を照射した時に、⁶⁸Ｚｎ(ｎ，ｄ＋ｎｐ)⁶⁷Ｃｕ反応又は⁶⁷Ｚｎ(ｎ，ｐ)⁶⁷Ｃｕ反応により生成されるＣｕ−６７を含むことができる。なお、濃縮Ｚｎ−６８試料又は濃縮Ｚｎ−６７試料は天然のＺｎ試料であってもよい。

又、前記放射性銅は、濃縮Ｚｎ−６４試料に中性子を照射した時に、⁶⁴Ｚｎ(ｎ，ｐ)⁶⁴Ｃｕ反応により生成されるＣｕ−６４を含むことができる。なお、濃縮Ｚｎ−６４試料は天然のＺｎ試料であってもよい。

本発明は、又、中性子照射済みの亜鉛を含む試料を収容する管と、該管を加熱する炉と、前記管を収容する真空容器と、該真空容器内を減圧する真空ポンプと、前記真空容器と真空ポンプの間に配設された、気化した亜鉛を冷却するためのコールドトラップと、前記管の外側面から試料から放出される放射線（ガンマ線）をオンラインで測定するために設置されるＣＺＴ検出器と、を備えたことを特徴とする放射性同位元素製造用の熱分離装置を提供することにより、同様に前記課題を解決するものである。

銅放射性同位元素を用いた医療に必須の高強度の銅ＲＩを得るために不可欠な３０ｇ以上の大量亜鉛試料をカラム分離だけで処理すると分離に要する時間が長時間になり、銅放射性同位元素の減衰によるロスが避けられないという問題を生じるが、本発明により乾式熱分離で亜鉛を粗分離し、化学精製を容易にすることで１００ｇ程度以上の多量の亜鉛試料を用いる道が拓かれかつ亜鉛と銅の分離時間を短縮できる。

通常Ｃｕ−６４はニッケル試料を用い、またＣｕ−６７は亜鉛試料を用い合成されることが多いが、この場合Ｃｕ−６４及びＣｕ−６７の合成に際しては原材料試料が異なるため同じ分離法は使えない。本発明によれば、加速器中性子を用いた反応で亜鉛−６４試料を用い、または亜鉛−６７あるいは亜鉛−６８試料から同じ装置でＣｕ−６４とＣｕ−６７の２核種を同時に製造することが可能である。

更に、分離された亜鉛を回収し、不活性ガス雰囲気中で溶解固化などの処理をすることで濃縮して、再びＲＩ合成用照射試料として再利用が可能である。濃縮亜鉛−６８、亜鉛−６７そして亜鉛−６４は高価なため照射済み亜鉛試料が再利用できることは医療用ＲＩの製造コスト軽減に向け重要な要素である。

特に、照射前に亜鉛試料から不純物を除去した場合には、純亜鉛のみを照射でき、分離後製品中への残量金属量が減少し、高い標識率、高品質の放射性同位元素を得ることができる。

製作した装置を用いて実際に照射済みＺｎ金属を用いて試験を行った結果、９５％以上の収率で放射性銅を分離することができることが判明した。分離後残渣には昇華せずに残った少量のＺｎと放射性Ｃｕがあり、これを回収した後、市販樹脂等を用いて簡易に化学分離精製することで、高純度のＣｕ−６４、Ｃｕ−６７の最終製品を得ることができる。なお、比放射能を低下させる非放射性Ｃｕ及び品質を低下させる不純物金属は、本装置を用い照射前に熱分離精製することにより、試料中Ｚｎから事前除去することができる。

本発明の原理である亜鉛と銅の蒸気圧曲線を比較して示す図 本発明の実施形態における処理手順を示す流れ図 同じく亜鉛試料に中性子を照射している状態を模式的に示す断面図 本発明で用いる熱分離装置の全体構成を示す管路図 同じく熱分離の手順を示す流れ図 試料中（Ａ）Ｃｕ−６７及び（Ｂ）Ｚｎ−６９ｍ由来γ線ピークエリアカウント数の経時変化を比較して示す線図 前記実施形態における熱分離後の銅精製手順の例を示す流れ図 同じく亜鉛回収装置の構成例を示す断面図 同じく照射用試料の製作手順の例を示す流れ図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

図１に亜鉛と銅の蒸気圧曲線を比較して示す。減圧下で６００℃近辺のターゲット温度領域の亜鉛（Ｚｎ）と銅（Ｃｕ）の蒸気圧差を利用することで、亜鉛のみを昇華させて銅を固体のまま残すことができる。この際、減圧下で昇華することで亜鉛の酸化を防ぐことができる。本発明は、このような原理を利用して亜鉛を湿式法で多量の化学薬品等を用いることなく乾式で熱分離している。

本発明の実施形態の処理手順を図２に示す。

まずステップ１００で、図３に例示する如く、Ｚｎ試料１８に中性子（ｎ）１６を照射して、金属亜鉛からＲＩを合成する。

即ち、加速器本体１０で得られた、例えば４０ＭｅＶ以上のエネルギーを持つ重陽子（ｄ）１２は、真空中に設置された炭素あるいはベリリウム標的１４に吸収され、Ｃ(ｄ，ｎ)反応あるいはＢｅ(ｄ，ｎ)反応により高速中性子（ｎ）１６を大気中に放出する。この中性子１６と濃縮Ｚｎ−６８、濃縮Ｚｎ−６４、及び天然Ｚｎ等の亜鉛試料１８との間で起こる核反応でＣｕ−６７、Ｃｕ−６４を合成することができる。

具体的には、安定濃縮同位体Ｚｎ−６８に中性子ｎを照射することにより、標的となる原子核が中性子ｎを吸収し、重水素の原子核ｄ、中性子ｎ、陽子ｐを放出する次式（１）の核反応によりＣｕ−６７が合成される。
⁶⁸Ｚｎ(ｎ，ｄ＋ｎｐ)⁶⁷Ｃｕ ・・・（１）

又、安定濃縮同位体Ｚｎ−６７に同じく中性子ｎを照射することにより、標的となる原子核が中性子ｎを吸収し、陽子ｐを放出する次式（２）の核反応によりＣｕ−６７が合成される。
⁶⁷Ｚｎ(ｎ，ｐ)⁶⁷Ｃｕ ・・・（２）

又、安定濃縮同位体Ｚｎ−６４に同じく中性子ｎを照射することにより、標的となる原子核が中性子ｎを吸収し、陽子ｐを放出する次式（３）の核反応によりＣｕ−６４が合成される。
⁶⁴Ｚｎ(ｎ，ｐ)⁶⁴Ｃｕ ・・・（３）

これらの核反応は、照射するターゲットがＺｎなので、化学的にＺｎからＣｕを分離する点では同じであり、異なる質量の亜鉛６８あるいは亜鉛６７及び亜鉛６４試料を用いてそれぞれＣｕ−６７あるいはＣｕ−６４を共通の分離法を適用し分離できる。

次いでステップ１１０に進み、大量の高価な亜鉛試料に加速器で得られる中性子を照射して生成される放射性銅を迅速に高効率で分離すると共に、分離後には高価な亜鉛試料を再利用するために高効率で回収可能な性能を有する熱分離装置を用いて、熱分離により亜鉛を除去する。

熱分離装置の構成例を図４に示す。この熱分離装置２２は、Ｃｕ−６７あるいはＣｕ−６４を含む照射済み金属亜鉛を例えば石英回収管２４である試験管内で加熱し、蒸気圧の高い亜鉛のみを気化して分離する。系内は亜鉛の酸化を防止するために真空状態とし、気化温度を下げた分離が可能であるようにする。

前記熱分離装置２２は、中性子照射済みの金属亜鉛を含むＺｎ試料１８を収容する石英回収管２４と、石英内筒管２６と、ステンレス（ＳＵＳ）内筒管２８と、前記石英回収管２４等を周囲から加熱するための上下動可能な電気炉３０と、前記石英回収管２４等を収容する、例えばＳＵＳ製の真空容器３２と、該真空容器３２内を減圧する、例えばターボ分子ポンプで構成される真空ポンプ３４と、前記真空容器３２と真空ポンプ３４の間に配設された、気化した亜鉛を冷却するためのコールドトラップ３６と、前記石英回収管２４の外側面からＺｎ試料１８から放出される放射線（ガンマ線）をオンラインで測定するために設置されるＣＺＴ検出器３８と、を主に備えている。図において、４０は、放射線が亜鉛試料１８から放出されるものであることを限定するためのＣＺＴ検出器３８用のコリメータ、４２、４４は真空計、４６はリークバルブ、４８はバタフライバルブである。

ＣｄＺｎＴｅ化合物半導体検出器である前記ＣＺＴ検出器３８は、ＲＩから放出されるγ線のエネルギーとその強度をオンラインで測定できる。オンラインで測定することは分離過程が不測の事態を起こすことなく順調に進展しているかどうかを即時判断するために重要である。亜鉛試料１８で生成されるＲＩには、Ｃｕ−６４やＣｕ−６７など様々な種類のＲＩが混在しており、それぞれのＲＩはそのＲＩに固有のエネルギーのγ線を放出する。そのため、電気炉３０周辺垂直方向の至る所にＣＺＴ検出器３８をセットしておくと、電気炉３０の温度を上昇させた時に、ある場所のＣＺＴ検出器３８が検出するγ線のエネルギーを測定できれば、その場所にそのγ線が放出されるＲＩがやってきたという情報が、「その場観測」で得られる。即ち、時々刻々の変化が追跡できるので、熱分離による様々なＲＩの挙動を目で見るようにすることができる。これは不測の事態を瞬時に判断できるため熱分離を成功裏に行ううえで貴重なデータとなる。

前記コールドトラップ３６は、減圧操作において、気化した亜鉛を固体に濃縮することを目的としているが、実際はコールドトラップ３６まで亜鉛が移動することはない。

前記リークバルブ４６は、高真空状態から常圧に戻す時、真空内の試料や石英装置及び真空計４２、４４などに支障のないように徐々に常圧へ戻す。

前記熱分離装置２２を用いて、Ｚｎ試料１８に中性子１６を照射し、目的核種Ｃｕ−６４及び／又はＣｕ−６７を熱分離する手順を図５に示す。

まずステップ２００で、照射済み亜鉛金属（１８）を石英回収管２４に入れる。

次いでステップ２１０に進み、石英回収管２４を石英内筒管２６、ステンレス内筒管２８、真空容器３２と共に電気炉３０内に設置し、試料部が最も高温になる中央部分にくるように電気炉３０を上下させる。

次いでステップ２２０に進み、液体窒素ＬＮ₂をコールドトラップ３６に入れる。

次いでステップ２３０に進み、ＣＺＴ検出器３８を電気炉３０の外側面からＺｎ試料１８に向けて設置する。

次いでステップ２４０に進み、真空ポンプ３４で減圧し、真空計４４で１０^-5ｈＰＡ程度になることを確認する。

次いでステップ２５０に進み、電気炉３０で例えば６００℃まで加熱し、７０分を目安に保持する。

次いでステップ２６０に進み、ＣＺＴ検出器３８を用いてＣｕ−６４、Ｃｕ−６７、Ｚｎ−６９ｍ、Ｚｎ−６５など、試料中のＲＩに由来するピーク領域の計数の経時変化を調べる。

Ｃｕ−６７に由来するγ線のピーク領域の計数の時間経過に伴う変化とＺｎ−６９ｍに由来するγ線のピーク領域の計数の時間経過に伴う変化を図６に比較して示す。図６（Ａ）に示すＣｕ−６７（１８５ｋｅＶ）は、熱分離が進行すると亜鉛によるγ線吸収が減少するため、やや右肩辺りで上昇するが減少はみられない。即ち、Ｃｕ−６７は試料位置に留まっている。一方、図６（Ｂ）に示すＺｎ−６９ｍは、熱分離進行に伴い顕著に減少し、非放射性亜鉛と共に試料位置から昇華し、分離されていることがわかる。

ＣＺＴ検出器３８のスペクトルをみながら、ステップ２７０に進み、例えば所定の保持時間で加熱を停止して電気炉３０を降下する。

次いでステップ２８０に進み、温度表示が例えば２００℃以下となったことを確認後、コールドトラップ３６周りのバルブを閉じてからリークバルブ４６を開いて常圧に戻し、ステップ２９０で真空容器３２を開ける。

そして、石英回収管２４及び昇華亜鉛２０析出部の重量測定により亜鉛の収率を評価する。

図４に示した熱分離装置２２を用いて図５の手順で亜鉛を除去した後、図２のステップ１２０に戻り、残渣（Ｃｕ−６４、Ｃｕ−６７）を回収する。即ち、熱分離後、試料が入っていた石英回収管２４内の残渣（１０ｍｇ程度）は、目的核種（Ｃｕ−６４、Ｃｕ−６７）と亜鉛以外の不純物金属及び酸化亜鉛ＺｎＯなどの混合物である。

そこで図２のステップ１３０に進み、図７に示す熱分離後の銅精製の手順により精製する。

即ち、まずステップ３００で、例えば８Ｍの塩酸（１０ｍＬ以下）で溶解する。

次いでステップ３１０に進み、Ｃｕ吸着用樹脂に適したｐＨに調整する。

ステップ３２０では、例えばＣｕＲｅｓｉｎやキレックス１００（市販品）等のＣｕ吸着用樹脂を用いることができる。

ステップ３２０で除去しきれない場合にはステップ３３０に進み、例えばＡＧ１ｘ８（市販品）等の陰イオン交換カラムを用いて除去することが可能である。

吸着したＣｕは、濃度を濃くした塩酸で単独溶解できる。

このようにして、少量の金属分離用樹脂で除去しきれなかった亜鉛、他金属を除去して、ステップ１４０でＣｕ−６４、Ｃｕ−６７の最終製品を得る。

一方、濃縮亜鉛試料は１ｇ当たり１０万円程度と大変高価であるのに対し、中性子との化学反応で消費される亜鉛試料は、照射前の重量の１００万分の１程度以下であり、ほとんど亜鉛試料の重量が減ることはない。そのため、熱分離後に亜鉛試料を再利用するべく高効率で回収することは、経済的に放射性銅を製造するという観点から重要である。

そこで、図４に示した熱分離装置２２を用いて図５の手順で亜鉛を昇華（熱分離）させ、Ｃｕを除去した後、図８に例示する亜鉛回収装置５０を用いて亜鉛を回収する。

図８の亜鉛回収装置５０は、石英回収管２４が底部に配設された回収容器５２と、その外側に設けられた保護容器５４と、アダプター５６と、更にその外側に設けられた保護容器５８と、真空容器６０と、電気炉６２と、前記真空容器６０内を真空にするための真空ポンプ６４と、真空容器６０と真空ポンプ６４の途中に設けられたトラップ６６と、該トラップ６６を冷却するための液体窒素（ＬＮ₂）容器６８とを主に用いて構成されている。図において、７６は真空計である。

以下、図９を参照して照射用試料の製作手順（ＲＩ分離後Ｚｎ再利用も同様）を説明する。

まずステップ４００で、石英回収管２４の途中で析出している昇華亜鉛２０を石英回収管２４ごと取り出し、ステップ４１０で、亜鉛回収装置５０の真空容器６０内に回収容器５２、保護容器５４、アダプター５６と共に設置する。

次いでステップ４２０に進み、石英製の真空容器６０と保護容器５８を用いて、昇華亜鉛２０を２重構造で密封する。

次いでステップ４３０に進み、亜鉛の酸化を防ぐために、真空ポンプ６４を用いて真空容器６０内の空気を排出し、ステップ４４０において、不活性ガス（例えば窒素Ｎ₂と水素Ｈ₂の混合ガス）と置換して真空容器６０内を充填し、常圧とする。

次いでステップ４５０に進み、電気炉６２を例えば最高８００℃付近まで上昇して、数分保持し、石英回収管２４の壁に付着した昇華亜鉛２０を溶融し、回収容器５２内に落とし込む。

次いでステップ４６０に進み、試料を冷却し、石英回収管２４内で固化したペレット状亜鉛７０を取り出して、そのまま次の照射で試料として再利用する。

このようにして、高価な亜鉛試料を再利用することができ、高効率で回収可能である。

この回収した亜鉛は事前に銅が除去されており、不純物銅の少ない亜鉛金属を使うことが可能となる。

本工程は中性子未照射のＺｎにも適用でき、熱分離によって事前にＣｕを除去し、中性子照射前にＺｎを精製することにより、合成されたＣｕ−６４、Ｃｕ−６７の比放射能を上げることができる。

又、熱分離装置２２は、銅以外の熱分離にも適用でき、蒸気圧の差を利用して例えば硫黄からＰ−３２、Ｐ−３３を分離することができる。

１０…加速器本体
１２…重陽子
１４…炭素／ベリリウム標的
１６…中性子
１８…亜鉛試料
２０…昇華亜鉛
２２…熱分離装置
２４…石英回収管
２６…石英内筒管
２８…ステンレス内筒管
３０、６２…電気炉
３８…ＣＺＴ検出器
３２、６０…真空容器
３４、６４…真空ポンプ
３６…コールドトラップ
４６…リークバルブ
４２、４４、７６…真空計
５０…亜鉛回収装置
５２…回収容器
５４、５８…保護容器
６６…トラップ
６８…液体窒素容器
７０…ペレット状亜鉛

Claims (4)

1. 加速器を用いて得た高速中性子を金属亜鉛を含む１００ｇ程度以上の試料に照射し、
   中性子照射済みの亜鉛を加熱し、
   亜鉛と銅の蒸気圧の差を利用し、蒸気圧の高い亜鉛のみを気化して分離・除去し、
   亜鉛分離後の残渣を回収・精製して放射性銅を得ることを特徴とする放射性同位元素の製造方法。
2. 前記放射性銅が、Ｚｎ−６８又はＺｎ−６７に中性子を照射した時に、⁶⁸Ｚｎ(ｎ，ｄ＋ｎｐ)⁶⁷Ｃｕ反応又は⁶⁷Ｚｎ(ｎ，ｐ)⁶⁷Ｃｕ反応により生成されるＣｕ−６７を含むことを特徴とする請求項１に記載の放射性同位元素の製造方法。
3. 前記放射性銅が、Ｚｎ−６４に中性子を照射した時に、⁶⁴Ｚｎ(ｎ，ｐ)⁶⁴Ｃｕ反応により生成されるＣｕ−６４を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の放射性同位元素の製造方法。
4. 中性子照射済みの亜鉛を含む試料を収容する管と、
   該管を加熱する炉と、
   前記管を収容する真空容器と、
   該真空容器内を減圧する真空ポンプと、
   前記真空容器と真空ポンプの間に配設された、気化した亜鉛を冷却するためのコールドトラップと、
   前記管の外側面から試料に向けて設置されるＣＺＴ検出器と、
   を備えたことを特徴とする放射性同位元素製造用の熱分離装置。