Изотопы молибдена

Изотоп ⁹⁸Mo является родительским изотопом для ^99mТс, получившего широкое распространение в медицинской диагностике. Очень короткое время жизни ^99mТс вынуждает получать его непосредственно на месте проведения медицинской процедуры. Для этого используются так называемые генераторы технеция — установки с особым образом подготовленным препаратом ⁹⁸Mo, из которого химическим способом извлекают образовавшийся ^99mТс. Сегодня рынок медицинского технеция исчисляется десятками миллионов процедур и миллиардами долларов в год.

Материал из газеты «Импульс-ЭХЗ» (№ 11 от 24.03.2016)

ВСЕ, ЧТО ВЫ ХОТЕЛИ УЗНАТЬ ОБ ИЗОТОПЕ МОЛИБДЕН-100, НО СТЕСНЯЛИСЬ СПРОСИТЬ

Европейская наука только к концу XIX века смогла понять, в чем секрет средневековых японских мечей — их крепость, острота и одновременно гибкость объяснялись тем, что сталь легендарных самурайских катан содержала примеси молибдена. Целенаправленное применение молибдена в XX веке открыло новую страницу в металлургии легированных сталей.

А в XXI веке, возможно, именно молибден поможет ученым понять природу загадочного нейтрино, и тогда человечество перевернет еще одну страницу в книге знаний о фундаментальных законах Вселенной.

ЧАСТИЦА-ПРИЗРАК

Из более чем шести десятков элементарных частиц, описанных физиками-теоретиками в так называемой Стандартной модели строения и взаимодействия частиц материи, нейтрино, пожалуй, можно отнести к самым загадочным и малоизученным. Существование нейтрино предсказал швейцарский физик-теоретик Вольфганг Паули, чтобы «спасти» законы сохранения энергии, импульса и его момента при β-распаде. В отличие от α-частиц и γ-излучения, β-частицы, вылетающие при распаде одинаковых ядер, обладают различной энергией. Паули в начале декабря 1930 года выдвинул гипотезу, согласно которой в процессе β-распада из ядра вместе с электроном вылетает ускользающая от наблюдений нейтральная частица, которая уносит с собой недостающую часть энергии и момента импульса. В то время были известны всего три элементарные частицы: протон, электрон и фотон. Нейтрон еще не был открыт и Паули предложил назвать гипотетическую частицу «нейтроном». Самому Паули гипотеза показалась настолько дерзкой, что он вместо публикации научной статьи изложил ее в полушутливом письме-обращении к участникам конференции по радиоактивности, проходившей в Тюбингене (Германия). Письмо начиналось фразой «Уважаемые радиоактивные дамы и господа!», но сам Паули предпочел бал в Цюрихе.

Смелую гипотезу Паули поддержал профессор римского университета Энрико Ферми. На ее основе он разработал стройную математическую теорию бета-распада, которую опубликовал в 1934 году. К этому времени Джеймс Чедвик уже открыл нейтрон, и Ферми переименовал «нейтрон» Паули на итальянский манер в «нейтрино», что означает «нейтрончик». Как образно выразилась писательница Кристина Саттон в книге «Космический корабль нейтрино», «если письмо Паули, адресованное „радиоактивным дамам и господам“, можно сравнить с зачатием нейтрино, то статья Ферми возвестила о рождении новой частицы». Однако сохранялась ключевая проблема: никто понятия не имел, как обнаружить эту неуловимую малышку.

Многие известные ученые искали способ отловить призрачные нейтрино. Многие сомневались, возможно ли это вообще. Два немецких физика — Ханс Бете и Рудольф Пайерлс — после теоретического анализа пришли к выводу, что вероятность поглощения нейтрино атомом ничтожна и наблюдать нейтрино «практически невозможно». Сам Паули поспорил на бутылку шампанского, что никому не удастся экспериментально обнаружить нейтрино. Возможно, он сомневался в реальности той частицы-призрака, которую сам же и придумал.

Только через четверть века, в 1956 году, эксперимент на ядерном реакторе в Южной Каролине доказал существование нейтрино. Позднее оказалось, что у нейтрино несколько разновидностей — в зависимости от ядерных реакций, в которых частицы образуются: электронный, мюонный и тау-нейтрино.

Различные виды нейтрино могут преобразовываться друг в друга — это так называемые нейтринные осцилляции. Впервые идею осцилляций нейтрино высказал Бруно Понтекорво, который в 1950 году эмигрировал с Запада в СССР. В 2015 году Нобелевская премия по физике присуждена Такааки Кадзита и Артуру Макдональду «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу». Ранее в Стандартной модели считалось, что нейтрино массы покоя не имеет. Теперь факт наличия массы установлен. Но какова ее величина?

И таких вопросов в отношении свойств нейтрино еще много. К примеру, ­основоположник квантовой физики британец Поль Дирак, предсказавший существование античастиц, полагал, что должна существовать частица «антинейтрино», отличающаяся по свойствам от нейтрино. Итальянский физик Этторе Майорана, напротив, считал, что нейтрино и антинейтрино — это одна и та же частица. Для ответа на этот вопрос ученые пытаются обнаружить двойной β-распад без образования нейтрино. Регистрация безнейтринного двойного β-распада будет однозначно свидетельствовать о майорановской природе нейтрино.

Двойной бета-распад (2β(2ν)-распад) — радиоактивный распад атомного ядра, который сопровождается увеличением заряда ядра на две единицы и испусканием двух электронов (они же β-частицы). При этом, как считается, в полет отправляются еще и два нейтрино (ν). Но есть предположение, что нейтрино имеет майорановскую природу (то есть одновременно выступает и как антинейтрино), и тогда при распаде два нейтрино взаимно уничтожают друг друга. Потому он и безнейтринный, и обозначается 2β(0ν)-распад.

ПОИСК НЕВИДИМКИ

Итак, в тот момент, когда ученые пришли к выводу, что масса нейтрино не равна нулю, рычаг для серьезного научного переосмысления физической картины микромира был получен. Осталось найти точку опоры — «поймать» самую многочисленную во всем космосе после фотона элементарную частицу и снять вопросы, которые она вызывает.

Но вот парадокс: нейтрино повсюду, однако пока неуловим. Даже обычный двойной бета-распад — очень редкое событие (период полураспада — порядка 10²⁰ лет), насчитывает всего несколько десятков достоверных наблюдений. А безнейтринный двойной бета-распад, который, как оценивает теория, случается в тысячи раз (!) реже, вообще никто еще ни разу не наблюдал. Первому, кто зарегистрирует 2β(0ν)-распад, Нобелевская премия обеспечена — это будет крупным открытием в физике нейтрино и следующим важным шагом в понимании фундаментальных свойств материи.

В настоящее время в мире уже действует около десятка крупных подземных детекторов, предназначенных для поиска безнейтринного двойного бета-распада — с использованием различных изотопов. И еще несколько сооружается.

Коллаборация AMoRE (Advanced Mo based Rare process Experiment), объединяющая 91 ученого из 21 научных институтов восьми стран, в том числе 18 исследователей из России, сделала ставку на молибден-100. Этот изотоп по энергии, выделяющейся при безнейтринном распаде, входит в тройку рекордсменов (после ⁴⁸Ca и ¹⁵⁰Nd) среди всех изотопов-кандидатов. Чем больше энергия, тем легче обеспечить его «поимку» такой хитрой ловушкой, как сцинтилляционный детектор (о нем чуть позже). И еще один нюанс — молибден-100 может быть произведен центрифужным методом (!) в количестве десятков и даже сотен килограммов. Именно столько необходимо для проведения эксперимента, который будет продолжаться несколько лет. «Охотникам» на «редкого зверя» — 2β(0ν)-распад — потребуется завидное терпение.

ИСКАТЬ ТАМ, ГДЕ ГЛУБЖЕ

Непосредственно эксперимент научной группы AMoRE, лидирующее место в которой занимают физики Республики Корея, будет проходить на территории этой страны, в подземной лаборатории. Южнокорейские ученые для проведения двух глобальных научных экспериментов — по поиску темной материи (проект KIMS) и безнейтринного двойного бета-распада (AMoRE) — решили воспользоваться горными выработками, созданными при строительстве в горах недалеко от города Янъян (YangYang) гидроаккумулирующей электростанции.

Чтобы попасть в лабораторию, нужно преодолеть двухкилометровый тоннель, ведущий внутрь скального массива. 700-метровая «крышка» горных пород над лабораторией снизит фон от вторичных нейтронов и космического излучения — ведь стоит задача свести любые возможные воздействия на микроуровне к нулю.

Идея эксперимента в следующем: в криогенную камеру — сверхнизкие температуры также снижают погрешности наблюдений и измерений — будет помещена целая батарея сцинтилляционных детекторов, изготовленных из кристаллов молибдата кальция. Да непростого, а высокообогащенного. Молибден в нем будет представлен, как уже сказано, только изотопом ¹⁰⁰Mo, а кальций — только изотопом ⁴⁰Ca.

Почему ⁴⁰Са? Потому что его много, в природном кальции этого изотопа почти 97%. Но обогащать кальцием-40 необходимо, чтобы максимально снизить в детекторе содержание изотопа ⁴⁸Ca, которого в природе всего 0,187%. Дело в том, что изотоп ⁴⁸Ca тоже дает двойной бета-распад. Чтобы избежать «конкуренции» между ⁴⁸Ca и ¹⁰⁰ Мо и не «целиться одним ружьем в двух зайцев», кальций для эксперимента желательно максимально обеднить кальцием-48 (приемлемое содержание — менее 0,001 %!).

А теперь чуть подробнее о сцинтилляционном детекторе. Сцинтиллятором называют вещество, обладающее способностью излучать свет при поглощении ионизирующего излучения (гамма-квантов, электронов, альфа-частиц и т. д.). Кристалл молибдата кальция как раз и является таким сцинтиллятором, то есть если сквозь него пролетит электрон, в толще кристалла возникнет микровспышка, которую зарегистрирует подключенная к детектору умная электроника. Вот тут-то и есть главная хитрость: поскольку в самом детекторе есть атомы ¹⁰⁰Mo, способные распадаться, то эти события, если они случатся, будут зарегистрированы самим же детектором. Такая схема называется «источник ≡ детектор».

Вот теперь понятны все ухищрения с защитой от внешних воздействий и с обогащением кальция и молибдена: ученые должны быть уверены, что микровспышка в детекторе — результат распада единственного в поле эксперимента источника бета-частиц, ¹⁰⁰Mo, а значит, аппаратура регистрирует именно 2β(0ν)-распад.

В настоящий момент коллаборация AMoRE рассматривает модель детектора с использованием цилиндрических кристаллов ⁴⁰Ca¹⁰⁰MoO₄ диаметром 50 мм и высотой 50 мм, массой около 300 г. Каждый кристалл помещается в индивидуальный медный крепеж с покрытыми тефлоном фосфорно-бронзовыми держателями. На поверхность кристалла наносится золотая пленка, толщиной 200 нанометров, которая золотыми проводами соединяется с чувствительным сенсором. Сцинтилляционный сигнал снимается с помощью такого же сенсора, соединенного с пластиной на основе кремния или германия.

НИКТО, КРОМЕ НАС

Сейчас идет подготовка к эксперименту — сложная, многоэтапная, причем каждый этап требует своих исследований, инженерных решений, тщательной проверки методик наблюдения, регистрации, измерений. Важнейший этап подготовки — создание источника (он же детектор). По условиям эксперимента для него, как мы помним, нужны изотопночистые кальций и молибден. Коллаборация AMoRE знает, где их взять. В России.

Сегодня единственное место в мире, где можно наработать нужное количество молибдена-100 — промплощадка ЭХЗ.

Более 20 лет специалисты производственно-технологической службы разделительного производства ЭХЗ, цеха по производству изотопов, центральной заводской лаборатории работают с технологией комплексного получения изотопов молибдена на газовых центрифугах. Опытные работы по освоению процесса разделения изотопа ¹⁰⁰Мо и его аналитического сопровождения начаты в 1990-х годах. Затем шла непрерывная оптимизация и совершенствование технологии с учетом возможностей производства и все возрастающих требований научных коллабораций, выступавших в качестве конечных заказчиков молибдена-100.

В результате Электрохимический завод в настоящее время — единственное предприятие в мире, способное осуществить полный технологический цикл получения изотопов молибдена: от изготовления рабочего вещества и проведения процессов разделения в газовых центрифугах до получения товарной формы изотопной продукции и аттестации ее в собственной аналитической лаборатории.

НО ЭТО ЕЩЕ НЕ ВСЕ!

Итак, молибден, обогащенный по изотопу ¹⁰⁰Mo до уровня > 96 %, делает АО «ПО «Электрохимический завод», поставляя его в виде порошка оксида молибдена ¹⁰⁰MoO₃.

Карбонат кальция ⁴⁰CaCO₃, обогащенный по изотопу ⁴⁰Ca (99,964–99,988%) и обед­ненный по изотопу ⁴⁸Ca (0,001%), производит еще одно предприятие Росатома — ФГУП «Комбинат «Электрохимприбор» (г. Лесной) — методом электромагнитной сепарации. Более того, специалисты ЭХП разработали и успешно применяют технологию глубокой очистки соединений кальция СаСО₃ и Ca(HCOO)₂ от «вредных» для хода эксперимента примесей. Кальций-40 тоже нигде, кроме России, сегодня не сделают. Аналогичное американское предприятие — знаменитый обогатительный завод Y-12 в Ок-Ридже, нарабатывавший уран для бомбы, сброшенной на Хиросиму, в настоящее время закрыт.

Чтобы убедиться, что изотопная продукция ЭХЗ и ЭХП полностью соответствует условиям эксперимента, ее образцы прошли гамма-спектрометрические испытания в Баксанской нейтринной обсерватории — экспериментальной базе Института ядерных исследований Российской академии наук. Эксперты AMoRE, убедившись в том, что заданные параметры полностью выдержаны, дали добро на дальнейшее использование российских изотопов.

Но это еще не все! Есть еще несколько поводов для гордости. Синтез шихты (смеси исходных материалов) молибдата кальция ⁴⁰Ca¹⁰⁰МоO₄ с дополнительной очисткой от примесей (как при подготовке, так и в процессе синтеза) проводит московское ЗАО ­«НЕОХИМ». И там же, в Москве, на предприятии ОАО «Фомос-Материалс» из полученной шихты выращивают монокристаллы молибдата кальция.

Сравнение свойств сцинтилляционных элементов, полученных с помощью российских специалистов и технологий на российских предприятиях, с образцами, которые были сделаны в самой Республике Корее в 2003 году и тремя годами позже на Украине, убедило экспертов AMoRE — марка «Сделано в России» дает все шансы на успех эксперимента.

Поставки молибдена-100 в интересах коллаборации AMoRE рассчитаны на несколько лет. Килограммы продукции обернутся сотнями тысяч долларов экспортной выручки. Но для АО «ПО «Электрохимический завод» наработка молибдена-100 — не только прибыльный бизнес. Собственная технология, дающая на выходе продукт высочайшей изотопной чистоты, — это еще и наглядная демонстрация уникальных возможностей российских газовых центрифуг и технологического лидерства ЭХЗ в сфере производства изотопной продукции. А участие предприятий и организаций Росатома в обеспечении глобального научного проекта высокотехнологичными материалами, укрепляет международный престиж Госкорпорации «Росатом», всей отечественной атомной отрасли.

Дмитрий КАДОЧНИКОВ, Геннадий СКОРЫНИН, по открытым материалам Интернет

При подготовке текста использовались: кандидатская диссертация научного сотрудника НИЦ «Курчатовский институт» ­Н. Д. Ханбекова «Изучение свойств монокристаллов ⁴⁰Ca¹⁰⁰MoO₄ и изготовленных на их основе cцинтилляционных элементов криогенного детектора для поиска безнейтринного двойного бета-распада изотопа ¹⁰⁰Mo»; статьи сотрудника ГНЦ «Институт теоретической и экспериментальной физики», доктора физ.-мат. ­наук А. С. Барабаша в журналах УФН (№ 5, 2014 г.) и «Природа (№ 11, 2011 г.); технический отчет о ­реализации проекта AMoRE (декабрь 2015 г.) и другие материалы.