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核技术及其应用的发展[量子分子动力学之家]
核技术及其应用的发展
 更新时间:2010/11/9 20:50:56  点击数:4286
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引言
 
1896年贝克勒尔发现铀的天然放射性,从此诞生了一门新的科学:原子核科学技术。 1919年卢瑟福利用天然 α射线轰击各种原子,确立了原子的核结构,随后又首次用人工方法实现了核反应。但是用天然射线源能够研究的核反应很有限,人们开始寻找一种可以产生具有不同能量的各种粒子束的装置,于是粒子加速器应运而生。同时,为了探测各种射线和核反应的产物,还需要有辨别粒子种类和能量的探测器及相应的电子学设备。在研究核物理的过程中人们发现,放射性一方面可能造成人体的伤害,另一方面它也可以在医学、工农业和其它方面有许多应用。于是相应地,辐射防护技术与射线应用技术也发展起来。此外,核物理的研究还导致了许多放射性核素的发现。它们的半衰期长至数千万年,短至不足 1秒。在不同场合下选择适当的放射性核素,可以做示踪剂、测年工具或药物使用。这就是放射性核素技术(或称为同位素技术)。上述粒子加速器技术、核探测技术与核电子学、射线和粒子束技术、放射性核素技术等,通常统称为核技术 [1]。概括而言,核技术就是利用放射性现象、物质(包括荷能粒子)和规律探索自然、造福人类的一门学科,其主要内容是研究射线、荷能粒子束和放射性核素的产生、与物质相互作用、探测和各种应用的技术。在我国现行的研究生培养体系中“核技术及应用”属于一级学科“核科学与技术”之下的一个二级学科。核技术还包括核武器技术与核动力技术(或称为核能技术)。核动力技术的核心是反应堆技术,反应堆可用来发电、供热、驱动运载工具等。反应堆还可以产生大量中子,故在有些核技术应用中亦可利用反应堆作为中子源,或利用反应堆中子做活化分析、生产放射性核素等。“核能工程与技术”和“辐射防护与环境保护”也是“核科学与技术”之下的二级学科。
 
实际上核技术与核物理是密不可分的,这两个学科在发展过程中始终是互相依托、互相渗透的。同时,作为核探测技术和射线应用技术的基础,研究各种射线和荷能粒子束与物质的相互作用是十分重要的。其相互作用既可以产生物理的变化,也可以产生化学的变化,还可以产生生物学的变化。相应的研究构成了辐射物理学、辐射化学和辐射生物学的主要内容。在核技术的应用中还经常要对放射性核素进行分离,或用放射性核素标记化合物,这属于放射化学的范畴。因此,核技术及应用这一学科与核物理学、辐射物理学、辐射化学、放射化学等学科有密切的联系,其中辐射物理往往也被纳入核技术的范畴内。近年来核技术在医学中的应用得到迅速发展,相应地又产生了医学物理、核医学等学科。另一方面,核技术的研究经常涉及大型仪器设备的研制,其本身又是物理、机械、真空技术、电子学、射频技术、计算机技术、控制技术、成像技术等多种学科和技术的综合。故此核技术充分体现了多种学科的交*这一特点,是现代科学技术的重要组成部分,也是当代重要的高技术之一。第二次世界大战之后核技术开始大规模地应用到国民经济之中,形成了许多新兴的产业,如辐射加工、无损检测、核医学诊断设备与
放射治疗设备、同位素和放射性药物生产等。据统计,美国和日本的国民经济总产值( GDP)中核技术的贡献约占 3%~4%。美国核技术产生的年产值约为 3500亿美元,其中非核能部分约占 80%[2]。
 
现代很多科学技术成就的取得都是与核技术的贡献分不开的[3]。仅以诺贝尔奖为例, 1931年美国科学家劳伦斯发明回旋加速器,为此获得了 1939年诺贝尔物理奖。 1932年英国科学家 Cockcroft和 Walton制造了第一台高压倍压加速器并用其完成了首次人工核反应,获 1957年诺贝尔物理奖。此外还有八项诺贝尔物理奖和化学奖是利用加速器进行实验而获得的。在探测器方面,威尔逊因发明云室探测器而获 1927年诺贝尔物理奖,其后布莱克特因改进威尔逊云室实现自动曝光而获 1948年诺贝尔物理奖,鲍威尔发明照相乳胶法并用其发现π介子而获 1950年诺贝尔物理奖,这之后格拉泽因发明气泡室使粒子探测效率提高 1000倍而获 1960年诺贝尔物理奖,阿尔瓦雷兹因改进气泡室并用其发现共振态粒子而获 1968年诺贝尔物理奖,沙帕克因发明多丝正比室和漂移室而获 1992年诺贝尔物理奖。在核分析技术方面, 1948年美国科学家利比建立了 14C测年方法并为此获得了 1960年诺贝尔化学奖,穆斯堡尔因发现穆斯堡尔效应而获 1961年诺贝尔物理奖,布罗克豪斯和沙尔因发展了中子散射技术而获 1994年诺贝尔物理奖。核技术对于科学发展的重要推动作用由此可见一斑。由于核技术为多种学科的基础研究提供了灵敏而精确的实验方法和分析手段,自 20世纪 80年代以来各国竞相建造与核技术密切相关的大型科学工程,如大型对撞机、同步辐射装置、自由电子激光装置、散裂中子源、加速器驱动次临界反应堆、大型放射性核束加速器等,其造价动辄数亿美元乃至数十亿美元。美国能源部 2003年 11月发布研究报告“未来科学的装置”,列出了今后 20年重点发展的 28项大型科学工程,其中基于加速器的有 14项,占了一半。我国自改革开放以来先后建造了北京正负电子对撞机、兰州重离子加速器、合肥同步辐射装置等大科学工程,辐照和放疗用电子加速器、大型集装箱探测装置、辐射加工和同位素生产等也已经形成了一定规模的产业。
 
本文将首先介绍核技术的物理基础与支撑技术,然后分别介绍射线与粒子束技术以及放射性核素技术的发展及其应用,最后介绍北京大学核技术及应用学科的发展。
 
1 核技术的物理基础与支撑技术
1.1 射线和粒子束与物质的相互作用
 
射线和粒子束通过物质时与物质发生相互作用,一方面射线和粒子在介质中被散射或吸收阻止、其能量逐步损失,另一方面物质在射线和粒子束的作用下产生电离、激发、溅射、次级射线或次级粒子发射等物理效应。射线和粒子束与物质相互作用的研究已经蓬勃发展了近百年,目前所研究射线和粒子束的范围已由开始时较为单一的自发辐射产生的γ射线、β射线(快速电子流)及 α粒子,扩充到各种能量、各种核素的离子束、中子束、以至团簇离子束。这些研究一方面提供了核结构信息,另一方面也为研制核探测器、防护辐射危害、以及开展各种核技术应用工作打下了基础。
虽然人们对γ射线和β射线与物质的相互作用了解得较早,但离子与物质相互作用的规律较为复杂。 20世纪 30年代, Bethe和 Bloch提出了高速带电粒子在物质中阻止本领的 Bethe-Bloch公式。60年代中期,Lindhard等人提出了离子射程的 LSS理论及低速重离子在物质中的阻止本领,从而建立了比较完备的关于离子在物质中的射程及能损的理论体系。到 80年代,Ziegler等人又提出了新的原子间相互作用普适势,并编制了著名的模拟离子在固体中能损及射程的 TRIM程序。另外, 50年代实验发现了带电粒子在晶体中的沟道效应并随后由 Lindhard等人建立了相应的理论模型, 60年代末期 Sigmund由级联碰撞理论提出了元素靶在离子轰击下的溅射公式。以上这些基础理论研究工作为带电粒子束技术的发展及其应用,如离子注入及离子束分析等,奠定了重要的基础。
 
在粒子束技术不断发展的同时,粒子束与物质相互作用,特别是辐照损伤的研究也在不断发展、深化。例如强流粒子束及团簇离子束技术的出现促进了强流粒子束(或团簇离子束)与物质相互作用,特别是非线性辐照损伤研究热潮的兴起;低能离子注入及离子束辅助沉积技术的发展又促进了分子动力学模拟方法在辐射损伤研究中的应用。
 
中子与物质的相互作用如散射、慢化、扩散和辐射俘获等,对于反应堆技术至关重要,故很早就进行了仔细的研究。但近年来随着中子散射技术的发展,中子在晶体中的散射(包括衍射)和在液体中的散射也得到了充分的研究。后者可用于软物质的研究,为生命科学的研究提供了新手段。
 
1.2 粒子加速器技术
自 20世纪 30年代初开始,倍压加速器、静电加速器、射频超导直线加速器、回旋加速器等陆续发展起来。第二次世界大战以后,自动稳相原理的提出和射频技术的发展对加速器技术的发展给予了极大的推动。美国斯坦福直线加速器中心( SLAC)建造了能量为 50 GeV的电子直线加速器,长度达 3 km。同步加速器也迅速发展起来,并成为高能加速器的主流类型。对撞机原理的提出,极大地拓展了高能物理的实验能区。70年代以来,美、欧、日本相继建造了一批大型对撞机。欧洲核子中心( CERN)80年代末建造的正负电子对撞机 LEP横跨法国和瑞士两国,轨道周长达 26.7 km,运行耗电占当时全欧洲发电量的 7%。随着重离子物理研究和放射性核束物理研究的兴起,大型串列静电加速器、等时性回旋加速器、重离子直线加速器也相继发展起来。近年来,为满足加速器驱动洁净核能系统和散裂中子源的需要,强流中能(~1GeV)质子直线加速器的研究已成为研究的热点。
 
另一方面,加速器技术在多学科研究、国民经济、医学、国防等方面也得到了日益广泛的应用。此类加速器多数工作在低能区( <100MeV),如用于离子注入的倍压加速器、用于离子束分析的静电加速器、用于辐照加工的高频高压加速器和绝缘芯变压器加速器、用于放疗和探伤的电子直线加速器和电子感应加速器、用于放射性药物生产的回旋加速器、用于核爆模拟及闪光照相的强脉冲加速器和感应直线加速器等。这些加速器通常要求有较高的输出流强和输出功率,也有的要求能对粒子束的能量进行精确调节。近年来,同步辐射和自由电子激光作为新型光源得到了迅速发展。目前世界上建成的第三代光源的亮度较前二代光源有大幅度提高。我国也即将在上海浦东建造一台第三代同步辐射光源。
 
加速器物理的研究是加速器技术发展的核心。特别是在一些大型加速器中,粒子在加速过程中的动力学行为十分复杂。粒子运动的不稳定性、束腔相互作用、粒子束的寿命、强流束的束晕、动力学孔径等问题都是当前加速器物理研究的热点。在加速器技术的发展中,新原理和新结构的探索始终是一个重要的推动力。例如射频四极场( RFQ)加速结构巧妙地将对粒子的加速和聚焦结合在一起,现在已成为对低能强流离子加速的最佳选择 [4]。新技术的采用是加速器技术发展的另一个重要推动力。例如射频超导加速技术经过多年的发展已日趋成熟。与常温加速技术相比超导加速具有显著的优点,其功耗低、运行成本低、且束流孔径大,适于强流加速,目前在中高能加速器中有逐步取代常温加速技术的趋势。
 
1.3 核探测技术
核探测技术是高能物理及核物理实验研究的基础,也是核技术的重要支撑技术。从本质上讲,探测器是一种能量转换仪器,它可将辐射(粒子束)的能量通过与工作介质的相互作用(如产生光子或电子等)转化为电信号,再由电子学仪器记录和分析。通常的核探测器主要包括气体探测器(利用射线或粒子束在气体介质中的电离效应探测辐射)、闪烁体探测器(利用射线或粒子束在闪烁体中的发光效应进行探测)及半导体探测器(利用射线或粒子束在半导体介质中产生的电子空穴对在电场中的漂移来探测辐射)。在核物理发展的早期,气体探测器是主要的探测器。 20世纪50年代以后气体探测器逐渐被闪烁探测器和半导体探测器取代,但在某些领域气体探测器因其独特的性能仍在使用和发展。特别是 70年代以来,在高能物理实验中又获得了广泛应用。闪烁体探测器近年来发展很快并在核医学成像方面得到了广泛应用。随着 60年代半导体工业的兴起,半导体探测器也迅速发展起来。由于其能量分辨本领好、线性范围宽、体积小、集成度高等优势,加上其成本不断降低,它的应用领域正在不断扩大。另外,针对中子辐射的特殊性,人们发展了专门的中子探测器。在大型粒子物理实验及地学、矿物学等研究中,核径迹探测器也发挥着重要的作用。随着材料科学、计算机技术及成像技术的飞速发展,核探测技术也在迅猛发展之中。在以前用于带电粒子探测的半导体探测器中,其材料基本都是单晶 Si和Ge(Li)(包括高纯Ge),目前 CdZnTe、GaAs以及a-Se等材料不象Ge一样需要低温,因此发展势头非常好。在无机及有机闪烁体材料中,也不断有体积越来越大或厚度越来越薄的材料出现(目前有机薄膜闪烁体可以做到几个微米厚),同时由于掺杂了一些高量子效率的元素,闪烁体的量子效率也在不断提高。气体无线条微图形探测器开始在大面积探测使用中与 Si半导体探测器竞争;微剥离气体室( MSGC)探测器及基于气体电子倍增管(GEM)的探测器以及基于GEM的气体雪崩成像光电倍增管也开始出现。
 
近年来在国内外产生重大影响的α磁谱仪( AMS)是诺贝尔物理奖获得者丁肇中教授领导的跨世纪大型国际合作科学实验项目,有美国、中国、俄罗斯等 10多个国家和地区的 37个科研机构参加。磁谱仪是一个灵敏度非常高的仪器,它的主体是在一个圆筒状的结构中,放置以钕铁硼为材料的永磁铁,由磁铁后方的探测器来记录带不同电荷物质在通过磁场后的偏转轨迹。它的科学使命是寻找宇宙中的反物质和暗物质,并对宇宙中各种同位素的相对丰度和高能量光子进行精确的测量。
 
1.4 其它支撑技术核电子学。
可与核探测器相配合,进行衰变计数、能谱测量、符合测量等。现一般使用标准化机箱和标准化插件,有商业产品。
辐射源与放射性核素制备技术。 60Co作为γ射线源目前仍被广泛使用,但在一些领域中有逐步被加速器取代的趋势。工业核仪表一般也需配备小型辐射源,如 241Am、137Cs等。放射性核素的制备主要使用反应堆和加速器。除此以外也使用放射性核素发生器,它能从较长半衰期的母体核素中分离出其短半衰期的子体核素,俗称“母牛”。辐射剂量学和辐射防护技术。随着核技术的发展和对辐射损伤的研究,对辐射及其生物效应的计量方法、放射工作人员的剂量限值、各种辐射的防护方法、个人剂量和环境剂量的监测技术等都已十分成熟。各国均制定了辐射防护标准,使核行业的危险度不超过其他行业。
 
2 射线和粒子束技术及其应用
2.1 在基础研究中的应用
各种射线和粒子束与物质相互作用会使入射的初级射线和粒子的状态或参数发生变化,在有些情况下还会产生次级射线和次级粒子。这些变化和次级发射在很大程度上取决于靶物质本身的组成、结构和特性。因此,对于物理、化学、生物、地质、考古等学科所研究的各种实体与物质,射线与粒子束技术亦是有力的分析手段。通常我们将这类技术统称为核分析技术。核分析技术主要包括活化分析技术、离子束分析技术和超精细相互作用核分析技术三大类。活化分析技术始于 1936年,是检测荷能中子束或带电粒子束轰击试样所产生的缓发辐射。其中中子活化分析灵敏度高、精度好,业已在生命、环境、地学的元素分析中得到广泛应用,近年来更是发展了分子活化分析和体内活化分析技术。离子束分析技术始于 20世纪 60年代末,主要有核反应分析( NRA)、背散射(RBS)、质子激发 X荧光发射(PIXE)和沟道效应等方法,在凝聚态物理和材料科学中有广泛应用。微束分析方法的建立,进一步将应用领域扩展到生命、环境、地学、考古等学科。超精细相互作用核分析技术则是基于各种核效应的核分析方法的总称,包括穆斯堡尔效应、扰动角关联效应、核磁共振效应、正电子湮灭效应和中子散射技术等。这类方法既能提供原子核及其近邻原子的信息,又能提供宏观平均信息,所应用的学科领域也更为宽泛。
 
核分析技术对许多学科的发展起过重要的推动作用。例如在高温超导材料的研究中, 1987年首先发现的超导体 YBa2Cu3O7的分子式和分子结构就是用中子衍射的方法确定的。人们根据中子衍射显示的结构,正确地解释了铜氧面和铜氧链在超导机制中的作用。此后,离子束分析技术在高温超导薄膜的制作研究中也起到了重要的作用。又如在生物大分子的研究中,同步辐射技术和中子散射技术都是十分重要的研究手段。除了核分析技术,40年代末在电子同步加速器上观察到的同步辐射,具有波长范围宽且可调、亮度高、准直性好、偏振性好、时间分辨好等优点,是形貌分析、微区分析、表面分析、动态分析的有力工具,成为加速器技术的重要应用之一。此外,离子注入、离子辐照损伤、离子束惯性约束聚变等技术也已成为材料科学、生命科学、能源科学的重要研究手段。
 
2.2 在工业中的应用核技术的工业应用始于 20世纪 50年代兴起的辐射加工 [5]。辐射加工利用 60Co源产生的γ射线或电
子加速器产生的电子束照射物料,可引起高分子材料的聚合、交联和降解,并可引起生物体的辐射损伤和遗传变异。辐射加工已被广泛用于制备优质电线电缆、热收缩材料、发泡材料、超细粉末、人造皮肤、高效电池隔膜、隐形眼镜等,以及木材与磁带磁盘的涂层固化、橡胶硫化、纺织品改性等领域。近年来食品辐射保鲜灭菌和医疗器具辐射灭菌也得到迅速发展。此外,随着同步辐射技术的发展,又出现了同步辐射光刻机和同步辐射精密加工技术,可以制造微型齿轮等微型零件。
 
离子束加工技术在工业中也有重要应用。离子注入半导体自 70年代起已成为集成电路制造的关键技术之一。离子注入金属材料可提高其耐磨、抗腐蚀、抗氧化性能并增加硬度。离子注入陶瓷材料可提高其耐磨、导电等性能并克服其脆性。离子注入光学晶体可改变其折射率,制造光波导、变频器等集成光学器件。离子注入聚合物可用于制造微电子器件掩膜,其分辨率好于光束和电子束。还可以用于人工关节等生物医学工程材料的改性,提高其耐磨性和生物相容性。近些年又发展了离子束沉积技术、离子束混合技术、离子束成膜技术、高能离子注入和极低能离子注入技术、强流离子注入和强脉冲离子注入技术等,其应用范围更为广泛。离子束技术在辐照损伤模拟、微电子器件抗辐射加固等研究中也有重要应用。
在无损检测技术中核技术占了很大比例并有显著优势。早期的射线探伤是用加速器产生的电子束打靶产生的 X射线照射工件形成平面图像。70年代医用 X-CT诞生后,80年代即出现了工业 CT,并很快应用到热轧无缝钢管的在线测试、发动机检测、以至大型火箭的整体测试中。无损检测的一个成功例子是集装箱检查。我国已成功地研制出了基于加速器的和基于 60Co源的集装箱检测系统,为海关缉私提供了强有力的工具。另一种重要的无损检测是中子照相,用其检测火药、继电器、发动机叶片等有很高的灵敏度和分辨率,在航天与航空工业和国防上有重要应用。
此外,工业核仪表如厚度计、密度计、料位计、核子称、火灾报警器等可在高温、高压、酸碱腐蚀等环境中工作,可以不接触、不破坏被测对象,这是其它仪表所不及的。世界上石油勘探中有三分之一是核测井完成的。
 
2.3 在医学中的应用[6]射线和粒子束技术在医学中主要有两个方面的应用:一个是核医学成像,另一个是肿瘤的放射治疗。核医学成像技术包括单光子发射断层成像( SPECT)和正电子断层成像( PET)。根据统计学方法的研究结果,SPECT可以比 X-CT提前三个月诊断出癌症,PET一般比 SPECT还要早三个月诊断出癌症。核医学成像技术不同于 X射线断层成像( CT)、磁共振成像( MRI)和超声波成像,在显像之前必须注射相应的放射性药物作为显像剂,其影像反映的是显像剂及其代谢产物的时间和空间分布。核医学成像技术是目前唯一能在体外获得活体中发生的生物化学反应、器官的生理学和病理学变化以及细胞活动信息的方法,可为疾病诊断提供分子水平的信息。在分子水平实现人体成像已成为当前发展的新热点。从医学成像的角度看,如何更好地在三维空间内实时地显示人体内部发生的病变在今天仍然具有挑战性。当前的任务是要进一步提高图像数据的采集速度、图像的空间分辨率和对比度。例如,消除影像和剂量计算中的噪声以及由这些噪声引起的伪影,提高图像质量和治疗时的定位误差。SPECT和 PET成像的优点是特异性好,能够用于早期诊断;其缺点是空间分辨率差,病理和周围组织的相互关系很难准确定位。把核医学成像叠加在诸如 X-CT成像、MRI高分辨率结构图像上进行定位是目前比较流行的方法。故图像的配准、分割和融合在医学成像中的应用是这个领域内一个重要的方面。
 
肿瘤的放射治疗是目前肿瘤临床治疗的三大技术之一。目前的放疗技术从使用的射线束看,可分为低 LET(传能线密度)放疗和高 LET放疗。前者包括 X-射线、γ-射线以及质子放疗,后者则包括中子和重离子放疗。放疗的主要装置是粒子加速器和 60Co源。放疗的一个重要问题是如何在准确地杀死癌细胞的同时,保护正常组织不受或者少受伤害。对于形状不规则的肿瘤,如神经胶质瘤,硼中子俘获治疗(BNCT)可达到较好的效果。放疗物理在世界当前的发展方向是发展用于放疗的各种新的装置,使得这些装置能够在临床上实现对肿瘤病人的实形调强放疗(IMRT),其中最为突出的是电子直线加速器和螺旋 CT结合形成的断层放疗( Tomotherapy)技术。为了保证放疗的治疗质量,保护病人的安全,加强对放疗设备的质量控制是一个重要发展趋势。同时,发展放疗计划软件、利用医学影像对治疗情况进行监
督、在放疗后对病人接受的剂量场分布进行重建并和治疗计划进行比较等工作都是十分重要的。
 
2.4 在农业和环境保护中的应用
辐射诱变育种技术是核技术农业应用的主要领域,业已取得了巨大的经济效益。据 2000年统计,全世界育成新品种已超过 2000个。自 20世纪 80年代以来,传统的 γ射线辐照育种已逐渐被中子和离子束辐射育种所取代。辐射加工技术可用于农产品的保存,如谷物杀虫和抑制发芽等。昆虫辐射不育防治技术是现代生物防治害虫方法中唯一有可能灭绝害虫的有效手段,在防治农作物病虫害方面已开始发挥作用。
在环境保护方面,辐照技术是三废处理的有力手段。发电厂和供热锅炉排入大气的 SO2和 NOx是环境污染的主要原因之一。在待排放的烟道气中喷入氨水并进行电子束辐照,脱 SO2率可达 95%,脱 NOx率可达 80%,且其副产品可做化肥。进一步的研究表明,电子束辐照烟气还可以达到减排 CO2的效果。对污水进行辐照处理不但可以消毒,还可以同时清除聚合物杂质,降低有机氯含量。辐射技术还可用于处理活性污泥和医院废物。此外,核分析技术在环境检测评价中也有重要应用。
 
3 放射性核素技术及其应用
3.1 放射性核素测年
基于衰变规律的 14C测年方法是过去数万年时间范围内最精确的测年方法,它使地质学和考古学从基于地层序列的相对纪年研究进入了绝对纪年的时代。80年代兴起的加速器质谱计使小样品 14C测年成为可能,其测量精度可达 0.3%,测量本底可好于 5万年[7]。加速器质谱方法的高灵敏度还使利用其它宇宙成因核素进行衰变法测年成为可能。例如,利用 10Be和 26Al可以测量岩石的暴露年龄与侵蚀速率,以及陨石的暴露年龄和居地年龄等。测年也可以利用天然放射性核素衰变的母子体平衡关系,典型的有钾—氩法和铀系不平衡法。近年来,激光探针微区 40Ar/39Ar定年技术和使用热电离质谱计(TIMS)的铀—钍定年技术先后出现。前者可以在数亿年的时间范围内对小样品进行测年,后者可以在数十万年的时间范围内进行高精度测年。基于核技术的测年方法还有利用样品受辐照历史的电子自旋共振( ESR)法、热释光( TL)法和光释光( OSL)法,以及利用铀的自发裂变效应的核裂变径迹( FT)法等。其中光释光方法近年来借助于激光技术的进步得到了很大的发展。
放射性核素测年技术在很多情况下可以发挥十分关键的作用。以考古学为例,意大利都灵大教堂一直作为圣物珍藏的耶稣裹尸布,经世界上三个加速器质谱实验室用 14C测年,被证明为 13世纪制造的赝品。在我国的夏商周断代工程中,加速器质谱 14C测年为夏商周年代框架的建立做出了关键性的贡献。周口店北京猿人的年龄,则是用核裂变径迹法测定的。
 
3.2 放射性核素示踪
放射性核素示踪技术具有灵敏度高、方法简便、不受环境和化学因素影响等优点,在各种学科的研究中得到广泛的应用。在地球科学和环境科学的示踪研究中通常采用自然界中存在的放射性核素。例如,利用 14C研究全球各大洋的洋流循环模式,利用 10Be示踪火山岩浆的来源从而验证板块俯冲理论,利用 36Cl示踪地下水的渗透率等。利用 129I示踪核泄露已成为当前进行核核查的重要手段。化学、生物与医学的示踪研究则多采用放射性核素标记化合物的方法,最常用的有 3H、14C、32P、125I、131I等标记的化合物。示踪技术在化学反应动力学、生物大分子结构与功能关系、蛋白质生物合成、药物代谢动力学等研究中都是十分有效的研究手段。DNA碱基排列和遗传密码的关系就是借助于 32P示踪方法揭示的。可以说,如果没有放射性核素示踪技术,就不会有今天的生物基因工程。示踪技术也可以应用于工业和农业。例如,在轴承中渗入 85Kr可获得磨损的信息。利用示踪技术还可以研究微量元素在农作物中的分布、迁移和转化规律,化肥和农药的损失及其在土壤中的残留,以及水土流失、草场退化等农业生态环境问题。应用 15N示踪研究施肥技术可提高氮肥利用率 10%~20%。近年来加速器质谱计成为示踪核素测量的新手段,使示踪灵敏度得到极大地提高,开拓了示踪研究的范围。例如,研究用 14C标记的基因毒性物质和 DNA、组蛋白的加合及其加合物的体内代谢动力学,
现在用加速器质谱计可以在环境剂量的水平下进行,其灵敏度可达 5×10-17 mol / mg蛋白质[8]。
 
3.3 放射性药物
放射性药物是用放射性核素标记的医用化合物及生物制品的总称,现已日益广泛地应用于临床诊断、治疗和基础医学研究。最早用于临床的放射性药物 Na131I早在 20世纪 30年代即开始用于甲状腺功能研究。放射性药物分体外和体内两种。体外放射性药物是一种分析试剂,用于血液及分泌物样品的放射免疫分析或免疫放射分析。目前体外放射性免疫诊断药盒的发展已日趋成熟。体内放射性药物用于配合核成像技术进行疾病诊断、或用于疾病的治疗。体内放射性药物由合适的放射性核素和输送该核素到靶器官的运载分子组成,放射性核素被标记在运载分子上。目前用于临床诊断的核药物主要是配合 SPECT成像的含 99mTc、67Ga、111In、123I、201Tl等核素的显像剂,以及配合 PET成像的含 11C、13N、15O、 18F等核素的显像剂。当前对显像药物的研究兴趣主要集中在基因、受体和功能蛋白质的显像剂— 分子影像学化学探针的研制上。用于治疗的放射性核素则有用于治疗甲状腺功能亢进的 131I、治疗白血病的 32P、治疗前列腺肿瘤的 90Y等,153Sm-EDTMP被广泛用于转移骨瘤的姑息治疗。在国外, 125I及 103Pd籽粒包埋技术已用于治疗某些肿瘤。近年来免疫学杂交瘤细胞制备单克隆抗体技术的发明,为研制免疫导向药物打通了道路。用放射性核素标记的单克隆抗体可以把放射性核素在体内集中到具有相应抗原的肿瘤细胞处,利用其衰变发出的 α或 β射线杀伤癌细胞。故这种药物被称为“生物导弹”。如 188Re或 90Y标记的单克隆抗体及其片断在肿瘤治疗和导向手术方面已得到应用。在基因治疗方面,放射性核素标记的反义核酸起着化学探针的作用,为基因治疗的实施提供必要的信息。 99mTc等核素可用反应堆或放射性核素发生器生产,而 PET用的短寿命放射性核素只能用加速器生产。目前放射性药物生产的一个发展趋势是用加速器生产的短寿命放射性核素逐步取代反应堆生产的长寿命放射性核素。
 
3.4 放射性核素电池
放射性核素电池是一种性能良好的空间能源,在航天领域用于月球自动观察、外层行星探索等。它亦可用于在海洋和陆地的恶劣环境下使用。
 
4 北京大学的核技术及应用研究工作
北京大学的核技术及应用研究工作主要分布在物理学院的重离子物理研究所和技术物理系,化学与分子工程学院的应用化学系和化学生物系,以及几所附属医院的核医学科。研究内容涵盖了加速器物理与技术、射线和粒子束与物质的相互作用、核探测技术、离子束分析技术、离子束加工技术、辐射加工技术、医学影像学与放疗物理、放射性核素测年与示踪、核药物研制等领域。
北京大学在国内率先开展了射频超导加速技术的研究,先后研制成功用于加速电子的纯铌超导加速腔、用于加速重离子的铜铌溅射超导加速腔和激光驱动光阴极电子枪。在强流离子加速技术方面,研制成功了整体分离环型射频四极场( RFQ)加速器,并发展了分离作用 RFQ结构,开展了强流质子 RFQ加速器的研究。自行研制的北京大学加速器质谱计的 14C测量精度达到了 0.4%~0.5%,在测年方面为夏商周断代工程做出了重要贡献,在示踪方面开展了尼古丁等基因毒性物质与DNA的加合及其代谢动力学的研究。北京大学自行研制的4.5MV静电加速器是我国最大的单级静电加速器。北京大学在核探测技术方面有很好的积累,曾研制过 ∆E-E气体电离室重离子探测器,与 4.5MV静电加速器配套的还有我国高校中最大的中子测量大厅和完善的中子探测手段。近年来北京大学参加了欧洲核子中心(CERN)的大型国际合作项目 CMS探测器的研制,所研制的大面积阻抗板计数探测器已通过了宇宙线测试和在 CERN进行的束流测试。与兰州放射性核束大科学工程配套的中子球探测器也正在研制之中。
北京大学有很强的离子束分析能力,拥有 RBS、沟道、 PIXE、NRA、ERDA等分析手段。在离子束物理及应用的研究方面,先后开展了高能离子注入半导体和光学材料、离子束金属材料改性、离子束辐照高分子材料、荷能离子辐照损伤的机理研究、强脉冲离子束技术及与材料的相互作用研究、团簇离子与固体相互作用研究及团簇离子辅助成膜、荷能离子辐照植物样品的原初物理过程研究等。目前主要开展的研究工作为荷能离子生物物理、强脉冲离子束物理及技术、荷能离子辅助纳米材料及结构制备等。北京大学在高LET辐射加工方面研究了中药的辐解机理与辐射修饰,为中药的出口与提纯提供了重要的应用基础和工艺。此外还研究了精细粉末橡胶的辐射硫化及应用,以及塑料增韧和热缩弹性体制备工艺等。北京大学在医学影像领域重点发展核磁共振成像的新原理、新方法及其在医学临床的应用;核医学成像的原理方法和药物代谢动力学及其在医学中的应用;医学图像的处理与分析方法及计算机辅助诊断、手术导航和放疗计划设计中的应用。在放疗物理领域开展放疗剂量学和放疗计划的研发工作。在肿瘤导向药物方面,开展了用放射性核素 111In、90Y、99mTc、186Re和 188Re标记单克隆抗体的系统研究。与此同时,在新的心肌灌注显像剂、组织乏氧显像剂及肿瘤多药耐药性逆转剂等方面也进行了探索。最近的研究重点是反义核酸和分子显像剂[9]。
 
致谢陈佳洱院士、赵渭江教授和王祥云教授对本文的写作提出了宝贵的意见,并提供了相关资料,在此表示衷心的感谢。
 
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