核技术及其应用的发展

核技术及其应用的发展

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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。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%。

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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。