核工程与核技术专职业生涯与发展规划

核技术及其应用的发展

摘要从应用的角度讲,核技术主要包括射线和粒子束技术与放射性核素技术。前者主要包括

核分析技术、辐射加工与离子束加工、无损检测、工业核仪表、核医学成像、肿瘤放疗和辐射诱变育

种技术等;后者则主要包括放射性核素测年、放射性核素示踪和放射性药物。射线和粒子束与物

质的相互作用是核技术的物理基础,粒子加速器技术和核探测技术是核技术的主要支撑技术。本

文介绍了上述各技术领域的发展,并介绍北京大学的核技术及应用研究工作。

关键词核技术; 应用; 粒子加速器; 核探测技术; 射线; 粒子束; 放射性核素

中图分类号TL 5 ; TL 8 ; TL 92 ; TL 99 ; O 571. 33 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、工农业和其他方面有

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 s。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叉这一特点,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3 500 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8 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1 000 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