核技术应用课件.ppt

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1、核技术应用与辐射防护,9示踪原子的应用（1）机械磨损研究 无论何种机器，运转过程中都会发生磨损。检查和研究机器的磨损情况在实践中有重要作用。应用放射性同位素示踪方法，不仅可以测定内燃机机件（如活塞、活塞环、汽缸、曲轴）的磨损、滚动轴承的磨损、机床设备的磨损以及切削刀具的磨损，而且能为耐磨材料和润滑剂的选择、制订机器的合理运行规程、预防事故性磨损提供依据。,1,核技术应用与辐射防护,示踪法测定发动机机件磨损量，是在机件内装一个带有放射性的构件。发动机运转中磨损下来的放射性颗粒大部分落入润滑油中，可用核辐射探测仪器测定其放射性活度。因磨损量与油中放射性活度成正比，通过校准曲线可以将测得的放射性活度

2、转换成磨损量。 示踪法检查和研究磨损具有特殊价值：灵敏度高，可测出10-8 g重的磨损量；可以在不停机和不拆卸机器的情况下检查和研究机件磨损；能同时测量几个机件的磨损，从而查明不同因素对磨损的影响；可以进行连续测量。,2,核技术应用与辐射防护,（2）在冶金工业中的应用 例1：连续铸钢是炼钢工艺中一项重要技术。但用弧形连续铸坯轧成的薄板，表面常出现夹杂和气泡，影响薄板质量。将放射性核素45Ca、54Mn、95Zr等示踪剂放入钢水，混入杂质中，然后通过取样、射线照相和测量，发现薄板的气泡主要是内在夹杂引起的，连续铸坯的杂质含量比一般铸锭要少，但集中在内弧一侧，经反复轧制，趋向薄板的表面，随着温度和

3、压力变化，形成气泡。这一结果，为改进工艺，解决薄板夹杂和气泡问题提供了依据。,3,核技术应用与辐射防护,例2：研究合金中不同原子的扩散速度，对使用合金的部门是非常重要的，因为合金中原子相互配置有了改变，合金的性质就要发生变化。放射性同位素示踪技术为我们提供了一种研究扩散速度的有效方法。研究钴在镍基铸造合金中的扩散速度时，可以利用60Co为示踪原子，将它镀在合金表面，放入具有一定温度的真空管内，进行扩散退火。由于扩散作用，60Co跑到金属内部，再通过测定60Co在合金不同深度的活度，即可算出钴原子的扩散速度。,4,核技术应用与辐射防护,7.5 放射性同位素及辐射技术在医学上的应用 原子能科学技术

4、的发展也促进了医学的发展。核技术和医学相结合，形成了一门年轻学科核医学。,5,核技术应用与辐射防护,核医学的特点与作用： “它不仅为阐明代谢过程、探讨生命活动的物质基础及客观规律提供了灵敏、特异、快速和方便的研究手段，也为临床诊断、治疗及预防医学开辟了新的途径”。 “第一架望远镜打开了悠悠苍天；第一架显微镜打开了微生物世界；以放射兔疫分析为范例的放射性同位素方法，已经显示出在科学和医学上开辟新前景的势头”,6,核技术应用与辐射防护,核医学按其内容分为临床核医学和基础核医学。前者的主要任务是利用核技术诊断和治疗疾病，后者则主要是用核技术来研究疾病。,7,核技术应用与辐射防护,1在临床诊断方面的应

5、用 功能测定 应用放射性核素或其标记化合物，可以测定甲状腺、肾、心、肺和消化系统等的功能，并能进行血液系统检查。例如，甲状腺对127I和放射性碘的代谢完全相同，因此可以用123I、131I等放射性碘来研究甲状腺的功能。,8,核技术应用与辐射防护,脏器显像 选用合适的放射性核素或其标记化合物作示踪剂引入体内，采用扫描技术、闪烁照相技术或发射计算机断层仪，可以观察放射性核素在人体内的分布状况和动态变化，从而诊断脏器是否存在病变及确定病变所在的位置。,图7-31 单光子发射计算机断层照相机 （SPECT）,甲状腺显像,9,核技术应用与辐射防护,体外放射免疫分析 放射免疫分析（RIA ，Radio I

6、mmune Assay）是六十年代发展起来的一项新的体外超微量分析方法，它综合了放射性核素探测的高度灵敏性和抗原抗体反应的高度特异性这两大特点，具有灵敏度高、专一性强、准确性和精密度好、样品量少、应用范围广泛、便于标准化与自动化、不会引起对人体的辐射损伤，以及使用简便等突出优点。美国科学家雅罗与柏森于1959年建立并首先成功地应用了RIA方法，引起临床检验的重大革新，被认为是核医学最重要的成就之一，创始人因此而于1977年获诺贝尔奖。,10,核技术应用与辐射防护,图7-32 SN682B型免疫计数仪,图7-33 各类RIA药盒,11,核技术应用与辐射防护,2在临床治疗上的应用 放射性核素治疗疾

7、病，是利用它衰变时放出的射线在机体内引起电离作用，破坏病变细胞来达到治疗目的的。,（1）内服治疗 利用放射性药物参与体内代谢，选择性地浓集在某一组织器官中，达到选择性的照射治疗。 在放射性药物应用中最前沿的是导向治疗，其以特异单克隆抗体或“受体配基”作为载体，标记上高活度的放射性同位素，引入机体后，单克隆抗体可自动追寻攻击肿瘤细胞，而对正常组织损伤极小。,图7-34 放射性药物碘131,12,核技术应用与辐射防护,（2）放射性胶体治疗（“粒子刀”或种子治疗） 将放射性胶体注射于肿瘤组织内，或注入到因肿瘤转移而引起的胸、腹腔积液的浆膜腔内，这些放射性胶体颗粒可在停留部位对局部进行照射，从而控制或

8、抑制肿瘤的播散和胸、腹水的生长。,图7-35 “粒子刀”设备外观展示,I-125密封籽源,13,核技术应用与辐射防护,左轮式植入枪,14,核技术应用与辐射防护,（3）放射源治疗 将放射性物质密封在不同形状和大小的源壳内，然后直接放在体表病变部位进行局部照射，以达到治疗目的。,图7-36 用90Sr90Y放射源敷贴治疗血管瘤,15,核技术应用与辐射防护,（4）射线远距离体外照射治疗 此方法是利用活度很大的辐射源放射出来的射线，集中照射患病部位进行治疗。远距离体外照射治疗最常见设备为“伽马刀”，但最近的研究发现，使用质子或粒子可能更为有效，有报道称质子治疗设备已经投入了临床应用。,16,核技术应用

9、与辐射防护,伽玛刀是立体定向放射外科（Stereotactic Radiosurgery）的主要治疗手段，是根据立体几何定向原理，将身体正常组织或病变组织选择性地确定为靶点，使用钴-60产生的伽玛射线进行一次性大剂量地聚焦照射，使之产生局灶性的坏死或功能改变而达到治疗疾病的目的。由于放射线在靶区分布的特殊性，周围组织几乎不受影响，其靶区坏死边缘如同刀割，故形象称之为“伽玛刀”。,伽马刀（Gamma Knife）,17,核技术应用与辐射防护,伽玛刀虽然称之为“刀”，但无需手术，以颅内肿瘤治疗为例，主要治疗过程包括： （1）患者头部固定立体定位框架。 （2）影像学扫描（CT或MRI）。 （3）制订

10、治疗计划和确定处方剂量。 （4）实施治疗。 （5）卸掉立体定位框架。 全部过程大约需要24小时。与开颅手术相比，不存在手术造成的感染、出血等危险，术后几乎没有或仅有极其轻微的并发症，绝大多数病人不需住院，门诊即可治疗。,18,核技术应用与辐射防护,1994年7月在中国深圳诞生了世界上第一台旋转式伽玛刀，1996年正式用于临床，截止2001年9月底，全国有近20台左右在使用，累计治疗病例15000余例。,图7-37 旋转式伽马刀（中国，深圳）,在高端医疗设备的生产中，CT、核磁共振等设备的核心技术都在别人的手里，惟有伽玛治疗系统的核心技术是掌握在中国人自己的手中，并已拥有世界上包括美国在内的7个

11、国家中的知识产权。,19,核技术应用与辐射防护,3在基础医学研究中的应用 放射性示踪方法的应用在医学科学中引起了划时代的变化，使核医学工作者有可能从分子水平动态地认识生命的本质，帮助人们揭开生物体内和细胞内精细的、复杂的理化过程，有助于深入细致地研究生命活动的物质基础、疾病的病因，以及药物的作用原理，大大地推动了医学科学的发展。,20,核技术应用与辐射防护,大量实验研究表明，痛觉与前列腺素E、脑啡呔和环磷酸腺苷的浓度有密切关系。我国医学工作者用RIA方法测定针麻诱导前后血浆中环磷酸腺苷的含量，发现针麻效果优良者，血浆中环磷酸腺苷的含量有保持恒定或下降趋势；针麻效果差者则有升高的趋向。这个结果对

12、针麻原理的研究提供了有益的线索。,21,核技术应用与辐射防护,人体的穴位注入32P，通过盖革-缪勒计数器来探测，观察到经络循行线路上的放射性强度比两侧的对照部位高，证明穴位注射后，放射性同位素是循经走向的，移动速度是0.14 cm/s ,而且与古典医籍中描述的线路相符。在穴位外注射，则没有同位素循经移动的现象。,北宋天圣穴位铜人（1072年）,22,核技术应用与辐射防护,直接标记中药中的有效成份再进行体外或体内分析的方法，不仅用于中药的生物分布和归经关系,也适用于对药物的吸收、分布和排泄等药物代谢动力学的研究。,例如，邹节明等用放射性同位素示踪技术观察了淫羊藿苷在单一状态以及复方(加人参、丹参

13、等) 状态下，经口服后在体内的吸收、分布与排泄等变化，结果显示：单组分给药后淫羊藿苷在肾上腺中含量较高，持续时间较长，说明肾上腺是淫羊藿苷的最敏感器官；复方给药后，淫羊藿苷在肾上腺中含量更高，持续时间更长，说明复方中的其他组分对淫羊藿苷在靶器官中的分布有一定的促进作用。,23,核技术应用与辐射防护,4在药物和医疗用品消毒及杀菌中的应用 除了通常采用高温消毒和氧化乙烯气体消毒之外，辐射在医疗用品消毒中变得越来越重要。辐照是一种冷处理，这一事实使那些对热敏感的制剂和包装材料得以消毒。与热消毒相比，辐射消毒的方法不仅能对预先密封的包装消毒，使得更适用的包装材料可以利用，而且可调整为连续工艺，便于规模

14、化进行。,图7-38 用加速器对医疗用品消毒,图7-39 经辐射消毒的医疗用品,24,核技术应用与辐射防护,辐射消毒中明确物质的辐射敏感性是非常重要的。辐射敏感性是杀死规定份额细菌所需要的平均剂量（例如把微生物的数目减少到原有数协1/e所需的剂量）：,式中：n0是辐照前系统中的微生物数目，n是辐照后系统中的微生物数目，D是剂量，k1/e表示耐辐照的特征常数，其值在很宽的剂量范围内是一样的，但是依赖于温度、微生物的年龄、氧或水的存在、PH值等。各种微生物的辐射敏感性按以下顺序递减：无性繁殖类霉菌酵母细菌的孢子病毒。 严格确定所用剂量是非常重要的，超剂量会引起化学高温分解，物质焦化。,25,核技术

15、应用与辐射防护,7.6 放射性同位素及辐射技术在环境科学中的应用,以射线或高能电子束（0.52 MeV）为基本手段进行废气治理、废水处理、污泥处置及消毒等，目前已初步达到工业化水平。 运用放射性同位素示踪技术，实现环境污染物的监测、研究气候的变迁、探讨水资源的再生和循环等。 利用放射性检测技术，实现烟火报警、粉尘检测等。,26,核技术应用与辐射防护,1电子束烟气脱硫脱硝技术与废气的辐射处理 日本荏源公司在1970年提出了利用电子束辐照对烟气进行脱硫脱硝技术，其原理是利用电子加速器产生的高能电子束的碰撞、激发作用，产生大量活性很高的自由基或其他粒子，使烟气中的SO2和NOx转化为硫酸和硝酸，同时

16、与加入的氨中和，形成肥料。反应包括3个过程： （1）氧化活性物质的生成。 （2）SO2与NOx氧化，并与水汽作用生成硫酸、硝酸，继而形成酸雾。 （3）硫酸氨和硝酸氨的生成。 与常规烟气脱硫技术相比，该法优点为：属干法脱硫，可以同时脱除烟气中的氮氧化物，脱除率高达80以上；其工艺简单，系统阻力小，开、停车方便；对烟气中硫、氮氧化物浓度变化的适应性强，能副产肥料，无废渣产生。,27,核技术应用与辐射防护,我国对电子束烟气脱硫技术的研究起步也较早，中国科学院上海原子能研究所曾承担了国家“七五”攻关项目，在这方面取得了一定研究进展，小试和中试都取得了较好效果。在此基础上，1995年我国与日本荏源公司合

17、作在成都热电厂建立了一套处理烟气规模为 300 000 m3/h的示范工程，并于1997年开始投入运行。,在中国，烟气已经成为环境污染的主要方面,28,核技术应用与辐射防护,图7-40 电子束烟气脱硫脱硝工艺流程,29,核技术应用与辐射防护,电子束烟气脱硫脱硝系统中的反应器,30,核技术应用与辐射防护,31,核技术应用与辐射防护,2废水的辐射处理 在射线作用下，水及水中的溶解物都可被分解，而水受到辐射会产生水合电子、正离子、激发态粒子、OH和H自由基等活性中间体，这些物质都具有比较高的反应活性，可与水中的污染物质反应，使之分解而达到净化效果。,32,核技术应用与辐射防护,王彦丽等研究了500k

18、eV电子束对氯苯含量为850 mg/L的废水的降解作用，结果（图7-94）表明，随辐照剂量的增加，氯苯的浓度迅速下降，当剂量达到5kGy时，氯苯的浓度降至净化标准1 mg/L。,图7-41 氯苯的浓度随辐照剂量的变化关系,33,核技术应用与辐射防护,此外，他们还进行了工业废水的射线辐照与臭氧结合的综合处理研究，也取得了很好的效果。图7-95给出了废水中溶解有机碳（DOC）的降低和辐照剂量的关系。,图7-42 废水中的溶解有机碳与辐照剂量的关系,34,核技术应用与辐射防护,顾建忠等用电子束对造纸厂废水进行了辐照处理，用比色法和重铬酸钾法测量辐照前后的色度变化和CODCr（化学需氧量），结果发现，

19、经0.5 kGy剂量辐照后，废水的CODCr值和色度值均下降一半以上。 上述实例虽然说明辐射处理废水具有很好的应用价值，但对于大部分工业废水而言，单纯依靠辐射处理所要求的辐射剂量过高，因此，将该技术与常规水处理技术结合使用才具有更大的可行性。,35,核技术应用与辐射防护,3固体废物的处理 由于辐射技术具有优良的杀菌效果，因此在港口粪便、医院废弃物、城市垃圾和污泥消毒处理方面是最有效的方法之一，甚至有人认为辐射技术结合其他技术如堆肥化、化学改性等对固体废弃物进行综合改性是解决城市垃圾、污泥等固体废弃物的最好出路。,36,核技术应用与辐射防护,1973年德国在慕尼黑建立了世界上最早的污泥辐射处理厂

20、，用60Co作辐射源，处理量为5.7 m3/批。1976年，美国在波士顿的Deer岛建成研究性的电子束污泥辐照装置，处理容量为380 吨/天。在此基础上美国于1984年又在一大型水处理厂建成污泥辐照装置，处理量为27 吨/小时，处理过的污泥经存放后农用。,37,核技术应用与辐射防护,有毒难降解有机物，如多环芳烃（PAH）、多氯联苯（PCBS）、二噁英（Dioxin）等都属于病毒性、“三致”性物质，由于其难以被生物降解，会在生物体内累积发生毒害，而且还可通过食物链的形式传递，因此对这类污染物的处理和控制备受关注。考虑到适当剂量的辐射可以使有机大分子降解，因此辐射降解成为处理这类污染物的一种有效方

21、法。,4环境有毒难降解有机物处理,例如，Roger等用射线对土壤中2,3,7,8对二苯并二噁英（TCDD）进行了辐射处理研究，当辐照剂量约在 800 kGy，土壤中二噁英浓度为100 g/L、含水率为25时，其降解率达到 90以上。,38,核技术应用与辐射防护,5环境污染物监测 （1）水体和食物中过量的硝酸盐被视为一种污染物，早在20世纪40年代就曾报道饮用水中的硝酸盐可引起婴儿高铁血红蛋白症，俗称氰紫症。硝酸盐在胃肠中可以还原为亚硝酸盐，而亚硝酸盐可以形成致癌物质亚硝酸氨危及人畜的生命健康。为此，世界卫生组织规定饮用水中硝酸盐含量应低于10 mg/L。如何监测水体和食物（特别是饮用水）中的硝

22、酸盐含量，判定污染来源，如今已经成为各国环境工作者重要工作之一。大量研究表明，利用N同位素法具有很好的效果。,39,核技术应用与辐射防护,自然界中氮的原子形式有14N和15N两种。不同物质氮同位素组成不同，例如，大气中14N和15N的存在比例为99.635%和0.365。一般情况下，地球上所有含氮化合物15N/14N的比值都接近0.368%，与大气中15N/14N的比值很接近。根据这一现象，可以用大气中15N/14N的比值为标准，通过计算氮同位素值15N来判定氮污染状况和来源。15N定义为：,（7-11）,40,中国太湖地区的地表水氨氮及硝酸盐含量均较高，15N也较高，达到1.93%2.83%

23、，说明存在生活污水（1.0%1.7%）和动物排泄物（1.0%2.2%）注入，同时，太湖湖面的大规模围网养殖、饲料的投入也是重要的氮污染源。,41,核技术应用与辐射防护,（2）氡是一种隋性气体，无色、无臭、无味，比空气重，1900年由德国科学家发现。氡及其子体存在于一切生活和工作环境中，其照射约占全球年均个人天然辐射照射剂量的50%。有研究表明，氡及其子体照射是致非吸烟者肺癌的首位环境因素和致吸烟者肺癌的第二位环境病因。我国肺癌死亡率从1990年以来上升十分明显，平均每年增长5%。一般认为肺癌上升不仅与我国成年男性吸烟和女性被动吸烟率的增加关系密切，而且也与城市地区空气污染及室内氡水平升高存在一

24、定的关系。,42,室内氡的来源主要途径有：地基土壤中的氡、建材中的氡、水中的氡、天然气中的氡和室外空气中的氡，可以说无处不在。 虽然由于氡本身的特殊性，检测氡污染水平需要特殊设备，但减少氡污染危害却存在非常简单和有效的办法。,图7-43 FD-3017型土壤测氡仪,核技术应用与辐射防护,43,核技术应用与辐射防护,6在其他环境领域的应用,（1）烟火报警离子感烟式探测器。属于点型探测器，相当于一个含有少量放射性物质（如Am-241）的电离室。放射性物质发出的射线使局部空气成电离状态，经电压作用形成离子流，这就给电离室一个有效的导电性，允许一定电流在两个电极之间的空气中通过。当烟粒子进入电离化区域

25、时，由于它们与离子相接合而降低了空气的导电性，形成离子移动的减弱。当导电性低于预定值时，探测器发出警报。,44,核技术应用与辐射防护,图7-44 大型楼宇中常见的离子感烟式探测器,45,核技术应用与辐射防护,（2）粉尘监测。环境中的粉尘对人的健康，以及工业生产等具有重要影响。传统粉尘浓度测量采用称重法，其工作程序繁多，而且抗干扰能力差，结果不准确。为解决这一问题，河南郑州光力科技发展有限公司研制了GH 100 型直读式粉尘浓度测量仪（图7-98），其采用射线吸收法，通过测定采集在滤膜上的粉尘密度来确定粉尘浓度，准确度好于5%。,图7-45 GH100型直读式粉尘浓度测量仪,46,核技术应用与辐

26、射防护,（3）利用穆斯堡尔效应可以实现一些污染物的监测。南京大学夏元复教授等曾做过这方面的工作：刮取南京钢铁厂厂内、厂外和中山陵等地悬铃木上的绿斑并压成薄片来作为穆斯堡尔吸收体样品，放射源是25 mCi的57Co，探测器用的是NaI。测量得到的穆斯堡尔谱如图7-99所示。,图7-46 不同地点悬铃木绿斑穆斯堡尔谱,47,核技术应用与辐射防护,（4）更多应用：利用氚同位素作示踪剂，可以追踪水循环机理，推算流域水资源储存量、补给量和流出量；根据地下水氢氧同位素组成可判断地下水来源；利用碳、氢、氧同位素的组成及变化能够研究古气候和古环境；利用同位素技术分析河流古洪水平流沉积物，可以确定洪水发生年代及

27、最高水位，从而精确分析洪水流量（例如，河海大学詹道江和谢悦波教授通过对长江三峡工程、淮河响洪甸水库、滹沱河岗南和黄壁庄水库、黄河小浪底水库等地古洪水沉积同位素测年分析，取得了多场古洪水发生的年代及相应的洪峰流量）；利用碳同位素研究森林碳循环机制，可对碳元素在植物体内，以及在植物、土壤、大气之间的迁移过程准确追踪。,48,核技术应用与辐射防护,7.7 放射性同位素及辐射技术在考古科学中的应用,49,核技术应用与辐射防护,1年代测定 碳14法,碳14法是1946年由威拉德里比（Libby W F）创立的，可以精确测定几百年至五万年内含碳物质年龄。,在高空大气层中，来自宇宙射线的中子轰击氮原子，不断

28、地产生14C：,（7-12）,接着，14C发生衰变又变成氮：,（7-13）,50,核技术应用与辐射防护,最后14C产生速率等于其衰变速率，达到永久平衡，大气中14C的浓度为一定值。,新产生的14C很快氧化变为14CO2，并参与大气循环。植物光合作用吸收大气中的14CO2，14C进入植物体，以植物为食的动物体内亦含有14C。实验测定证实，植物、动物、碳酸岩和海水中的14C的相对含量与大气中一样，而且在最近数万年内，其含量基本恒定。,51,核技术应用与辐射防护,动、植物死亡或者碳酸岩沉积后，它们与外界的碳交换作用停止，原始的14C严格按照放射性衰变规律随时间减少。根据含碳样品中14C减少的程度，可

29、以计算从生物死亡或碳酸岩形成至现在的年代t：,（7-14）,式中：为14C 的衰变常量；A0为处于交换运动中的14C 的比活度；A为现代样品（所测样品）中14C的比活度。,52,核技术应用与辐射防护,我国考古工作者用14C法测定了各种含碳样品的年龄，例如：经14C测定，旧石器时代晚期的著名遗址北京周口店山顶洞人遗址，距今20000年；西安半坡遗址出土的小米、浙江河姆渡遗址中出现的大量种植的水稻，经14C年代测定，距今 6500年，说明6500年前我国就有相当发达的农业；从湖北某水库工地河床下（5米深处）挖出的木头，经测定距今6500年，由此可推断泥沙淤积的速度。,1986年从三星堆遗址发掘的文

30、物，据碳-14测定，时间远在三千年前。比“世界第八大奇迹”秦始皇兵马俑早一千年。,53,核技术应用与辐射防护,表7-4 测定物质年龄的基本方法,54,核技术应用与辐射防护,2.中子射线照相法（NR）考古 1948 年 Kallmann 开始了中子射线照相技术的研究，当时主要运用热中子作为激发源。 1975 年,O.H. Hilling 首先将这种技术运用于文物研究中，通过对一件中国早期青铜礼器拍片研究发现，青铜礼器的一个足中有泥范心存在。 中子射线照相是考证古代文物内部结构、制造工艺等的重要手段，可用于青铜器构造研究、油画特征研究与真伪鉴别等。,55,核技术应用与辐射防护,图7-47 中子照相

31、设备,56,核技术应用与辐射防护,X射线照相考古与中子射线照相考古的区别： 中子射线照相法的激发源用的是热中子，而X射线照相法用的是 X 射线； 中子射线照相法可穿透的是较厚的物质，而 X 射线照相法以穿透较薄的物质为主； 在对金属、有机物、陶瓷器进行检测时，X射线照相法无法在同一张底片上观察到不同种类的物质，而中子射线照相法可将不同质地的物质在一张底片上显现。,57,核技术应用与辐射防护,图7-48 Kenbyo青铜瓶a青铜瓶原物；bX射线照片；c中子射线照片；d取出物,58,核技术应用与辐射防护,3穆斯堡尔效应考古 Takeda等用119Sn研究了我国古代的铜钱，并得到了几种古钱币的特征穆

32、斯堡尔谱，籍此，不仅可以用来鉴定古币真伪，进行断代，而且可以结合历史资料来研究古时的冶金工艺。,图7-49 中国典型古币穆斯堡尔谱,中国古币,59,核技术应用与辐射防护,7.8 放射性同位素及辐射技术在材料科学中的应用 （1）材料结构与成分分析 （2）离子注入与材料改性,射线很早就用来探索物质结构。1911 年，物理学家卢瑟福和他的学生们用射线轰击金属薄膜，来观测穿过金属膜后粒子飞行方向的分布，提出了著名的卢瑟福原子核式结构模型，开创了用射线束来研究物质结构的新途径。,60,核技术应用与辐射防护,材料科学中的核分析技术,超精细相互作用核分析,穆斯堡尔效应,核磁共振技术,正电子湮没技术,中子散射

33、技术,离子束分析,卢瑟福背散射,核反应分析,质子荧光分析,加速器质谱学,沟道效应分析,活化分析,光子活化分析,中子活化分析,带电粒子活化分析,61,核技术应用与辐射防护,穆斯堡尔效应,图7-50 山东昌乐的蓝宝石样品和它的穆斯堡尔谱,62,核技术应用与辐射防护,核磁共振技术 核磁共振现象是1945年美国Bloch F小组（用感应法发现液态水的核磁共振现象）和Purcell E M小组（用吸收法观测到石蜡中质子的核磁共振现象）分别发现的，为此，Bloch和Purcell分享了1952年诺贝尔物理学奖。 核磁共振是指原子核在进动中吸收外界高频磁场能量产生的一种能级跃迁现象。根据选择定则，这种跃迁只

34、在相邻的能级之间发生，同时出现强烈的能量共振吸收。与穆斯堡尔效应相比，其可探测的核要多很多，精度也非常高。近年来发展的固体高分辨核磁共振技术，最大的特点是能反映各种相互作用和各向异性，例如对高聚物和液晶的研究可得到其他技术不可替代的结构信息。,63,核技术应用与辐射防护,正电子湮没技术 由源发出的正电子遇到电子会湮没成两个光子，即一对射线。通过对湮没寿命的测量、湮没关联测量和射线的多普勒增宽能谱测量可研究材料的结构。正电子湮没技术的应用是从20世纪50年代开始的，目前国际上最多的PAT应用还是对金属和合金材料的研究。,图7-52 22Na慢正电子束流装置（左）和它的数据获取系统（右）,64,核

35、技术应用与辐射防护,核技术应用与辐射防护,中子散射技术 1932年，英国物理学家查德威克（Chadwick J）发现中子以来，中子散射技术已成为固体结构研究的一种不可或缺的手段。平均动能为0.025 eV的热中子，相应的波长为0.11 nm，这正好接近物质结构中原子运动的能量和原子间的距离。近年来发展起来的冷中子散射是研究凝聚态物质、聚合物和大分子的有力工具。,图7-53 X射线观察到的含水 图7-54 中子散射观察到的含大分子的结构 水大分子的结构,65,核技术应用与辐射防护,核技术应用与辐射防护,卢瑟福背散射（Rutherford Backscattering Spectrum，RBS）和

36、弹性前冲分析（EDR）统称为带电粒子弹性散射分析。入射离子和靶原子由于库仑相互作用而被散射，这就是卢瑟福弹性散射过程。通过测量散射离子能谱和进行运动学的分析可对靶元素作定性、定量和深度分析。RBS探测重元素灵敏度很高，对半导体材料和冶金材料尤为适用。,66,核技术应用与辐射防护,核技术应用与辐射防护,RBS的束流装置,67,核技术应用与辐射防护,核技术应用与辐射防护,核反应分析（Nuclear Reaction Analysis，NRA）与RBS不同之处在于入射离子的能量很高，可以穿过靶核的库仑势垒而进入核内并与之发生核相互作用。根据核反应产物的放射性寿命的长短，可分为带电离子核反应缓发分析（

37、带电离子活化分析）和带电离子核反应瞬发分析（PNR）。核反应分析灵敏度高，能够区分不同的同位素，特别是能给出轻元素的浓度分布。,68,核技术应用与辐射防护,核技术应用与辐射防护,质子荧光分析（Particle Induced X-ray Emission，PIXE）就是用一定能量的质子轰击样品，从样品原子中激发出特征X谱线，测量这些特征X谱线的波长、能量和强度等来确定样品各元素的种类和含量。,69,核技术应用与辐射防护,核技术应用与辐射防护,加速器质谱学（Accelerator Mass Spectrometry，AMS）与常规的质谱分析相比，AMS又叫超灵敏质谱分析。它能测定同位素比十分低的

38、元素，能采用毫克的样品进行分析。加速器质谱分析主要测量14C、26Al、10Be、36Cl等宇宙成因核素的同位素丰度，是20世纪70年代中期发展起来的，已被广泛应用于地球科学、考古学、环境科学、生命科学、材料科学、核物理与天体物理等众多领域。,70,核技术应用与辐射防护,核技术应用与辐射防护,沟道效应分析（Channeling Technology，CT）是利用带电离子与单晶体的相互作用来研究物质微观结构的一种分析技术。 带电离子入射到单晶上时，由于原子列或原子面通过一系列相关联且和缓的小角度碰撞对高能离子起“导向”作用，使得单晶靶的晶向相对入射束变化时，背散射粒子的产额由于沟道效应而发生明显

39、变化。沟道效应分析可以用于测量晶格损伤程度及深度分布、杂质原子在晶格中的位置以及无定形表面层的组成与厚度等许多方面。,71,核技术应用与辐射防护,光子活化分析（Photon Activation Analysis，PAA） 利用的主要核反应是（，n），对于原子序数小的轻元素，核反应（，p）也是重要的。与热中子活化分析相比，它适用于测定碳、氮、氧、氟等轻元素和某些中、重元素，如钛、铁、锆、铊和铅等。与带电粒子活化分析相比，干扰反应较少。 光子活化分析于1934年由英国物理学家J.查德威克和M.戈德哈伯首次实现。,72,核技术应用与辐射防护,中子活化分析（Neutron Activation An

40、alysis，NAA） 利用的核反应有（n，）、（n，P）和（n，）。热中子反应几乎都是（n，），反应载面一般比较大，而且很少有副反应产生，因此热中子活化分析在中子活化分析中一直占有首要地位。中子活化分析可以测定原子序数183中的77种元素。,中子活化分析于1936年由匈牙利化学家G.C.de赫维西和H.莱维首次完成 。,73,核技术应用与辐射防护,带电粒子活化分析（Charged Particle Activation Analysis，CPAA） 利用的核反应有（P，n）、（P，）、（P，）、（，n）、（，p）等。带电粒子的射程很短，引起的核反应基本上发生在样品表面，适宜于作表面分析。带电

41、粒子对元素的反应载面比热中子小，活化反应比较复杂，但优点是能测定用中子活化和光子活化分析无法测定的锂、铍和硼等轻元素。 带电粒子活化分析于1938年由美国化学家G.T.西博格和J.J.利文古德第一次进行。,74,核技术应用与辐射防护,2离子注入与材料改性 离子注入材料改性是指用离子、分子、团簇等轰击固体材料，使其表面形成一定深度的注入层，从而使材料表面的物理性质、化学组成等发生变化，最终导致材料改性。 离子注入与其他表面加工技术相比，有很多独特的优点：注入层与靶材无明显分界面；注入只改变材料的表面性质而不影响其内部结构；注入离子的种类、深度、浓度及分布等易于控制。 由于离子注入技术给新材料的制

42、备带来了突破，所以其迅速在半导体、金属、陶瓷、聚合物及生物材料等各个领域中得到了应用。,75,核技术应用与辐射防护,图7-55 MEVVA离子注入机（北京师范大学）,图7-56 TEML-450强流脉冲离子加速器（大连理工大学）,图7-57 商业应用的离子束缸体硬化机,76,核技术应用与辐射防护,半导体离子注入改性原理,77,核技术应用与辐射防护,（1）半导体材料加工 离子注入在半导体加工中应用最为广泛，其主要应用包括大规模集成电路、微波、激光和红外集成元件与电路。离子注入技术于20世纪60年代应用于半导体领域，形成了精细掺杂工艺和微细加工技术。离子注入可以精确控制掺杂量和注入深度，特别适于小

43、于1 m的亚微米加工和实现多层复杂注入，因而促进了大规模集成电路的产生，推动了超大规模集成电路的发展。,图7-58 离子注入半导体晶片,78,核技术应用与辐射防护,（2）金属改性与离子束冶金学 金属的表面改性研究。金属表面注入某些离子，可以获得一般冶金工艺难以得到的表面合金相，从而对金属表面的硬度、抗腐蚀性、耐磨性以及催化性能等有显著的影响。 生成一些原来难以产生的合金，并形成了一门新的学科离子束冶金学。,图7-59 金属改性得到的硬质合金锯片,79,核技术应用与辐射防护,（3）无机非金属材料的改性 离子注入无机非金属材料可以广泛改变其物理、化学、电学、光学、机械和磁性特性。 例如：离子注入光

44、学材料，改变其光学性质（如折射率）已是集成光学一项重要技术。离子注入SiO2玻璃，可使其折射率改变1%，注入金属杂质可得到更大的改变。,80,核技术应用与辐射防护,（4）高分子材料改性 离子和团簇注入高分子材料的改性研究是近年来一个非常活跃的领域。 用离子轰击聚合物，聚合物表面出现“石墨”化现象，可用作高质量的掩膜，是集成电路技术中具有应用前景的领域。 离子注入聚合物引起表面硬度的增加，已广泛用于人造关节、深水仪器等领域。,81,核技术应用与辐射防护,（5）新型医用材料的研制 改性对象主要有钛合金、Co-Cr合金、不锈钢、高分子聚合物及医用陶瓷材料等。常用的有离子注入钛合金关节和聚合物臼，可以

45、改善二者抗磨损和抗腐蚀性能，明显提高使用寿命。在大规模工业生产中，离子注入人造假肢是一个典型的例子。1987年，美国离子束改善医用假肢每年的加工量为几千只，到1994年猛增到10万只，可以看出这个新型领域发展十分迅速，有着诱人的市场前景。,图7-60 离子注入钛合金髋关节,82,核技术应用与辐射防护,（6）纳米材料的研制 制备纳米材料：用同位素分离器使具有一定能量的离子硬嵌在某一与它固态不相溶的衬底中，然后加热退火，让它偏析出来就会形成纳米颗粒。通过改变注入离子的能量和剂量，以及退火温度可以控制形成的纳米微晶在靶材中的深度分布和颗粒大小。 纳米材料的改性 纳米蚀刻术,图7-61 纳米刻蚀,83

46、,核技术应用与辐射防护,7.9 放射性同位素及辐射技术在反恐、反走私方面的应用,该系统由放射源、探测器、图像处理系统、拖动系统、控制系统和辐射防护与安全系统六部分组成。当集装箱通过时，快门自动打开，钴60发出的射线被准直器约束成扇形片状窄束照射被检集装箱，探测器将接收到的射线转换成电信号，送到计算机进行图像处理，并在屏幕上显示，由此可以判别箱内是否存在走私品、武器或炸药。,图7-62 钴60集装箱在线监测系统（清华大学）,84,核技术应用与辐射防护,美国A026移动式车辆及货物监测系统,图7-63 钴60集装箱在线监测系统（清华大学）,85,核技术应用与辐射防护,在加速器中，被加速的电子束经过扫描磁铁时被扫描成电子帘，当传送带上的被辐照物品通过高能电子帘辐射区吸收一定的电子束剂量后，被辐照物品中生物细菌就可以被全部杀死。图为我国自行研制的自屏蔽式电子束辐照灭菌装置，它能杀灭邮件、邮包中的炭疽、天花、鼠疫等生物细菌，而且经过处理的邮件等不会残留任何放射性，为打击恐怖主义活动、保障人民生命和健康发挥了重要作用。,图7-64 22.5 MeV自屏蔽式电子束辐照灭菌装置,86,