放射性同位素與輻射技術(shù)

1、核技術(shù)應(yīng)用(yngyng)與輻射防護(hù)第七章 放射性同位素與輻射(fsh)技術(shù)共一百零六頁7.4 醫(yī)療(ylio)中的放射性同位素與輻射技術(shù) 核科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也促進(jìn)了醫(yī)學(xué)的發(fā)展。放射性同位素與輻射技術(shù)和醫(yī)學(xué)相結(jié)合，形成了一門年輕學(xué)科(xuk)核醫(yī)學(xué)。核醫(yī)學(xué)的發(fā)展是醫(yī)學(xué)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志之一，“它不僅為闡明代謝過程、探討生命活動(dòng)的物質(zhì)基礎(chǔ)及客觀規(guī)律提供了靈敏、特異、快速和方便的研究手段，也為臨床診斷、治療及預(yù)防醫(yī)學(xué)開辟了新的途徑”。 共一百零六頁 核醫(yī)學(xué)按其內(nèi)容分為臨床核醫(yī)學(xué)和基礎(chǔ)核醫(yī)學(xué)。前者的主要任務(wù)是利用核技術(shù)診斷和治療疾病，后者則主要是用核技術(shù)來研究疾病。 除了核醫(yī)學(xué)以外，放射性同位素與輻射(

2、fsh)技術(shù)還被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的其它方面，例如用放射性同位素示蹤方法研究藥物的作用機(jī)理，以及用輻射(fsh)技術(shù)對(duì)醫(yī)療用品進(jìn)行消毒等。 共一百零六頁7.4.1 臨床診斷(zhndun)中的放射性同位素示蹤技術(shù)1. 診斷(zhndun)原理 人體對(duì)某元素的穩(wěn)定同位素和它的放射性同位素的代謝是完全一樣的。 一些用放射性同位素標(biāo)記過的化合物能夠選擇性地積聚在某些器官中，通過掃描測定它們?cè)谄鞴僦械姆植?，可以了解該器官的功能狀態(tài)，并判別其是否存在病變。 放射性同位素隨血液流動(dòng)的情況，如果用合適的儀器予以測定和記錄，就可以進(jìn)行動(dòng)態(tài)研究。共一百零六頁 通過某器官的放射性同位素的量，可以用數(shù)字形式或類似

3、技術(shù)記錄下來，由此能夠確定器官的代謝功能是否正常。 利用放射性同位素在血液中的稀釋作用，可以測定血容量。 通過對(duì)特定放射性同位素排泄的估算，可以診斷(zhndun)某些疾病。 采用放射性同位素和特定生物化合物結(jié)合的技術(shù)，可以測定血、尿中的微量成份。 用放射性惰性氣體能夠研究呼吸氣體流動(dòng)途徑。共一百零六頁2. 診斷方面(fngmin)的應(yīng)用 功能測定 應(yīng)用放射性核素或其標(biāo)記化合物，可以測定甲狀腺、腎、心、肺和消化系統(tǒng)(xiohu xtng)等的功能，并能進(jìn)行血液系統(tǒng)檢查。 例如，甲狀腺對(duì)127I和放射性碘的代謝完全相同，因此可以用123I、131I等放射性碘來研究甲狀腺的功能。 共一百零六頁 選

4、用合適的放射性核素或其標(biāo)記化合物作示蹤劑引入體內(nèi)，采用掃描技術(shù)、閃爍照相技術(shù)或發(fā)射計(jì)算機(jī)斷層儀，可以觀察放射性核素在人體內(nèi)的分布狀況和動(dòng)態(tài)變化，從而診斷臟器(zn q)是否存在病變及確定病變所在的位置。 單光子發(fā)射(fsh)計(jì)算機(jī)斷層照相機(jī) （SPECT）甲狀腺顯像 臟器顯像共一百零六頁 放射免疫分析（RIA）是美國科學(xué)家雅羅與柏森于1959年建立并首先成功(chnggng)應(yīng)用的一項(xiàng)體外超微量分析方法，它綜合了放射性核素探測的高度靈敏性和抗原抗體反應(yīng)的高度特異性這兩大特點(diǎn)，具有靈敏度高、專一性強(qiáng)、準(zhǔn)確性和精密度好、樣品量少、應(yīng)用范圍廣泛、便于標(biāo)準(zhǔn)化與自動(dòng)化、不會(huì)引起對(duì)人體的輻射損傷，以及使用

5、簡便等突出優(yōu)點(diǎn)。放射免疫分析的提出引起臨床檢驗(yàn)的重大革新，被認(rèn)為是核醫(yī)學(xué)最重要的成就之一，創(chuàng)始人因此于1977年獲諾貝爾生理學(xué)醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。 體外放射免疫分析(fnx)共一百零六頁圖7-31 SN682B型免疫(miny)計(jì)數(shù)儀 圖7-32 各類RIA藥盒 放射免疫分析所采用的競爭性免疫(miny)結(jié)合反應(yīng) 羅莎琳雅羅和所羅門柏森 共一百零六頁7.4.2 臨床(ln chun)治療中的放射性方法（1）放射性藥物內(nèi)服治療 利用放射性藥物參與體內(nèi)代謝，選擇性地濃集在某一組織器官(qgun)中，達(dá)到選擇性的照射治療。 在放射性藥物應(yīng)用中最前沿的是導(dǎo)向治療，其以特異單克隆抗體或“受體配基”作為載體，標(biāo)記上高

6、活度的放射性同位素，引入機(jī)體后，單克隆抗體可自動(dòng)追尋攻擊腫瘤細(xì)胞，而對(duì)正常組織損傷極小。圖7-33 放射性藥物碘131共一百零六頁 將放射性膠體注射于腫瘤組織內(nèi)，或注入到因腫瘤轉(zhuǎn)移而引起的胸、腹腔(fqing)積液的漿膜腔內(nèi)，這些放射性膠體顆?？稍谕Ａ舨课粚?duì)局部進(jìn)行照射，從而控制或抑制腫瘤的播散和胸、腹水的生長?！傲Ｗ?lz)刀”設(shè)備外觀展示I-125密封籽源（2）放射性膠體治療（“粒子刀”或種子治療）共一百零六頁圖7-34 左輪式放射性膠體(jio t)植入槍植入過程(guchng)共一百零六頁 將放射性物質(zhì)密封在不同形狀和大小的源殼內(nèi)，然后直接放在體表病變部位進(jìn)行局部照射，以達(dá)到治療(zh

7、lio)目的。 圖7-35 用90Sr90Y放射源敷貼(f ti)治療血管瘤（3）放射源敷貼治療共一百零六頁 利用活度很大的輻射源放射出來的射線，集中照射患病部位進(jìn)行治療。遠(yuǎn)距離體外照射治療最常見設(shè)備為“伽馬刀”，但最近的研究發(fā)現(xiàn)，使用質(zhì)子或粒子(lz)可能更為有效，有報(bào)道稱質(zhì)子治療設(shè)備已經(jīng)投入了臨床應(yīng)用。 （4）射線遠(yuǎn)距離體外照射(zhosh)治療共一百零六頁伽瑪?shù)顿Y料(zlio) 伽瑪?shù)妒橇Ⅲw定向放射外科的主要治療手段，其根據(jù)立體幾何定向原理，將身體正常組織或病變組織選擇性地確定為靶點(diǎn)，使用鈷-60產(chǎn)生的伽瑪射線進(jìn)行一次性大劑量地聚焦照射，使之產(chǎn)生局灶性的壞死或功能改變而達(dá)到治療疾病的目的

8、。由于(yuy)放射線在靶區(qū)分布的特殊性，周圍組織幾乎不受影響，其靶區(qū)壞死邊緣如同刀割，故形象稱之為“伽瑪?shù)丁?。共一百零六?伽瑪?shù)峨m然稱之為“刀”，但無需手術(shù)。以顱內(nèi)腫瘤治療為例，主要治療過程包括：患者頭部固定立體定位框架；影像學(xué)掃描（CT或MRI）；制訂治療計(jì)劃和確定處方劑量；實(shí)施治療；卸掉立體定位框架。全部過程大約需要24小時(shí)。與開顱手術(shù)相比，不存在手術(shù)造成的感染、出血等危險(xiǎn)，術(shù)后幾乎沒有或僅有極其輕微的并發(fā)癥，絕大多數(shù)病人(bngrn)不需住院，門診即可治療。共一百零六頁 1994年7月在中國深圳誕生了世界上第一臺(tái)旋轉(zhuǎn)式伽瑪?shù)叮?996年正式(zhngsh)用于臨床，截止2001年9月

9、底，全國有近20臺(tái)左右在使用，累計(jì)治療病例15000余例。旋轉(zhuǎn)式伽馬刀（中國(zhn u)，深圳） 在高端醫(yī)療設(shè)備的生產(chǎn)中，CT、核磁共振等設(shè)備的核心技術(shù)都在別人的手里，惟有伽瑪治療系統(tǒng)的核心技術(shù)是掌握在中國人自己的手中，并已擁有世界上包括美國在內(nèi)的7個(gè)國家中的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。 共一百零六頁7.4.3 放射性同位素示蹤技術(shù)(jsh)與中國傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)北宋(bi sn)天圣穴位銅人（1072年） 人體的穴位注入32P，通過蓋革-繆勒計(jì)數(shù)器來探測，觀察到經(jīng)絡(luò)循行線路上的放射性強(qiáng)度比兩側(cè)的對(duì)照部位高，證明穴位注射后，放射性同位素是循經(jīng)走向的，移動(dòng)速度是0.14 cm/s ,而且與古典醫(yī)籍中描述的線路相符。在穴

10、位外注射，則沒有同位素循經(jīng)移動(dòng)的現(xiàn)象。（1） 經(jīng)絡(luò)學(xué)說的驗(yàn)證共一百零六頁（2） 中藥(zhngyo)藥理分析 直接標(biāo)記中藥中的有效成份再進(jìn)行體外或體內(nèi)分析的方法，不僅用于中藥的生物分布和歸經(jīng)關(guān)系,也適用于對(duì)藥物的吸收、分布和排泄(pixi)等藥物代謝動(dòng)力學(xué)的研究。 鄒節(jié)明等采用放射性同位素示蹤技術(shù)觀察了淫羊藿苷在單一狀態(tài)以及復(fù)方(加人參、丹參等) 狀態(tài)下，經(jīng)口服后在體內(nèi)的吸收、分布與排泄等變化，結(jié)果顯示：單組分給藥后淫羊藿苷在腎上腺中含量較高，持續(xù)時(shí)間較長，說明腎上腺是淫羊藿苷的最敏感器官；復(fù)方給藥后，淫羊藿苷在腎上腺中含量更高，持續(xù)時(shí)間更長，說明復(fù)方中的其他組分對(duì)淫羊藿苷在靶器官中的分布有一

11、定的促進(jìn)作用。共一百零六頁7.4.4 醫(yī)療(ylio)用品的輻射消毒 對(duì)于醫(yī)療用品，除了通常采用的高溫消毒和氧化乙烯氣體消毒方法之外，輻射消毒正變得越來越重要。輻射處理是一種(y zhn)冷處理，這使那些對(duì)熱敏感的制劑和包裝材料得以消毒。與高溫消毒相比，輻射消毒的方法不僅能對(duì)預(yù)先密封的包裝消毒，使得更適用的包裝材料可以利用，而且可調(diào)整為連續(xù)工藝，便于規(guī)?；M(jìn)行。 共一百零六頁圖7-36 用加速器對(duì)醫(yī)療(ylio)用品消毒共一百零六頁7.5 環(huán)境(hunjng)科學(xué)中的放射性同位素與輻射技術(shù) 以射線或高能電子束（0.52 MeV）為基本手段進(jìn)行廢氣治理、廢水處理、污泥處置(chzh)及消毒等，目

12、前已初步達(dá)到工業(yè)化水平。 運(yùn)用放射性同位素示蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境污染物的監(jiān)測、研究氣候的變遷、探討水資源的再生和循環(huán)等。 利用放射性檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)煙火報(bào)警、粉塵檢測等。共一百零六頁7.5.1 電子束煙氣(yn q)脫硫脫硝技術(shù)與廢氣的輻射處理 日本荏源公司在1970年提出了利用電子束輻照對(duì)煙氣進(jìn)行脫硫脫硝技術(shù)，其原理是利用電子加速器產(chǎn)生的高能電子束的碰撞、激發(fā)作用，產(chǎn)生大量活性很高的自由基或其他粒子，使煙氣中的SO2和NOx轉(zhuǎn)化為硫酸和硝酸(xio sun)，同時(shí)與加入的氨中和，形成肥料。 反應(yīng)包括三個(gè)過程：（1）氧化活性物質(zhì)的生成；（2）SO2與NOx氧化，并與水汽作用生成硫酸、硝酸，繼而形成酸

13、霧；（3）硫酸氨和硝酸氨的生成。共一百零六頁圖7-37 電子束煙氣(yn q)脫硫脫硝工藝流程工藝流程(n y li chn)共一百零六頁反應(yīng)(fnyng)過程圖示共一百零六頁反應(yīng)(fnyng)裝置電子束煙氣(yn q)脫硫脫硝系統(tǒng)中的反應(yīng)器共一百零六頁 與常規(guī)煙氣脫硫技術(shù)相比，該法優(yōu)點(diǎn)為： 屬干法脫硫，可以同時(shí)脫除煙氣中的氮氧化物，脫除率高達(dá)80以上； 其工藝簡單，系統(tǒng)阻力小，開、停車方便； 對(duì)煙氣中硫、氮氧化物濃度變化的適應(yīng)性強(qiáng)，能副產(chǎn)肥料，無廢渣產(chǎn)生。 面臨的問題： 加速器造價(jià)昂貴，主要部件壽命短，靶窗易腐蝕等； 生產(chǎn)出的硫酸氨和硝酸氨為微細(xì)粉末，影響后期除塵； 容易造成(zo chn)

14、氨污染。優(yōu)點(diǎn)及面臨(minlng)的問題共一百零六頁該技術(shù)在中國的發(fā)展(fzhn)及應(yīng)用 我國對(duì)電子束煙氣脫硫脫硝技術(shù)的研究起步也較早，中國科學(xué)院上海原子能研究所曾承擔(dān)了國家“七五”攻關(guān)項(xiàng)目，在這方面取得了一定研究進(jìn)展，小試和中試都獲得了較好效果。在此基礎(chǔ)上，1995年我國與日本荏源公司合作在成都熱電廠建立(jinl)了一套處理煙氣規(guī)模為 300000 m3/h的示范工程，并于1997年開始投入運(yùn)行。 共一百零六頁7.5.2 廢水(fishu)的輻射處理 在射線作用下，水及水中的溶解物都可被分解，而水受到輻射會(huì)產(chǎn)生水合電子、正離子、激發(fā)態(tài)粒子、OH和H自由基等活性中間體，這些物質(zhì)都具有比較高的

15、反應(yīng)(fnyng)活性，可與水中的污染物質(zhì)反應(yīng)(fnyng)，使之分解而達(dá)到凈化效果。共一百零六頁 王彥麗等研究了500 keV電子束對(duì)氯苯含量為850 mg/L的廢水的降解作用，結(jié)果表明，隨輻照劑量的增加(zngji)，氯苯的濃度迅速下降，當(dāng)劑量達(dá)到5 kGy時(shí)，氯苯的濃度降至凈化標(biāo)準(zhǔn)1 mg/L。圖7-38 氯苯的濃度隨輻照劑量(jling)的變化關(guān)系廢水處理研究實(shí)例1共一百零六頁廢水處理研究(ynji)實(shí)例2 王彥麗等還進(jìn)行了工業(yè)廢水的射線輻照(f zho)與臭氧結(jié)合的綜合處理研究，也取得了很好的效果。下圖給出了廢水中溶解有機(jī)碳（DOC）的降低和輻照(f zho)劑量的關(guān)系。圖7-39

16、廢水中的溶解有機(jī)碳與輻照劑量的關(guān)系共一百零六頁廢水處理研究(ynji)實(shí)例3 顧建忠等用電子束對(duì)造紙廠廢水進(jìn)行了輻照處理，用比色法和重鉻酸鉀法測量輻照前后的色度變化(binhu)和CODCr（化學(xué)需氧量），結(jié)果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)0.5 kGy劑量輻照后，廢水的CODCr值和色度值均下降一半以上。 上述實(shí)例雖然說明輻射處理廢水具有很好的應(yīng)用價(jià)值，但對(duì)于大部分工業(yè)廢水而言，單純依靠輻射處理所要求的輻射劑量過高，因此，將該技術(shù)與常規(guī)水處理技術(shù)結(jié)合使用才具有更大的可行性。共一百零六頁7.5.3 固體廢物的輻射(fsh)處理 由于輻射技術(shù)具有優(yōu)良的殺菌效果，因此在港口糞便、醫(yī)院廢棄物、城市(chngsh)垃圾和污

17、泥消毒處理方面是最有效的方法之一，甚至有人認(rèn)為輻射技術(shù)結(jié)合其他技術(shù)如堆肥化、化學(xué)改性等對(duì)固體廢棄物進(jìn)行綜合改性是解決城市(chngsh)垃圾、污泥等固體廢棄物的最好出路。共一百零六頁 1973年德國在慕尼黑建立了世界上最早的污泥輻射(fsh)處理廠，用60Co作輻射源，處理量為5.7 m3/批。1976年，美國在波士頓的Deer島建成研究性的電子束污泥輻照裝置，處理容量為380 噸/天。在此基礎(chǔ)上美國于1984年又在一大型水處理廠建成污泥輻照裝置，處理量為27 噸/小時(shí)，處理過的污泥經(jīng)存放后農(nóng)用。應(yīng)用(yngyng)實(shí)例共一百零六頁7.5.4 有毒、難降解(jin ji)有機(jī)物的輻射處理 有毒

18、難降解有機(jī)物，如多環(huán)芳烴(PAH)、多氯聯(lián)苯(PCBS)、二惡英(Dioxin)等都屬于病毒性、“三致”(致突變、致畸和致癌)性物質(zhì)(wzh)，由于其難以被生物降解，會(huì)在生物體內(nèi)累積發(fā)生毒害，而且還可通過食物鏈的形式傳遞，因此對(duì)這類污染物的處理和控制備受關(guān)注?？紤]到適當(dāng)劑量的輻射可以使有機(jī)大分子降解，因此輻射降解成為處理這類污染物的一種有效方法。共一百零六頁研究(ynji)實(shí)例 Mincher等使用核廢料產(chǎn)生的射線，對(duì)PCBS和DDT類物質(zhì)進(jìn)行處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輻照劑量為100 kGy時(shí)，PCBS的降解率達(dá)85%，而DDT在50 kGy時(shí)的降解率已接近100%。氣相色譜質(zhì)譜分析表明，降解產(chǎn)物(

19、chnw)為低分子量的含氯物質(zhì)。 Roger等用射線對(duì)二惡英濃度和含水量分別為100 g/L和25%的土壤進(jìn)行了輻射處理研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)輻照劑量為800 kGy時(shí)，二惡英的降解率達(dá)到90以上。 共一百零六頁7.5.5 環(huán)境(hunjng)污染物的監(jiān)測（1）氮污染監(jiān)測 水體和食物中過量的硝酸鹽被視為一種污染物，早在20世紀(jì)40年代就曾報(bào)道飲用水中的硝酸鹽可引起嬰兒高鐵血紅蛋白癥，俗稱氰紫癥。硝酸鹽在胃腸中可以還原為亞硝酸鹽，而亞硝酸鹽可以形成致癌物質(zhì)亞硝酸氨危及人畜的生命健康。為此，世界衛(wèi)生組織規(guī)定飲用水中硝酸鹽含量應(yīng)低于10 mg/L。如何監(jiān)測水體和食物（特別是飲用水）中的硝酸鹽含量，判定污

20、染來源，如今已經(jīng)成為各國環(huán)境工作(gngzu)者重要工作(gngzu)之一。大量研究表明，利用N同位素法具有很好的效果。共一百零六頁 自然界中氮的原子形式有14N和15N兩種。不同物質(zhì)氮同位素組成不同，例如，大氣中14N和15N的存在比例為99.635%和0.365。一般情況下，地球(dqi)上所有含氮化合物15N/14N的比值都接近0.368%，與大氣中15N/14N的比值很接近。根據(jù)這一現(xiàn)象，可以用大氣中15N/14N的比值為標(biāo)準(zhǔn)，通過計(jì)算氮同位素值15N來判定氮污染狀況和來源。15N定義為：（7-8）N同位素法共一百零六頁 中國太湖地區(qū)的地表水氨氮及硝酸鹽含量(hnling)均較高，15

21、N也較高，達(dá)到1.93%2.83%，說明存在生活污水（1.0%1.7%）和動(dòng)物排泄物（1.0%2.2%）注入，同時(shí)，太湖湖面的大規(guī)模圍網(wǎng)養(yǎng)殖、飼料的投入也是重要的氮污染源。 應(yīng)用(yngyng)實(shí)例共一百零六頁 氡是一種隋性氣體，無色、無臭、無味，比空氣重，1900年由德國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。氡及其子體存在于一切生活和工作環(huán)境中，其照射約占全球年均個(gè)人天然輻射照射劑量的50%。有研究表明，氡及其子體照射是致非吸煙者肺癌的首位環(huán)境因素和致吸煙者肺癌的第二位環(huán)境病因。我國肺癌死亡率從1990年以來上升十分明顯，平均每年增長5%。一般認(rèn)為肺癌上升不僅與我國成年(chngnin)男性吸煙和女性被動(dòng)吸煙率的增加

22、關(guān)系密切，而且也與城市地區(qū)空氣污染及室內(nèi)氡水平升高存在一定的關(guān)系。（2）氡污染監(jiān)測共一百零六頁 室內(nèi)氡的來源主要(zhyo)途徑有：地基土壤中的氡、建材中的氡、水中的氡、天然氣中的氡和室外空氣中的氡，可以說無處不在。由于氡本身的特殊性，檢測氡污染水平需要特殊設(shè)備，但減少室內(nèi)氡污染危害卻存在非常簡單和有效的辦法。共一百零六頁韓國旅客(lk)攜帶的材料中存在釷-232、鐳-226、鈾-238三種天然核素 放射性物質(zhì)為人工合成的復(fù)合型石材原料，用于加工(ji gng)手鏈等裝飾品，共計(jì)15千克。 新聞資料共一百零六頁（3）鐵污染監(jiān)測 利用穆斯堡爾效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)鐵污染物的監(jiān)測(jin c)。南京大學(xué)夏元

23、復(fù)教授等曾做過這方面的工作：刮取南京鋼鐵廠廠內(nèi)、廠外和中山陵懸鈴木上的綠斑并壓成薄片作為穆斯堡爾吸收體樣品。測量結(jié)果表明：中山陵內(nèi)鐵的超精細(xì)顆粒更多一些，而南京鋼鐵廠內(nèi)Fe2O3和Fe3O4占的比例更大一些，所以南京鋼鐵廠廠內(nèi)和周邊的鐵污染要比中山陵的嚴(yán)重。圖7-41 不同(b tn)地點(diǎn)懸鈴木綠斑的穆斯堡爾譜共一百零六頁（4）粉塵(fnchn)監(jiān)測 環(huán)境中的粉塵對(duì)人的健康，以及工業(yè)生產(chǎn)等具有重要(zhngyo)影響。傳統(tǒng)粉塵濃度測量采用稱重法，其工作程序繁多，而且抗干擾能力差，結(jié)果不準(zhǔn)確。為解決這一問題，河南鄭州光力科技發(fā)展有限公司研制了GH100 型直讀式粉塵濃度測量儀，其采用射線吸收法，

24、通過測定采集在濾膜上的粉塵密度來確定粉塵濃度，準(zhǔn)確度好于5%。圖7-42 GH100型直讀式粉塵濃度測量儀 共一百零六頁7.5.6 其他(qt)方面（1）煙火(ynhu)報(bào)警 利用離子感煙探測器可以實(shí)現(xiàn)煙火報(bào)警。 離子感煙探測器屬于點(diǎn)型探測器，相當(dāng)于一個(gè)含有少量放射性物質(zhì)（如Am-241）的電離室。放射性物質(zhì)發(fā)出的射線使局部空氣成電離狀態(tài)，經(jīng)電壓作用形成離子流，這就給電離室一個(gè)有效的導(dǎo)電性，允許一定電流在兩個(gè)電極之間的空氣中通過。當(dāng)煙粒子進(jìn)入電離化區(qū)域時(shí)，由于它們與離子相結(jié)合而降低了空氣的導(dǎo)電性，形成離子移動(dòng)的減弱。當(dāng)導(dǎo)電性低于預(yù)定值時(shí)，探測器發(fā)出警報(bào)。 共一百零六頁離子(lz)感煙探測器實(shí)物

25、共一百零六頁（2）氣候(qhu)、環(huán)境及水資源利用等 利用氚同位素作示蹤劑，可以追蹤水循環(huán)機(jī)理，推算流域水資源儲(chǔ)存量、補(bǔ)給量和流出量； 根據(jù)地下水氫氧同位素組成可判斷地下水來源； 利用碳、氫、氧同位素的組成及變化能夠研究古氣候和古環(huán)境； 利用同位素技術(shù)分析河流古洪水平流沉積物，可以確定洪水發(fā)生年代及最高水位(shuwi)，從而精確分析洪水流量； 利用碳同位素研究森林碳循環(huán)機(jī)制，可對(duì)碳元素在植物體內(nèi)，以及在植物、土壤、大氣之間的遷移過程準(zhǔn)確追蹤。共一百零六頁7.6 考古科學(xué)(kxu)中的放射性同位素與輻射技術(shù) 偽造的耶穌(y s)裹尸布卡若遺址位于西藏自治區(qū)卡若村，19781979年發(fā)掘。卡若遺

26、址經(jīng)放射性C-14法鑒定，年代在距今四、五千年前。它所代表的原始文化具有濃厚的地方色彩。 共一百零六頁7.6.1 年代(nindi)測定表7-6 測定物質(zhì)年齡(ninlng)的基本方法測定方法測定物質(zhì)所測定的時(shí)間適用時(shí)間范圍碳14法木料、泥炭、木炭骨頭、貝殼類植物死亡時(shí)刻動(dòng)物死亡前不久1035104年21033.5104年鉀氬法云母、某些全巖樣品角閃石、透長石巖石最后冷卻至300時(shí)巖石最后冷卻至500時(shí)105年107年銣鍶法云母鉀長石全巖樣品巖石最后冷卻至300時(shí)巖石最后冷卻至500時(shí)巖石形成封閉單元時(shí)間5106年5107年108年鈾鉛法鋯石等晶體形成時(shí)間2108年鈾裂變徑跡法多種物質(zhì)巖石最后

27、冷卻時(shí)間102109年共一百零六頁碳14法原理(yunl) 碳14法是1946年由威拉德里比創(chuàng)立(chungl)的，可以精確測定幾百年至五萬年內(nèi)含碳物質(zhì)年齡。 在高空大氣層中，來自宇宙射線的中子轟擊氮原子，不斷地產(chǎn)生14C：接著，14C發(fā)生衰變又變成氮：共一百零六頁 最后14C產(chǎn)生速率等于其衰變速率，達(dá)到(d do)永久平衡，即大氣中14C的濃度為一定值。 新產(chǎn)生的14C很快氧化變?yōu)?4CO2，并參與大氣循環(huán)。植物光合作用吸收大氣中的14CO2，14C進(jìn)入植物體，以植物為食的動(dòng)物體內(nèi)亦含有14C。實(shí)驗(yàn)測定證實(shí)，植物、動(dòng)物、碳酸巖和海水中的14C的相對(duì)含量與大氣中一樣(yyng)，而且在最近數(shù)萬

28、年內(nèi)，其含量基本恒定。共一百零六頁 動(dòng)、植物死亡或者碳酸巖沉積后，它們與外界的碳交換作用停止，原始的14C嚴(yán)格按照放射性衰變(shuibin)規(guī)律隨時(shí)間減少。根據(jù)含碳樣品中14C減少的程度，可以計(jì)算從生物死亡或碳酸巖形成至現(xiàn)在的年代t：（7-11）式中：為14C 的衰變常量；A0為處于交換運(yùn)動(dòng)中的14C 的比活度；A為現(xiàn)代(xindi)樣品（所測樣品）中14C的比活度。共一百零六頁碳14法應(yīng)用(yngyng) 經(jīng)14C法測定，舊石器時(shí)代晚期的著名遺址北京周口店山頂洞人遺址，距今20000年；西安半坡遺址出土的小米、浙江河姆渡遺址中出現(xiàn)的大量種植的水稻，經(jīng)14C法測定，距今6500年，說明650

29、0年前我國就有相當(dāng)發(fā)達(dá)(fd)的農(nóng)業(yè)。1986年從三星堆遺址發(fā)掘的文物，據(jù)碳-14法測定，時(shí)間遠(yuǎn)在三千年前，比“世界第八大奇跡”秦始皇兵馬俑還早一千年。共一百零六頁7.6.2 中子射線(shxin)照相法考古 1948 年，Kallmann 開始了中子(zhngz)射線照相技術(shù)的研究，當(dāng)時(shí)主要運(yùn)用熱中子(zhngz)作為激發(fā)源。 1975 年, Hilling 首先將這種技術(shù)運(yùn)用于文物研究中，通過對(duì)一件中國早期青銅禮器拍片研究發(fā)現(xiàn)，青銅禮器的一個(gè)足中有泥范心存在。 中子射線照相是考證古代文物內(nèi)部結(jié)構(gòu)、制造工藝等的重要手段，可用于青銅器構(gòu)造研究、油畫特征研究與真?zhèn)舞b別等。共一百零六頁圖7-44

30、中子射線(shxin)照相法原理示意圖中子射線(shxin)照相法原理共一百零六頁 中子射線照相法的激發(fā)源用的是熱中子，而X射線照相法用的是 X 射線； 中子射線照相法可穿透的是較厚的物質(zhì)，而 X 射線照相法以穿透較薄的物質(zhì)為主； 在對(duì)金屬、有機(jī)物、陶瓷器進(jìn)行檢測時(shí)，X射線照相法無法(wf)在同一張底片上觀察到不同種類的物質(zhì)，而中子射線照相法可將不同質(zhì)地的物質(zhì)在一張底片上顯現(xiàn)。 中子(zhngz)射線照相法與X射線照相法的差異共一百零六頁中子(zhngz)射線照相法應(yīng)用圖7-45 Kenbyo青銅瓶的考古研究(ynji)a青銅瓶原物；bX射線照片；c中子射線照片；d取出物共一百零六頁7.6.3

31、 穆斯堡爾譜效應(yīng)(xioyng)考古 Takeda等用119Sn研究了我國古代的銅錢，并得到了幾種古錢幣的特征穆斯堡爾譜，籍此，不僅(bjn)可以用來鑒定古幣真?zhèn)?，進(jìn)行斷代，而且可以結(jié)合歷史資料來研究古時(shí)的冶金工藝。圖7-46 幾種典型古幣的穆斯堡爾譜中國古幣共一百零六頁7.7 材料科學(xué)中的放射性同位素與輻射(fsh)技術(shù) 射線很早就用來探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)。1911年，英國物理學(xué)家盧瑟福和他的學(xué)生們用粒子轟擊金屬薄膜，通過觀測(gunc)穿過金屬薄膜后粒子的飛行方向和分布，提出了著名的盧瑟福原子核式結(jié)構(gòu)模型，開創(chuàng)了用射線束研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新途徑。 放射性同位素及輻射技術(shù)在材料科學(xué)中的應(yīng)用和發(fā)展不僅為研

32、究材料的結(jié)構(gòu)和特性提供了強(qiáng)有力的工具，而且還為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)及人類生活提供了眾多的新型材料。 共一百零六頁7.7.1 核分析(fnx)技術(shù) 核分析就是用核物理手段對(duì)材料進(jìn)行分析，依據(jù)探測物（射線）與被探測物之間的相互作用來獲取被探測物的成分、結(jié)構(gòu)、物理與化學(xué)性質(zhì)(huxu xngzh)的信息。 超精細(xì)相互作用核分析 穆斯堡爾效應(yīng) 核磁共振技術(shù) 正電子湮沒技術(shù) 中子散射技術(shù) 離子束分析 盧瑟福背散射 核反應(yīng)分析 質(zhì)子熒光分析 加速器質(zhì)譜 溝道效應(yīng)分析 活化分析 光子活化分析 中子活化分析 帶電粒子活化分析 共一百零六頁7.7.1.1 超精細(xì)(jngx)相互作用核分析 （1）穆斯堡

33、爾譜圖7-47 山東昌樂(chn l)的藍(lán)寶石樣品和它的穆斯堡爾譜共一百零六頁（2）核磁共振(h c n zhn)技術(shù) 磁共振現(xiàn)象是1945年美國(mi u)Bloch小組（用感應(yīng)法發(fā)現(xiàn)液態(tài)水的核磁共振現(xiàn)象）和Purcell小組（用吸收法觀測到石蠟中質(zhì)子的核磁共振現(xiàn)象）分別發(fā)現(xiàn)的，為此，Bloch和Purcell分享了1952年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。共一百零六頁 核磁共振是指原子核在進(jìn)動(dòng)中吸收外界高頻磁場能量產(chǎn)生的一種能級(jí)躍遷現(xiàn)象。根據(jù)選擇定則，這種躍遷只在相鄰的能級(jí)之間發(fā)生，同時(shí)出現(xiàn)強(qiáng)烈的能量共振吸收。與穆斯堡爾效應(yīng)相比，其可探測的核要多很多，精度也非常高。近年來發(fā)展的固體高分辨核磁共振技術(shù)，最大

34、的特點(diǎn)是能反映各種相互作用和各向異性( xin y xn)，例如對(duì)高聚物和液晶的研究可得到其他技術(shù)不可替代的結(jié)構(gòu)信息。共一百零六頁核磁共振(h c n zhn)譜圖事例共一百零六頁（3）正電子湮沒(ynm)技術(shù) 由源發(fā)出的正電子遇到電子會(huì)湮沒成兩個(gè)光子，即一對(duì)射線。通過對(duì)湮沒壽命的測量、湮沒關(guān)聯(lián)(gunlin)測量和射線的多普勒增寬能譜測量可研究材料的結(jié)構(gòu)。 正電子湮沒技術(shù)的應(yīng)用是從20世紀(jì)50年代開始的，目前國際上最多的還是對(duì)金屬和合金材料的研究，但最新的研究顯示，其已向半導(dǎo)體、聚合物領(lǐng)域擴(kuò)展。 H-Si共一百零六頁正電子湮沒(ynm)壽命正電子湮沒(ynm)角關(guān)聯(lián)正電子湮沒多普勒能譜基本實(shí)

35、驗(yàn)方法共一百零六頁基本實(shí)驗(yàn)(shyn)儀器圖7-48 22Na慢正電子束流(sh li)裝置（左上）和它的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)（右下）共一百零六頁（4）中子(zhngz)散射技術(shù) 中子散射技術(shù)是固體結(jié)構(gòu)研究(ynji)的一種不可或缺的手段。熱中子平均動(dòng)能為0.025 eV，波長為0.11 nm，正好接近物質(zhì)結(jié)構(gòu)中原子運(yùn)動(dòng)的能量和原子間的距離。 熱中子散射技術(shù)既可以用于研究物質(zhì)的靜態(tài)性質(zhì)，也可以研究其動(dòng)態(tài)性質(zhì)。近年來發(fā)展起來的冷中子散射技術(shù)是研究凝聚態(tài)物質(zhì)、聚合物和大分子的有力工具。散射譜儀共一百零六頁圖7-49 用X射線技術(shù)（左）和中子散射技術(shù)（右）觀察(gunch)到的含水大分子的結(jié)構(gòu)共一百零六頁7

36、.7.1.2 離子束分析(fnx) 樣品(yngpn)離子束（E,q）俄歇電子X射線射線發(fā)射粒子背散射粒子次級(jí)粒子共一百零六頁 盧瑟福背散射能譜分析是帶電粒子彈性散射分析技術(shù)的一種。入射離子(lz)和靶核由于庫侖相互作用而被散射回去，這就是盧瑟福彈性背散射過程。通過測量散射離子(lz)能譜和進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，可對(duì)靶元素做定性、定量和深度分析。 （1）盧瑟福背散射分析(fnx)（RBS）共一百零六頁基本原理共一百零六頁基本(jbn)儀器北京大學(xué)(bi jn d xu)的串列加速器共一百零六頁應(yīng)用(yngyng)實(shí)例 1.0 mm厚的a-SiO2被50 keV、51016/cm2的Zn離子和35 k

37、eV、 51016/cm2的Ag離子單獨(dú)(dnd)（Zn5、Ag5）和順序（Zn5+Ag5、Ag5+Zn5）注入。FIG. 3. RBS spectra of the Zn5, Ag5, Zn5+Ag5, and Ag5+Zn5 samples.共一百零六頁（2）核反應(yīng)分析(fnx)（NRA） 核反應(yīng)分析與盧瑟福背散射分析的不同之處在于入射離子的能量很高，可以穿過靶核的庫侖勢壘而進(jìn)入核內(nèi)并與之發(fā)生核相互作用。根據(jù)核反應(yīng)產(chǎn)物的放射性壽命(shumng)的長短，可分為帶電離子核反應(yīng)緩發(fā)分析（帶電離子活化分析）和帶電離子核反應(yīng)瞬發(fā)分析（PNR）。 核反應(yīng)分析靈敏度高，能夠區(qū)分不同的同位素，特別是能給

38、出輕元素的濃度分布。共一百零六頁（3）質(zhì)子(zhz)熒光分析（PIXE） 質(zhì)子熒光分析是用一定能量的質(zhì)子轟擊樣品，從樣品原子中激發(fā)(jf)出特征X譜線，測量這些特征X譜線的波長、能量和強(qiáng)度等來確定樣品各元素的種類和含量。共一百零六頁 加速器質(zhì)譜分析又叫超靈敏質(zhì)譜分析。它能測定同位素比十分低的元素，能采用毫克的樣品進(jìn)行分析。加速器質(zhì)譜分析主要測量14C、26Al、10Be、36Cl等宇宙成因核素的同位素豐度，是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(q li)的，已被廣泛應(yīng)用于地球科學(xué)、考古學(xué)、環(huán)境科學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、核物理與天體物理等眾多領(lǐng)域。（4）加速器質(zhì)譜分析(fnx)（AMS）共一百零六頁

39、溝道效應(yīng)分析(fnx)是利用帶電離子與單晶體的相互作用來研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的一種分析(fnx)技術(shù)。（5）溝道效應(yīng)分析(fnx)（CT） 帶電離子入射到單晶上時(shí)，由于原子列或原子面通過一系列相關(guān)聯(lián)且和緩的小角度碰撞對(duì)高能離子起“導(dǎo)向”作用，使得單晶靶的晶向相對(duì)入射束變化時(shí)，背散射粒子的產(chǎn)額由于溝道效應(yīng)而發(fā)生明顯變化。共一百零六頁 溝道效應(yīng)分析可以用于測量晶格損傷程度及深度分布、雜質(zhì)原子在晶格中的位置(wi zhi)以及無定形表面層的組成與厚度等許多方面。FIG. 1. Energy spectra of He+ backscattered from different hydrogen impl

40、anted and annealed Si(001) samples, with the incident beam channeled in the (001) direction. The spectra of virgin samples, one in channeling conditions and the other in a random direction are also shown. 共一百零六頁7.7.1.3 活化分析 活化分析的基礎(chǔ)是核反應(yīng)。用光子、中子或其它帶電粒子照射試樣，使被測元素轉(zhuǎn)變?yōu)榉派湫酝凰?。根?jù)所生成放射性同位素的半衰期以及所發(fā)出射線的性質(zhì)、能量等，可

41、以確定該元素是否存在；測量(cling)所生成放射性同位素的放射性強(qiáng)度或測量(cling)在生成放射性同位素反應(yīng)過程中所發(fā)出射線的強(qiáng)度，可以計(jì)算試樣中該元素的含量。共一百零六頁（1）光子(gungz)活化分析 利用的主要核反應(yīng)是（，n），對(duì)于原子序數(shù)小的輕元素，核反應(yīng)（，p）也是重要的。與熱中子活化分析相比，它適用于測定(cdng)碳、氮、氧、氟等輕元素和某些中、重元素，如鈦、鐵、鋯、鉈和鉛等。與帶電粒子活化分析相比，干擾反應(yīng)較少。 光子活化分析于1934年由英國物理學(xué)家查德威克和戈德哈伯首次實(shí)現(xiàn)。共一百零六頁（2）中子(zhngz)活化分析 利用的核反應(yīng)有（n，）、（n，P）和（n，）。熱中

42、子引起的反應(yīng)幾乎都是（n，），反應(yīng)載面一般比較(bjio)大，而且很少有副反應(yīng)產(chǎn)生，因此熱中子活化分析在中子活化分析中一直占有首要地位。中子活化分析可以測定原子序數(shù)183中的77種元素。 中子活化分析于1936年由匈牙利化學(xué)家赫維西和萊維首次完成 。共一百零六頁中子(zhngz)活化分析應(yīng)用水泥(shun)生產(chǎn)自動(dòng)控制煤炭生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)測共一百零六頁（3）帶電粒子活化分析 利用的核反應(yīng)有（P，n）、（P，）、（P，）、（，n）、（，p）等。帶電粒子的射程很短，引起的核反應(yīng)基本上發(fā)生在樣品表面，適宜于作表面分析。帶電粒子對(duì)元素(yun s)的反應(yīng)載面比熱中子小，活化反應(yīng)比較復(fù)雜，但優(yōu)點(diǎn)是能測定用中子

43、活化和光子活化分析無法測定的鋰、鈹和硼等輕元素(yun s)。 帶電粒子活化分析于1938年由美國化學(xué)家西博格和利文古德第一次進(jìn)行。共一百零六頁7.7.2 離子注入與材料(cilio)改性 離子注入與材料改性是指用離子、分子、團(tuán)簇等轟擊固體材料，使其表面形成一定深度的注入層，從而使材料表面的物理性質(zhì)、化學(xué)組成等發(fā)生變化，最終導(dǎo)致材料改性。 優(yōu)點(diǎn)：注入層與靶材無明顯分界面；注入只改變材料的表面性質(zhì)而不影響其內(nèi)部結(jié)構(gòu)；注入離子的種類、深度、濃度及分布等易于控制。 由于離子注入技術(shù)給新材料的制備帶來了突破，所以其迅速在半導(dǎo)體、金屬、陶瓷(toc)、聚合物及生物材料等各個(gè)領(lǐng)域中得到了應(yīng)用。 共一百零六

44、頁工程塑料(n chn s lio)離子注入改變塑料(slio)纖維近表面層的折射率金屬離子注入形成柔性導(dǎo)電薄膜Ag離子注入改善表面耐磨性以及抗菌性共一百零六頁MEVVA源離子注入機(jī)強(qiáng)流脈沖(michng)離子加速器商業(yè)應(yīng)用(yngyng)的離子束缸體硬化機(jī)離子注入機(jī)共一百零六頁Ion sourceAnalyzing magnetAcceleration columnIon beamPlasmaProcess chamberExtraction assemblyScanning disk典型(dinxng)的離子注入機(jī)結(jié)構(gòu)原理共一百零六頁（1）半導(dǎo)體材料(cilio)加工 離子注入技術(shù)于20世

45、紀(jì)60年代應(yīng)用于半導(dǎo)體領(lǐng)域，形成了精細(xì)摻雜工藝和微細(xì)加工技術(shù)。離子注入可以精確控制摻雜量和注入深度，特別適于小于1 m的亞微米加工和實(shí)現(xiàn)多層復(fù)雜(fz)注入，因而促進(jìn)了大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，推動(dòng)了超大規(guī)模集成電路的發(fā)展。共一百零六頁（2）金屬表面改性與離子束冶金(yjn) 金屬表面注入某些離子(lz)，可以獲得一般冶金工藝難以得到的表面合金相，從而對(duì)金屬表面的硬度、抗腐蝕性、耐磨性以及催化性能等有顯著的影響。圖7-52 表面改性得到的硬質(zhì)合金鋸片共一百零六頁（3）無機(jī)(wj)非金屬材料的改性 離子注入無機(jī)非金屬材料可以廣泛改變其物理、化學(xué)、電學(xué)、光學(xué)、機(jī)械和磁性特性。 離子注入光學(xué)材料，改變其

46、光學(xué)性質(zhì)（如折射率）已是集成光學(xué)一項(xiàng)重要技術(shù)。離子注入SiO2玻璃，可使其折射率改變1%，注入金屬雜質(zhì)(zzh)可得到更大的改變。光纖光波導(dǎo)共一百零六頁（4）高分子材料(cilio)改性 離子和團(tuán)簇注入高分子材料的改性研究是近年來一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域。 用離子轟擊聚合物，聚合物表面出現(xiàn)(chxin)“石墨”化現(xiàn)象，可用作高質(zhì)量的掩膜，具有廣闊的應(yīng)用前景。 離子注入聚合物引起表面硬度的增加，已廣泛用于人造關(guān)節(jié)、深水儀器等領(lǐng)域。共一百零六頁（5）新型醫(yī)用材料(cilio)的研制 常用(chn yn)的有離子注入鈦合金關(guān)節(jié)和聚合物臼，可以改善二者抗磨損和抗腐蝕性能，明顯提高使用壽命。在大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中

47、，離子注入人造假肢是一個(gè)典型的例子。1987年，美國離子束改善醫(yī)用假肢每年的加工量為幾千只，到1994年猛增到10萬只，可以看出這個(gè)新型領(lǐng)域發(fā)展十分迅速，有著誘人的市場前景。圖7-53 離子注入鈦合金髖關(guān)節(jié)共一百零六頁（6）納米材料(n m ci lio)的研制 納米科學(xué)與技術(shù)是在納米尺度研究物質(zhì)(wzh)的特性、相互作用，以及原子、分子的操縱，并將之投入實(shí)際應(yīng)用的多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)。 納米技術(shù)涉及的內(nèi)容：納米材料、納米裝置和納米區(qū)域的探測、表征及分析。碳纖維上的氧化鈦納米棒共一百零六頁納米技術(shù)(n m j sh)發(fā)展簡史共一百零六頁 永不充電的手機(jī)：整個(gè)手機(jī)表面都覆蓋有高科技納米材料，可

48、以隨時(shí)將光能(gungnng)轉(zhuǎn)化為電能。納米技術(shù)正在改變(gibin)我們的生活不沾水的納米傘 共一百零六頁納米材料(n m ci lio)的定義 三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1100 nm)或者由該尺度范圍的物質(zhì)(wzh)為基本結(jié)構(gòu)單元所構(gòu)成的材料的總稱。碳納米管石墨烯納米帶ZnO納米花大米狀A(yù)g納米顆粒共一百零六頁納米材料(n m ci lio)微觀(wigun)系統(tǒng)介觀系統(tǒng)宏觀系統(tǒng)小尺寸效應(yīng)表面效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)介電限域效應(yīng)1100 nm納米材料的基本性質(zhì)共一百零六頁 離子注入是合成納米材料的主流技術(shù)之一。用同位素分離器使具有一定能量(nngling)的離子硬嵌在某一與它固態(tài)不相溶的襯底中，然后加熱退火，讓它偏析出來就會(huì)形成納米顆粒。通過改變注入離子的能量和劑量，