第四講輻射應(yīng)用lesson4rao

輻射的應(yīng)用

Applicationofradiation輻射科學(xué)第四講耶穌的裹尸布都靈大教堂(Duomo)

建于1498年。教堂不是很大，卻因其內(nèi)保存有基督教的圣物“耶穌的裹尸布”而聞名世界。耶穌裹尸布長(zhǎng)4.35米，寬1.09米，上面有一個(gè)遭鞭笞和被釘在十字架上的人的血跡影像。影像與《圣經(jīng)》上所記載的耶穌被釘死時(shí)的狀態(tài)相同。C14dating測(cè)齡每人每小時(shí)要承受大約50萬(wàn)束宇宙射線的照射。宇宙射線與大氣層中的原子碰撞產(chǎn)生的二級(jí)宇宙射線以高能中子態(tài)存在，當(dāng)中子碰撞時(shí)，N14（7個(gè)質(zhì)子，7個(gè)中子）原子就會(huì)變成C14原子（6個(gè)質(zhì)子，8個(gè)中子）和1個(gè)氫原子（1個(gè)質(zhì)子，0個(gè)中子）。C14具有放射性，其原子與氧結(jié)合會(huì)形成二氧化碳，植物將其吸收后會(huì)通過(guò)光合作用融入到植物纖維。食用植物的動(dòng)物和人類(lèi)同樣會(huì)攝取C14。空氣和所有生物中普通碳（C12）與C14的比例在任何時(shí)代都是幾乎不變的。一萬(wàn)億個(gè)碳原子中可能有一個(gè)是C14。C14一直在衰變，但它們會(huì)按照恒定速度被新的C14原子取代。人體內(nèi)有一定比例的C14原子，而所有的植物和動(dòng)物也都有相同比例的C14原子。

活的生物體一旦死亡，就會(huì)停止攝取新的碳。所有生物體死亡的那一刻C12和C14的比例都是一樣的，但C14會(huì)繼續(xù)衰變，而且不會(huì)得到補(bǔ)充。C14按半衰期為5730年的速度衰變，而樣本中C12的數(shù)量仍然保持不變。通過(guò)測(cè)量樣本中C12與C14的比例，將其與活的生物體進(jìn)行對(duì)比，就能相當(dāng)精確地測(cè)算樣本的生存年代(美國(guó)化學(xué)家威廉·利比發(fā)明)由于C14的半衰期是5730年，因此只能測(cè)定年代最多為6萬(wàn)年的物體。不過(guò)，C14年代測(cè)定法的原則也適用于其他同位素。K40是在人體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的另外一種天然放射性元素，它的半衰期是13億年。其他常用于放射性年代測(cè)定法的放射性同位元素包括：鈾-235（半衰期=7.04億年）、鈾-238（半衰期=45億年）、釷-232（半衰期=140億年）。使用多種放射性同位素可以讓生物和地質(zhì)樣本的年代測(cè)定有更高的精確度放射性同位素年代測(cè)定法在未來(lái)可能會(huì)變得不適用。于20世紀(jì)40年代后死亡的生物會(huì)因?yàn)楹藦棥⒑朔磻?yīng)堆和露天核試驗(yàn)的影響而難以精確測(cè)定年代。早期測(cè)定方法需要樣本多（測(cè)定有局限），AMS技術(shù)出現(xiàn)。裹尸布真的是耶穌基督受難的遺物嗎？1986年都靈大主教，教皇同意AMS14C測(cè)年（美國(guó)亞利桑那大學(xué)、英國(guó)牛津大學(xué)和瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院）。實(shí)驗(yàn)表明，三家實(shí)驗(yàn)室達(dá)到了極佳的一致性，各個(gè)結(jié)果的差異在120年以內(nèi)。裹尸布在公元1260年到1380年之間制成的可能性為95%，而有100%的肯定性表明決不會(huì)早于公元1200年。1988年10月13日，都靈大主教、紅衣主教巴萊斯特雷羅在召開(kāi)的記者招待會(huì)上正式宣布：這件幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)被基督徒奉為圣品的耶穌基督尸布，并非耶穌受難時(shí)所用，而是中古時(shí)期織出的一件贗品。至此，所謂的耶穌裹尸布真相大白。5DatingobjectsCandetermineN/NoratiousingmassspectroscopyandcalculatetageConsiderusingtritium,3H,withahalf-lifeof12.32yrs

3H---4He+β-Presentdayrainwater–32pCi/Lwater=NoA12yearoldbottleofwine–16pCi/LA25yearoldbottleofscotch-8pCi/L14Cwithat1/2=5730yrisusedinarcheologyParent/DaughterusedinEarthSciencesforrocksanmeteorites235U/207Pb 0.704by40K/40Ar 1.25by238U/206Pb 4.47by87Sr/87Rb 48.8by1.同位素與輻射技術(shù)放射性同位素的應(yīng)用是核能利用的一個(gè)重要方面。隨著核技術(shù)的發(fā)展，核反應(yīng)堆、加速器的不斷建造，核燃料循環(huán)體系的建立，為放射性核素的應(yīng)用提供了日益豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)核工業(yè)中的輕工業(yè)——放射性核素應(yīng)用研究的開(kāi)展，又為更經(jīng)濟(jì)有效地利用上述設(shè)備，綜合利用這些“資源”開(kāi)辟了一條新的途徑。同位素輻射技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、資源環(huán)境、軍事科研諸多領(lǐng)域的應(yīng)用已獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)境效益72.放射性同位素的制備

放射性同位素的制備是同位素與輻射技術(shù)應(yīng)用的物質(zhì)基礎(chǔ)目前人工放射性同位素制備大體有三種方法：在核反應(yīng)堆中生產(chǎn)，用于制備豐中子同位素，簡(jiǎn)稱(chēng)堆照同位素用帶電粒子加速器制備，多用于貧中子同位素生產(chǎn)，簡(jiǎn)稱(chēng)加速器同位素從核燃料后處理料液中分離提取同位素，這種同位素通常稱(chēng)為裂片同位素3.放射性同位素在工業(yè)上的應(yīng)用工業(yè)同位素示蹤原理：同位素示蹤所利用的放射性核素（或穩(wěn)定性核素）及它們的化合物，與自然界存在的相應(yīng)普通元素及其化合物之間的化學(xué)性質(zhì)和生物學(xué)性質(zhì)是相同的，只是具有不同的核物理性質(zhì)。因此，就可以用同位素作為一種標(biāo)記，制成含有同位素的標(biāo)記化合物（如標(biāo)記食物，藥物和代謝物質(zhì)等）代替相應(yīng)的非標(biāo)記化合物。利用放射性同位素不斷地放出特征射線的核物理性質(zhì)，就可以用核探測(cè)器隨時(shí)追蹤它在體內(nèi)或體外的位置、數(shù)量及其轉(zhuǎn)變等.放射性同位素的探測(cè)靈敏度極高，這是常規(guī)的化學(xué)分析無(wú)法比擬的已廣泛用于石油、化工、冶金、水利水文等部門(mén)，并取得顯著的效益

9同位素電池放射性同位素在進(jìn)行核衰變時(shí)釋放的能量，可以用作制造特種電源——同位素電池同位素電池是目前人類(lèi)進(jìn)行深空探索唯一可用的能源空間同位素電池（如钚-238電池）的特點(diǎn)是：不需對(duì)太陽(yáng)定向，小巧緊湊，使用壽命長(zhǎng)同位素監(jiān)控儀表原理:放射性同位素放出的射線作為一種信息源可取得工業(yè)過(guò)程中的非電參數(shù)和其他信息各種同位素監(jiān)控儀表:料位計(jì)、密度計(jì)、測(cè)厚儀、核子秤、水分計(jì)、γ射線探傷機(jī)和離子感煙火災(zāi)報(bào)警器等可用來(lái)監(jiān)控生產(chǎn)流程，實(shí)現(xiàn)無(wú)損檢測(cè)，以及探知火情等11輻射加工方面原理：輻射加工是利用電離輻射作為一種先進(jìn)的手段對(duì)物質(zhì)和材料進(jìn)行加工處理的一門(mén)技術(shù)應(yīng)用：交聯(lián)線纜、熱縮材料、橡膠硫化、泡沫塑料、表面固化、中子嬗變摻雜單晶硅、醫(yī)療用品消毒、食品輻照保藏以及廢水、廢氣處理等領(lǐng)域取得顯著成效，形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模4.同位素在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用輻射育種輻射育種，是利用γ射線等射線誘發(fā)作物基因突變，獲得有價(jià)值的新突變體，從而育成優(yōu)良品種我國(guó)輻射突變育種的成就突出育成的新品種占世界總數(shù)的四分之一。特別是根、棉、油等作物的推廣，取得了顯著的增產(chǎn)效果示蹤技術(shù)方面同位素示蹤在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用主要是從事肥料與農(nóng)藥的效用和機(jī)理、有害物質(zhì)的分解與殘留探測(cè)、畜牧獸醫(yī)研究以及農(nóng)用水利方面檢查測(cè)定堤壩、水庫(kù)的泄漏等。另外還可以用于生物固氮、家畜疾病診斷及其妊娠預(yù)測(cè)等方面的研究13昆蟲(chóng)輻射不育原理：昆蟲(chóng)受到電離輻射照射可使昆蟲(chóng)喪失生殖能力，從而降低害蟲(chóng)的數(shù)量，進(jìn)一步達(dá)到防治甚至根除害蟲(chóng)的目的。昆蟲(chóng)輻射不育是一種先進(jìn)的生物防治方法，不存在農(nóng)藥的環(huán)境污染問(wèn)題。國(guó)外使用該技術(shù)在大面積根除地中海果蠅以及抑制非洲彩蠅方面取得了重大成果。而我國(guó)用此法對(duì)玉米螟、小菜蛾、柑桔大實(shí)蠅等害蟲(chóng)的輻射不育研究，也取得了較好的防治效果食品輻照保藏原理：食品輻照保藏，就是利用電離輻射對(duì)食品進(jìn)行照射，以抑制發(fā)芽、殺蟲(chóng)滅菌、延長(zhǎng)貨架期和檢疫處理等，從而達(dá)到保存食品的目的經(jīng)輻照徹底滅菌的食品是宇航員和特種病人最為理想的食品。目前，國(guó)外食品輻照已作為預(yù)防食源性疾病和開(kāi)展國(guó)際農(nóng)產(chǎn)品檢疫的一種有效手段5食品輻照FoodIrradiation15WhyFoodIrradiation?

FoodSafetyIn1999,food-bornediseasewasresponsiblefor:?76millionillnesses325,000hospitalizations5000deaths$6-30billionimpactApproximately25%ofworldwidefoodproductionislostafterharvestingduetoinsects,bacteriaandspoilage?Economiclossesof$5-17billionannuallyintheUSalone?AccordingtoUSCenterforDiseaseControlWhatisFoodIrradiation?Newcommercialtechnologytoeliminatedisease-causinggermsComparabletoheatpasteurizationUsedfordecadesinNASAspacemissionsalreadyusedforsterilizationof:medicaldevices,suppliesandimplantswinecorksandotherfoodpackagingmaterialscosmeticingredientsHowDoesFoodIrradiationwork?foodisexposedtocarefullycontrolledamountsofradiationradiationdamagesDNAofmicrobesandparasitesdisease-causinggermsarereducedbacteriawhichcausespoiling(變質(zhì))arereducedSprouting（發(fā)芽）isslowedorstopped18WhataretheResultsofFoodIrradiation?Whenusedinconjunctionwithproperfoodhandlingprocedures:food-bornediseasesarereducedoreliminatedshelf-lifeisincreasedthenutritionalvalueofthefoodispreservedthefooddoesnotbecomeradioactivedangeroussubstancesdonotappearinthefoods19WhatFoodsCanBeIrradiated?ApprovalYearFoodPurpose1963WheatFlourControlofmold1964WhitePotatoesInhibitsprouting1986PorkKillTrichinaparasite1986FruitandVegetablesInsectControlIncreaseShelfLife1986HerbsandSpicesSterilizationBacterialpathogenreduction1990(FDA)1992(USDA)Poultry1997(FDA)1999(USDA)MeatFoodIrradiationFacilitiesAllirradiatedproducts

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the“Radura河南杞縣2009.6.721Threedifferentenergysources

1）electronbeamsabeamofelectronsisacceleratedbyanelectrongunsimilartoaTVtube,acceleratingelectronstowardsthescreenitcanbeturnedonoroffsinceitusesnoradioactivematerialelectronbeamscanonlypenetrateabout1”intomaterial2）x-raysgeneratedbydirectinganelectronbeamatathinmetalplatesimilartomedicalx-raysources3）gammaraysneutronbombardmentinreactortoproduceradioactivecobalt(60Co)23Effectsofradiation

Side-effectsNutritionaleffectsmacronutrients-proteins,carbohydrates,fats-unaffectedmicronutrients-vitamins-somereductioncomparabletootherprocessingorstoragetechniquesincludingpasteurization,canning,orevencoldstorageNochangeintaste24FacilityAccidentsandWasteSevereaccidentsarenotpossibleelectronbeamandx-raysourcescanbeeasilyturnedoffgammaraysourcescannotblowupThefacilityitselfcannotbecomeradioactivenoradioactivewasteusedCo-60gammasourcescanberecycled/regeneratedMedicalRadiation

醫(yī)用輻射Thereare3mainusesofionisingradiationinmedicine:TreatmentDiagnosisSterilization26核醫(yī)學(xué)治療：電離輻射具有殺滅癌細(xì)胞的能力。目前，放射治療是癌癥治療三大有效手段之一，70%以上癌癥患者都需要采用放射治療。放射治療可分為外部遠(yuǎn)距離照射、腔內(nèi)后裝近程照射等體內(nèi)放射性藥物治療是近來(lái)頗受醫(yī)學(xué)界關(guān)注的臨床手段。單克隆抗體與放射性核素結(jié)合生成的導(dǎo)向藥物（“生物導(dǎo)彈”），可能為惡性腫瘤的內(nèi)照射治療提供一種新的有效途徑27放射治療快速分裂的細(xì)胞對(duì)輻射損傷尤為敏感，因此可通過(guò)輻照癌生長(zhǎng)區(qū)來(lái)控制癌細(xì)胞的生長(zhǎng)或消滅癌細(xì)胞。外部輻照可通過(guò)放射性鈷-60源釋放γ射束進(jìn)行，而發(fā)達(dá)國(guó)家正在越來(lái)越多地將通用線性加速器用作高能X射線源（γ和X射線極為相似）。

內(nèi)部放射療法是向靶區(qū)注入或植入小型放射源，一般是γ或β射線發(fā)射體。碘-131通常用于治療甲狀腺癌，這可能是最成功的癌癥療法。它還可用于治療非惡性甲狀腺紊亂。銥-192尤其適用于治療頭部和胸部疾病。銥-192被制成絲狀，并通過(guò)導(dǎo)管進(jìn)入靶區(qū)。在注入適當(dāng)?shù)膭┝亢?，將銥絲移走并進(jìn)行屏蔽貯存。這種短距離放射治療過(guò)程對(duì)人體的總體輻射水平低，但靶腫瘤受到的局部輻射水平高，因此具有成本效益。

每次放射治療的劑量通常是20～60Gy。28TreatmentofCancerCanceroustumourscanbetreatedusingthefollowingmainmethods:Chemotherapy(drugs).化療Radiationtherapy放療(radiotherapyandbrachytherapy).Surgery.Thechoiceoftreatmentdependsonanumberoffactorsincluding:Thesizeofthetumor.Thepositionofthetumor.29TheAimsofRadiationTherapyTheaimofradiationtherapyistocausedamagetothecancerouscellswhilstminimizingtherisktosurroundinghealthytissue.Thedamageinflictedbyradiationtherapycausesthecancerouscellstostopreproducingandthusthetumorshrinks.Unfortunately,healthycellscanalsobedamagedbytheradiation.30Whydoestheamountofradiationgiventothepatienthavetobeaccuratelycalculated?Theamountofradiationgiventothepatienthastobeaccuratelycalculatedsothatthedamageislimitedtothecancerouscellsonly.Radiationtherapyusesionizingradiationtotreatcanceri.e.todestroycancerouscells.Therearetwotechniquesinradiationtherapythatareusedtotreatcancerusingionizingradiation:RadiotherapyBrachytherapy短距離放射治療31RadiotherapyTreatmentThecanceroustumourhastobelocatedsothatitssizeandpositioncanbeanalysed.Thisinformationcanbeobtainedfrom:X-raysCTscansMRIscansUltrasoundimages

TreatmentIrradiationusinghighenergygammarays.Irradiationusinghighenergyx-rays.Canceroustumourscanbetreatedusingradiotherapyasfollows:33RadiotherapyTreatment

IrradiationUsingHighEnergyGammaRaysGammaraysareemittedfromacobalt-60source–aradioactiveformofcobalt.Thecobaltsourceiskeptwithinathick,heavymetalcontainer.Thiscontainerhasaslitinittoallowanarrowbeamofgammaraystoemerge.34RadiotherapyTreatment

IrradiationUsingHighEnergyX-raysThex-raysaregeneratedbyalinearaccelerator(linac).Thelinacfireshighenergyelectronsatametaltargetandwhentheelectronsstrikethetarget,x-raysareproduced.Thex-raysproducedareshapedintoanarrowbeambymovablemetalshutters.35BrachytherapyThisinvolvesplacingimplantsintheformofseeds,wiresorpelletsdirectlyintothetumor.Suchimplantsmaybetemporaryorpermanentdependingontheimplantandthetumoritself.Thebenefitofsuchamethodisthatthetumorreceivesnearlyallofthedosewhilsthealthytissuehardlyreceivesany.Usedtotreatthefollowingcancers:Uterus,Prostate,Intraocular,Skin,Thyroid,Bone36核醫(yī)學(xué)診斷1）示蹤診斷：根據(jù)放射性示蹤原理對(duì)患者進(jìn)行疾病檢查的一種診斷方式原理：引入體內(nèi)的放射性核素標(biāo)記藥物，與同類(lèi)非標(biāo)記藥物相似，根據(jù)其化學(xué)和生物學(xué)特性，表現(xiàn)為一定的生物學(xué)行為：或被某一臟器的某種細(xì)胞攝取、濃聚；或參予某一代謝過(guò)程，或僅簡(jiǎn)單地在某一生物區(qū)積存等等。由于它發(fā)射能穿透組織的核射線，用放射性探測(cè)器可在體表定量探測(cè)到放射性藥物在體內(nèi)的吸收、分布和排出等代謝過(guò)程，通過(guò)計(jì)算機(jī)、顯示器等儀表，可將人體的生理、生化或病理生理，病理變化過(guò)程定量和/或定位顯示出來(lái)，從而對(duì)罹患臟器的功能狀態(tài)和/或功能形態(tài)變化作出診斷37TracersTherearemanyusesofionisingradiationbasedonthefactthatitiseasytodetect.Insuchapplications,theradioactivematerialisusedintheformofatracer.Innuclearmedicine,atracerisaradioactivesubstancewhichistakenintothebodyeither,asaninjection,orasadrink.Suchasubstanceisnormallyagammaemitterwhichisdetectedandmonitored.Thisgivesanindicationofanyproblemsthatmaybepresentinbodyorgansortissuesbyhowmuch,orhowlittle,ofthesubstancehasbeenabsorbed.38FactorsWhichAffecttheChoiceofTracerTheywillconcentrateintheorgan,ortissue,whichistobeexamined.Theywilllosetheirradioactivity(shortt).Theyemitgammarayswhichwillbedetectedoutsidethebody.Suchtracersarechosensothat:39FactorsWhichAffecttheChoiceofTracerGammaraysarechosensincealphaandbetaparticleswouldbeabsorbedbytissuesandnotbedetectedoutsidethebody.Technitium-99m锝ismostwidelyusedbecauseithasahalf-lifeof6hours.Ahalf-lifeof6hoursisimportantbecause:Ashorterhalf-lifewouldnotallowsufficientmeasurementsorimagestobeobtained.Alongerhalf-lifewouldincreasetheamountofradiationthebodyorgansortissuesreceive.402）放射診斷核成象技術(shù)是核物理科學(xué)與現(xiàn)代圖象理論相結(jié)合的產(chǎn)物，它包括幾種斷層掃描技術(shù)：X射線斷層掃描(XCT)醫(yī)學(xué)臨床診斷手段，還可用作工業(yè)產(chǎn)品的無(wú)損檢測(cè)核磁共振Magneticresonanceimaging(MRI),nuclearmagneticresonanceimaging

（NMRI）非電離輻射正電子發(fā)射(PET)同位素單光子發(fā)射(SPECT)41CT（ComputedTomography）計(jì)算機(jī)斷層掃描CT的原理是取一高度準(zhǔn)直的、極細(xì)筆狀X射線束，環(huán)繞人體某一部分作斷面掃描，未被吸收光子穿透人體后被檢測(cè)器接收，作為模擬信號(hào)輸入，經(jīng)過(guò)數(shù)處理和運(yùn)算后重建圖像42正電子發(fā)射斷層掃描（PET：PositronEmissionComputedTomography）43

PET原理：發(fā)射正電子的放射性核素一般通過(guò)注射進(jìn)入人體內(nèi)部，并在靶組織中累積。當(dāng)放射性核素衰變時(shí)，釋放出一個(gè)正電子，并馬上與一個(gè)電子結(jié)合，兩個(gè)粒子隨之消滅，同時(shí)釋放出兩條方向相背的γ射線（0.511MeV）。PET掃描探頭探測(cè)到γ光子信號(hào)，并將信號(hào)交給計(jì)算機(jī)處理，計(jì)算機(jī)將信號(hào)處理成可視的圖像PET的“照相機(jī)”采用正六邊形的探測(cè)環(huán)，探測(cè)器用BGO、NaI或CsF晶體，特別是CsF晶體，其閃爍時(shí)間極短(僅2.5ns而NaI或BGO約300ns)閃爍時(shí)間短，足以區(qū)別0.511MeVγ射線到達(dá)相應(yīng)兩探測(cè)器的時(shí)間差，給出正電子湮沒(méi)點(diǎn)的(X，Y)坐標(biāo)，這就是飛行時(shí)間法的PET，它對(duì)于構(gòu)作組織和器官的清晰圖象極其有效44放射性示蹤元素在人體內(nèi)(d1，d2)處，d=d1+d2是肌體總厚度，兩個(gè)探測(cè)器A和A’在一條水平線上對(duì)頭放置，若放射性恰好在水平線aa’上時(shí)，A和A’兩個(gè)探測(cè)器將探測(cè)到γ和γ’的符合計(jì)數(shù)，即所謂的2γ符合測(cè)量正電子成象過(guò)程中湮沒(méi)2γ符合測(cè)量示意圖45PET成像示意圖46相同點(diǎn)：所使用的射線源均為光子流，探測(cè)射線的方法相同，都使用閃爍探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)斷層的原理和技術(shù)相同，都利用圖象重建理論成象不同點(diǎn)：X射線CT是讓X射線從體外穿透人體，根據(jù)組織和器官的病變物理密度上的差異來(lái)達(dá)到成象目的正電子成象的入射方式是將經(jīng)加