7-2-放射性同位素與輻射技術

1、核技術應用與輻射防護,第七章 放射性同位素與輻射技術,7.4 醫(yī)療中的放射性同位素與輻射技術,核科學技術的發(fā)展也促進了醫(yī)學的發(fā)展。放射性同位素與輻射技術和醫(yī)學相結合，形成了一門年輕學科—核醫(yī)學。核醫(yī)學的發(fā)展是醫(yī)學現(xiàn)代化的重要標志之一，“它不僅為闡明代謝過程、探討生命活動的物質(zhì)基礎及客觀規(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、治療及預防醫(yī)學開辟了新的途徑”。,核醫(yī)學按其內(nèi)容分為臨床核醫(yī)學和基礎核醫(yī)學。前者的主要任務是利用

2、核技術診斷和治療疾病，后者則主要是用核技術來研究疾病。 除了核醫(yī)學以外，放射性同位素與輻射技術還被廣泛地應用于醫(yī)療領域的其它方面，例如用放射性同位素示蹤方法研究藥物的作用機理，以及用輻射技術對醫(yī)療用品進行消毒等。,7.4.1 臨床診斷中的放射性同位素示蹤技術,1. 診斷原理,① 人體對某元素的穩(wěn)定同位素和它的放射性同位素的代謝是完全一樣的。 ② 一些用放射性同位素標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

3、們在器官中的分布，可以了解該器官的功能狀態(tài)，并判別其是否存在病變。 ③ 放射性同位素隨血液流動的情況，如果用合適的儀器予以測定和記錄，就可以進行動態(tài)研究。,④ 通過某器官的放射性同位素的量，可以用數(shù)字形式或類似技術記錄下來，由此能夠確定器官的代謝功能是否正常。 ⑤ 利用放射性同位素在血液中的稀釋作用，可以測定血容量。 ⑥ 通過對特定放射性同位素排泄的估算，可以診斷某些疾病。 ⑦ 采用放射性同位素和特定生物

4、化合物結合的技術，可以測定血、尿中的微量成份。 ⑧ 用放射性惰性氣體能夠研究呼吸氣體流動途徑。,2. 診斷方面的應用,① 功能測定 應用放射性核素或其標記化合物，可以測定甲狀腺、腎、心、肺和消化系統(tǒng)等的功能，并能進行血液系統(tǒng)檢查。,例如，甲狀腺對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。,選用合適的放射性核素或其標記化合物作示蹤劑引入體內(nèi)，采用掃描技術、閃爍照相技術或發(fā)射

5、計算機斷層儀，可以觀察放射性核素在人體內(nèi)的分布狀況和動態(tài)變化，從而診斷臟器是否存在病變及確定病變所在的位置。,單光子發(fā)射計算機斷層照相機 （SPECT）,甲狀腺顯像,② 臟器顯像,放射免疫分析（RIA）是美國科學家雅羅與柏森于1959年建立并首先成功應用的一項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－抗體反應的高度特異性這兩大特點，具有靈敏度高、專一性強、準確性和精密度好、樣品量少、應用范圍廣泛、便于標準化與自動化、

6、不會引起對人體的輻射損傷，以及使用簡便等突出優(yōu)點。放射免疫分析的提出引起臨床檢驗的重大革新，被認為是核醫(yī)學最重要的成就之一，創(chuàng)始人因此于1977年獲諾貝爾生理學醫(yī)學獎。,③ 體外放射免疫分析,圖7-31 SN682B型γ免疫計數(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結合反應,羅莎琳·雅羅和所羅門·柏森,7.4.2 臨床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)

7、代謝，選擇性地濃集在某一組織器官中，達到選擇性的照射治療。,在放射性藥物應用中最前沿的是導向治療，其以特異單克隆抗體或“受體配基”作為載體，標記上高活度的放射性同位素，引入機體后，單克隆抗體可自動追尋攻擊腫瘤細胞，而對正常組織損傷極小。,圖7-33 放射性藥物碘－131,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、腹腔積液的漿膜腔內(nèi)，這些放射性膠體顆?？稍谕Ａ舨课粚植窟M行照射，從而控制或抑制腫瘤的播散和胸、腹水的生長

8、。,“粒子刀”設備外觀展示,I-125密封籽源,（2）放射性膠體治療（“粒子刀”或種子治療）,圖7-34 左輪式放射性膠體植入槍,植入過程,,,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行局部照射，以達到治療目的。,圖7-35 用90Sr－90Y放射源敷貼治療血管瘤,（3）放射源敷貼治療,利用活度很大的輻射源放射出來的γ射線，集中照射患病部位進行治療。遠距離體外照射治療最常見設備為“伽馬刀”，但最近的研究發(fā)現(xiàn)，

9、使用質(zhì)子或α粒子可能更為有效，有報道稱質(zhì)子治療設備已經(jīng)投入了臨床應用。,（4）γ射線遠距離體外照射治療,伽瑪?shù)顿Y料,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，使用鈷-60產(chǎn)生的伽瑪射線進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到治療疾病的目的。由于放射線在靶區(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)丁薄?伽瑪?shù)峨m

10、然稱之為“刀”，但無需手術。以顱內(nèi)腫瘤治療為例，主要治療過程包括：①患者頭部固定立體定位框架；②影像學掃描（CT或MRI）；③制訂治療計劃和確定處方劑量；④實施治療；⑤卸掉立體定位框架。全部過程大約需要2－4小時。與開顱手術相比，不存在手術造成的感染、出血等危險，術后幾乎沒有或僅有極其輕微的并發(fā)癥，絕大多數(shù)病人不需住院，門診即可治療。,1994年7月在中國深圳誕生了世界上第一臺旋轉(zhuǎn)式伽瑪?shù)叮?996年正式用于臨床，截止2001年9月底，

11、全國有近20臺左右在使用，累計治療病例15000余例。,旋轉(zhuǎn)式伽馬刀（中國，深圳）,在高端醫(yī)療設備的生產(chǎn)中，CT、核磁共振等設備的核心技術都在別人的手里，惟有伽瑪治療系統(tǒng)的核心技術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個國家中的知識產(chǎn)權。,7.4.3 放射性同位素示蹤技術與中國傳統(tǒng)醫(yī)學,北宋天圣穴位銅人（1072年）,人體的穴位注入32P，通過蓋革-繆勒計數(shù)器來探測，觀察到經(jīng)絡循行線路上的放射性強度比兩側(cè)的對照部位高，

12、證明穴位注射后，放射性同位素是循經(jīng)走向的，移動速度是0.14 cm/s ,而且與古典醫(yī)籍中描述的線路相符。在穴位外注射，則沒有同位素循經(jīng)移動的現(xiàn)象。,（1） 經(jīng)絡學說的驗證,（2） 中藥藥理分析,直接標記中藥中的有效成份再進行體外或體內(nèi)分析的方法，不僅用于中藥的生物分布和歸經(jīng)關系,也適用于對藥物的吸收、分布和排泄等藥物代謝動力學的研究。,鄒節(jié)明等采用放射性同位素示蹤技術觀察了淫羊藿苷在單一狀態(tài)以及復方(加人參、丹參等) 狀態(tài)下，經(jīng)口服后

13、在體內(nèi)的吸收、分布與排泄等變化，結果顯示：單組分給藥后淫羊藿苷在腎上腺中含量較高，持續(xù)時間較長，說明腎上腺是淫羊藿苷的最敏感器官；復方給藥后，淫羊藿苷在腎上腺中含量更高，持續(xù)時間更長，說明復方中的其他組分對淫羊藿苷在靶器官中的分布有一定的促進作用。,7.4.4 醫(yī)療用品的輻射消毒,對于醫(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。輻射處理是一種冷處理，這使那些對熱敏感的制劑和包裝材料得以消毒。與高

14、溫消毒相比，輻射消毒的方法不僅能對預先密封的包裝消毒，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行。,圖7-36 用加速器對醫(yī)療用品消毒,7.5 環(huán)境科學中的放射性同位素與輻射技術,以γ射線或高能電子束（0.5～2 MeV）為基本手段進行廢氣治理、廢水處理、污泥處置及消毒等，目前已初步達到工業(yè)化水平。 運用放射性同位素示蹤技術，實現(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

15、，實現(xiàn)煙火報警、粉塵檢測等。,7.5.1 電子束煙氣脫硫脫硝技術與廢氣的輻射處理,日本荏源公司在1970年提出了利用電子束輻照對煙氣進行脫硫脫硝技術，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，同時與加入的氨中和，形成肥料。 反應包括三個過程：（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，繼而形成酸霧；（3

16、）硫酸氨和硝酸氨的生成。,圖7-37 電子束煙氣脫硫脫硝工藝流程,工藝流程,反應過程圖示,反應裝置,電子束煙氣脫硫脫硝系統(tǒng)中的反應器,與常規(guī)煙氣脫硫技術相比，該法優(yōu)點為：① 屬干法脫硫，可以同時脫除煙氣中的氮氧化物，脫除率高達80％以上；② 其工藝簡單，系統(tǒng)阻力小，開、停車方便；③ 對煙氣中硫、氮氧化物濃度變化的適應性強，能副產(chǎn)肥料，無廢渣產(chǎn)生。 面臨的問題：① 加速器造價昂貴，主要部件壽命短，靶窗易腐蝕等；② 生產(chǎn)出的硫酸氨

17、和硝酸氨為微細粉末，影響后期除塵；③ 容易造成氨污染。,優(yōu)點及面臨的問題,該技術在中國的發(fā)展及應用,我國對電子束煙氣脫硫脫硝技術的研究起步也較早，中國科學院上海原子能研究所曾承擔了國家“七五”攻關項目，在這方面取得了一定研究進展，小試和中試都獲得了較好效果。在此基礎上，1995年我國與日本荏源公司合作在成都熱電廠建立了一套處理煙氣規(guī)模為 300000 m3/h的示范工程，并于1997年開始投入運行。,7.5.2 廢水的輻射處理,在射線作

18、用下，水及水中的溶解物都可被分解，而水受到輻射會產(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)都具有比較高的反應活性，可與水中的污染物質(zhì)反應，使之分解而達到凈化效果。,王彥麗等研究了500 keV電子束對氯苯含量為850 mg/L的廢水的降解作用，結果表明，隨輻照劑量的增加，氯苯的濃度迅速下降，當劑量達到5 kGy時，氯苯的濃度降至凈化標準1 mg/L。,圖7-38 氯苯的濃度隨輻照劑量的

19、變化關系,廢水處理研究實例－1,廢水處理研究實例－2,王彥麗等還進行了工業(yè)廢水的γ射線輻照與臭氧結合的綜合處理研究，也取得了很好的效果。下圖給出了廢水中溶解有機碳（DOC）的降低和輻照劑量的關系。,圖7-39 廢水中的溶解有機碳與輻照劑量的關系,廢水處理研究實例－3,顧建忠等用電子束對造紙廠廢水進行了輻照處理，用比色法和重鉻酸鉀法測量輻照前后的色度變化和CODCr（化學需氧量），結果發(fā)現(xiàn)，經(jīng)0.5 kGy劑量輻照后，廢水的CODCr值和

20、色度值均下降一半以上。,－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－ 上述實例雖然說明輻射處理廢水具有很好的應用價值，但對于大部分工業(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，將該技術與常規(guī)水處理技術結合使用才具有更大的可行性。,7.5.3 固體廢物的輻射處理,由于輻射技術具有優(yōu)良的殺菌效果，因此在港口糞便、醫(yī)院廢棄物、城市垃圾和污泥消毒處理方面是最有效的方法之一，甚至有人認為輻射技術結合其他技術如堆肥化、化

21、學改性等對固體廢棄物進行綜合改性是解決城市垃圾、污泥等固體廢棄物的最好出路。,1973年德國在慕尼黑建立了世界上最早的污泥輻射處理廠，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，處理過的污泥經(jīng)存放后農(nóng)用。,應用實例,7.5.4 有毒、難降解有機物的輻射處理,

22、有毒難降解有機物，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)，由于其難以被生物降解，會在生物體內(nèi)累積發(fā)生毒害，而且還可通過食物鏈的形式傳遞，因此對這類污染物的處理和控制備受關注?？紤]到適當劑量的輻射可以使有機大分子降解，因此輻射降解成為處理這類污染物的一種有效方法。,研究實例,Mincher等使用核廢料產(chǎn)生的γ射線，對PCBS和DDT類物質(zhì)進行處理，結果發(fā)現(xiàn)，當

23、輻照劑量為100 kGy時，PCBS的降解率達85%，而DDT在50 kGy時的降解率已接近100%。氣相色譜－質(zhì)譜分析表明，降解產(chǎn)物為低分子量的含氯物質(zhì)。 Roger等用γ射線對二惡英濃度和含水量分別為100 μg/L和25%的土壤進行了輻射處理研究，結果發(fā)現(xiàn)，當輻照劑量為800 kGy時，二惡英的降解率達到90％以上。,7.5.5 環(huán)境污染物的監(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40

24、年代就曾報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，判定污染來源，如今已經(jīng)成為各國環(huán)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。,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，

25、大氣中14N和15N的存在比例為99.635%和0.365％。一般情況下，地球上所有含氮化合物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的比值為標準，通過計算氮同位素值δ15N來判定氮污染狀況和來源。δ15N定義為：,（7-8）,N同位素法,中國太湖地區(qū)的地表水氨氮及硝酸鹽含量均較高，δ15N也較高，達到1.93%～2.83%，說明存在生活污水（1.0%～1.7%

26、）和動物排泄物（1.0%～2.2%）注入，同時，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。,應用實例,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%。一般認為肺癌上

27、升不僅與我國成年男性吸煙和女性被動吸煙率的增加關系密切，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系。,（2）氡污染監(jiān)測,室內(nèi)氡的來源主要途徑有：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。,韓國旅客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)為人工合成的復合型石

28、材原料，用于加工手鏈等裝飾品，共計15千克。,新聞資料,（3）鐵污染監(jiān)測,利用穆斯堡爾效應可以實現(xiàn)鐵污染物的監(jiān)測。南京大學夏元復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。測量結果表明：中山陵內(nèi)鐵的超精細顆粒更多一些，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重。,圖7-41 不同地點懸鈴木綠斑的穆斯堡爾譜,（4）粉塵

29、監(jiān)測,環(huán)境中的粉塵對人的健康，以及工業(yè)生產(chǎn)等具有重要影響。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，結果不準確。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β射線吸收法，通過測定采集在濾膜上的粉塵密度來確定粉塵濃度，準確度好于5%。,圖7-42 GH100型直讀式粉塵濃度測量儀,7.5.6 其他方面,（1）煙火報警,利用離子感煙探測器可以實現(xiàn)煙火報警。 離子感煙

30、探測器屬于點型探測器，相當于一個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，這就給電離室一個有效的導電性，允許一定電流在兩個電極之間的空氣中通過。當煙粒子進入電離化區(qū)域時，由于它們與離子相結合而降低了空氣的導電性，形成離子移動的減弱。當導電性低于預定值時，探測器發(fā)出警報。,離子感煙探測器實物,（2）氣候、環(huán)境及水資源利用等,① 利用氚同位素作示蹤劑，可以追蹤水循環(huán)機理，推

31、算流域水資源儲存量、補給量和流出量；② 根據(jù)地下水氫氧同位素組成可判斷地下水來源；③ 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；④ 利用同位素技術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，從而精確分析洪水流量；⑤ 利用碳同位素研究森林碳循環(huán)機制，可對碳元素在植物體內(nèi)，以及在植物、土壤、大氣之間的遷移過程準確追蹤。,7.6 考古科學中的放射性同位素與輻射技術,偽造的耶穌裹尸布,卡若遺址位于西藏自治區(qū)卡若村，1

32、978～1979年發(fā)掘。卡若遺址經(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。,7.6.1 年代測定,表7-6 測定物質(zhì)年齡的基本方法,碳－14法原理,碳－14法是1946年由威拉德·里比創(chuàng)立的，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β衰變又變成氮：,最后14C產(chǎn)生速率等于其衰變速率，達到永久平衡，即

33、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進入植物體，以植物為食的動物體內(nèi)亦含有14C。實驗測定證實，植物、動物、碳酸巖和海水中的14C的相對含量與大氣中一樣，而且在最近數(shù)萬年內(nèi)，其含量基本恒定。,動、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嚴格按照放射性衰變規(guī)律隨時間減少。根據(jù)含碳樣品中14C減少的程度，可以計算從生物死亡或碳

34、酸巖形成至現(xiàn)在的年代t：,（7-11）,式中：λ為14C 的衰變常量；A0為處于交換運動中的14C 的比活度；A為現(xiàn)代樣品（所測樣品）中14C的比活度。,碳－14法應用,經(jīng)14C法測定，舊石器時代晚期的著名遺址－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6500年前我國就有相當發(fā)達的農(nóng)業(yè)。,1986年從三星堆遺址發(fā)掘的文物，據(jù)碳-14法測定

35、，時間遠在三千年前，比“世界第八大奇跡”秦始皇兵馬俑還早一千年。,7.6.2 中子射線照相法考古,1948 年，Kallmann 開始了中子射線照相技術的研究，當時主要運用熱中子作為激發(fā)源。 1975 年, Hilling 首先將這種技術運用于文物研究中，通過對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)部結構、制造工藝等的重要手段，可用于青銅器構造研究、油畫特征研究與

36、真?zhèn)舞b別等。,圖7-44 中子射線照相法原理示意圖,中子射線照相法原理,① 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； ② 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； ③ 在對金屬、有機物、陶瓷器進行檢測時，X射線照相法無法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)。,中子射線照相法與X射線照相法的差異,中子射線照相

37、法應用,圖7-45 Kenbyo青銅瓶的考古研究a－青銅瓶原物；b－X射線照片；c－中子射線照片；d－取出物,7.6.3 穆斯堡爾譜效應考古,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，不僅可以用來鑒定古幣真?zhèn)?，進行斷代，而且可以結合歷史資料來研究古時的冶金工藝。,圖7-46 幾種典型古幣的穆斯堡爾譜,中國古幣,7.7 材料科學中的放射性同位素與輻射技術,射線很早就用來探索物質(zhì)結構。19

38、11年，英國物理學家盧瑟福和他的學生們用α粒子轟擊金屬薄膜，通過觀測穿過金屬薄膜后α粒子的飛行方向和分布，提出了著名的盧瑟福原子核式結構模型，開創(chuàng)了用射線束研究物質(zhì)結構的新途徑。 放射性同位素及輻射技術在材料科學中的應用和發(fā)展不僅為研究材料的結構和特性提供了強有力的工具，而且還為工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、現(xiàn)代科學技術及人類生活提供了眾多的新型材料。,7.7.1 核分析技術,核分析就是用核物理手段對材料進行分析，依據(jù)探測物（射線）與被探測

39、物之間的相互作用來獲取被探測物的成分、結構、物理與化學性質(zhì)的信息。,超精細相互作用核分析,穆斯堡爾效應,核磁共振技術,正電子湮沒技術,中子散射技術,離子束分析,盧瑟福背散射,核反應分析,質(zhì)子熒光分析,加速器質(zhì)譜,溝道效應分析,活化分析,光子活化分析,中子活化分析,帶電粒子活化分析,7.7.1.1 超精細相互作用核分析,（1）穆斯堡爾譜,圖7-47 山東昌樂的藍寶石樣品和它的穆斯堡爾譜,（2）核磁共振技術,磁共振現(xiàn)象是1945年美國Blo

40、ch小組（用感應法發(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年諾貝爾物理學獎。,核磁共振是指原子核在進動中吸收外界高頻磁場能量產(chǎn)生的一種能級躍遷現(xiàn)象。根據(jù)選擇定則，這種躍遷只在相鄰的能級之間發(fā)生，同時出現(xiàn)強烈的能量共振吸收。與穆斯堡爾效應相比，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，最大的特點是能反映各

41、種相互作用和各向異性，例如對高聚物和液晶的研究可得到其他技術不可替代的結構信息。,核磁共振譜圖事例,（3）正電子湮沒技術,由源發(fā)出的正電子遇到電子會湮沒成兩個光子，即一對γ射線。通過對湮沒壽命的測量、γ湮沒關聯(lián)測量和γ射線的多普勒增寬能譜測量可研究材料的結構。,正電子湮沒技術的應用是從20世紀50年代開始的，目前國際上最多的還是對金屬和合金材料的研究，但最新的研究顯示，其已向半導體、聚合物領域擴展。,H-Si,正電子湮沒壽命,正電子湮沒

42、角關聯(lián),正電子湮沒多普勒能譜,基本實驗方法,基本實驗儀器,圖7-48 22Na慢正電子束流裝置（左上）和它的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)（右下）,（4）中子散射技術,中子散射技術是固體結構研究的一種不可或缺的手段。熱中子平均動能為0.025 eV，波長為0.1～1 nm，正好接近物質(zhì)結構中原子運動的能量和原子間的距離。,熱中子散射技術既可以用于研究物質(zhì)的靜態(tài)性質(zhì)，也可以研究其動態(tài)性質(zhì)。近年來發(fā)展起來的冷中子散射技術是研究凝聚態(tài)物質(zhì)、聚合物和大分子的有

43、力工具。,散射譜儀,圖7-49 用X射線技術（左）和中子散射技術（右）觀察到的含水大分子的結構,7.7.1.2 離子束分析,,樣品,,離子束（E,q）,,,,,,,俄歇電子,X射線,γ射線,發(fā)射粒子,背散射粒子,次級粒子,盧瑟福背散射能譜分析是帶電粒子彈性散射分析技術的一種。入射離子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。通過測量散射離子能譜和進行運動學分析，可對靶元素做定性、定量和深度分析。,（1）盧瑟福背散

44、射分析（RBS）,基本原理,基本儀器,北京大學的串列加速器,應用實例,1.0 mm厚的a-SiO2被50 keV、5×1016/cm2的Zn離子和35 keV、 5×1016/cm2的Ag離子單獨（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.,（2）核反應分析（NRA

45、）,核反應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入核內(nèi)并與之發(fā)生核相互作用。根據(jù)核反應產(chǎn)物的放射性壽命的長短，可分為帶電離子核反應緩發(fā)分析（帶電離子活化分析）和帶電離子核反應瞬發(fā)分析（PNR）。,核反應分析靈敏度高，能夠區(qū)分不同的同位素，特別是能給出輕元素的濃度分布。,（3）質(zhì)子熒光分析（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)出特征X譜線，測量這些特征X譜線的波長

46、、能量和強度等來確定樣品各元素的種類和含量。,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70年代中期發(fā)展起來的，已被廣泛應用于地球科學、考古學、環(huán)境科學、生命科學、材料科學、核物理與天體物理等眾多領域。,（4）加速器質(zhì)譜分析（AMS）,溝道效應分析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

47、構的一種分析技術。,（5）溝道效應分析（CT）,帶電離子入射到單晶上時，由于原子列或原子面通過一系列相關聯(lián)且和緩的小角度碰撞對高能離子起“導向”作用，使得單晶靶的晶向相對入射束變化時，背散射粒子的產(chǎn)額由于溝道效應而發(fā)生明顯變化。,溝道效應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 fro

48、m different hydrogen implanted 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 directi

49、on are also shown.,,7.7.1.3 活化分析,活化分析的基礎是核反應。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，可以確定該元素是否存在；測量所生成放射性同位素的放射性強度或測量在生成放射性同位素反應過程中所發(fā)出射線的強度，可以計算試樣中該元素的含量。,（1）光子活化分析,利用的主要核反應是（γ，n），對于原子序數(shù)小的輕元素，核反應（γ

50、，p）也是重要的。與熱中子活化分析相比，它適用于測定碳、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，干擾反應較少。,光子活化分析于1934年由英國物理學家查德威克和戈德哈伯首次實現(xiàn)。,（2）中子活化分析,利用的核反應有（n，γ）、（n，P）和（n，α）。熱中子引起的反應幾乎都是（n，γ），反應載面一般比較大，而且很少有副反應產(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

51、測定原子序數(shù)1～83中的77種元素。,中子活化分析于1936年由匈牙利化學家赫維西和萊維首次完成 。,中子活化分析應用,水泥生產(chǎn)自動控制,煤炭生產(chǎn)質(zhì)量監(jiān)測,,,（3）帶電粒子活化分析,利用的核反應有（P，n）、（P，γ）、（P，α）、（α，n）、（α，p）等。帶電粒子的射程很短，引起的核反應基本上發(fā)生在樣品表面，適宜于作表面分析。帶電粒子對元素的反應載面比熱中子小，活化反應比較復雜，但優(yōu)點是能測定用中子活化和光子活化分析無法測定的鋰、鈹

52、和硼等輕元素。 帶電粒子活化分析于1938年由美國化學家西博格和利文古德第一次進行。,7.7.2 離子注入與材料改性,離子注入與材料改性是指用離子、分子、團簇等轟擊固體材料，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)、化學組成等發(fā)生變化，最終導致材料改性。 優(yōu)點：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)部結構；注入離子的種類、深度、濃度及分布等易于控制。 由于離子注入技術給新材料

53、的制備帶來了突破，所以其迅速在半導體、金屬、陶瓷、聚合物及生物材料等各個領域中得到了應用。,工程塑料,,,,離子注入改變塑料纖維近表面層的折射率,,,金屬離子注入形成柔性導電薄膜,,Ag離子注入改善表面耐磨性以及抗菌性,,MEVVA源離子注入機,強流脈沖離子加速器,商業(yè)應用的離子束缸體硬化機,,,,,,,,,,,,,,,,,離子注入機,典型的離子注入機結構原理,（1）半導體材料加工,離子注入技術于20世紀60年代應用于半導體領域，形成了

54、精細摻雜工藝和微細加工技術。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 μm的亞微米加工和實現(xiàn)多層復雜注入，因而促進了大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，推動了超大規(guī)模集成電路的發(fā)展。,（2）金屬表面改性與離子束冶金,金屬表面注入某些離子，可以獲得一般冶金工藝難以得到的表面合金相，從而對金屬表面的硬度、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,（3）無機非金屬材料的改性,離子注入無機非金屬材料可以

55、廣泛改變其物理、化學、電學、光學、機械和磁性特性。 離子注入光學材料，改變其光學性質(zhì)（如折射率）已是集成光學一項重要技術。離子注入SiO2玻璃，可使其折射率改變1%，注入金屬雜質(zhì)可得到更大的改變。,光纖,光波導,（4）高分子材料改性,離子和團簇注入高分子材料的改性研究是近年來一個非?；钴S的領域。 用離子轟擊聚合物，聚合物表面出現(xiàn)“石墨”化現(xiàn)象，可用作高質(zhì)量的掩膜，具有廣闊的應用前景。 離子注入聚合物引起表面硬度的

56、增加，已廣泛用于人造關節(jié)、深水儀器等領域。,（5）新型醫(yī)用材料的研制,常用的有離子注入鈦合金關節(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，離子注入人造假肢是一個典型的例子。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，可以看出這個新型領域發(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節(jié),（6）納米材料的研制,納米科學與技術是在納米尺度研究

57、物質(zhì)的特性、相互作用，以及原子、分子的操縱，并將之投入實際應用的多學科交叉的科學和技術。 納米技術涉及的內(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,納米技術發(fā)展簡史,永不充電的手機：整個手機表面都覆蓋有高科技納米材料，可以隨時將光能轉(zhuǎn)化為電能。,納米技術正在改變我們的生活,不沾水的納米傘,納米材料的定義,三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1～100 nm)或者由該尺度范圍的物質(zhì)為基本結構單

58、元所構成的材料的總稱。,碳納米管,石墨烯納米帶,ZnO納米花,大米狀Ag納米顆粒,,納米材料,微觀系統(tǒng),介觀系統(tǒng),宏觀系統(tǒng),小尺寸效應,表面效應,量子尺寸效應,宏觀量子隧道效應,介電限域效應,,,,,,1~100 nm,納米材料的基本性質(zhì),離子注入是合成納米材料的主流技術之一。用同位素分離器使具有一定能量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，讓它偏析出來就會形成納米顆粒。通過改變注入離子的能量和劑量，以及退火溫度，可以控

59、制所形成的納米顆粒在襯底中的深度分布和尺寸大小。,離子注入與納米材料的合成,Ren F, Jiang C Z, Liu C, et al., Phys. Rev. Lett., 2006, 97(16): 165501.,,FIG. 1. Cross-sectional, planar TEM images of the samplesimplanted by 200 keV, 5×1016 (a), (c) and

60、1×1017 (b), (d)Ag+ ions/cm2, and the SAED pattern [inset] for the sampleimplanted by 1×1017 Ag+ ions/cm2.,在SiO2中通過離子注入合成的Ag納米顆粒,Zhang X D, Xi J F, Shen Y Y, et al., Opt. Mater., 2011, 33(3): 570~ 575.,,Fi

61、g. 3. XTEM micrographs obtained in the Cu ion implanted SiO2 samples after annealing at 600 ºC in nitrogen.,在SiO2中通過離子注入合成的Cu納米顆粒,在SiO2中通過離子注入合成的Au納米顆粒,,Fig. 5. TEM cross-sectional bright-?eld micrographs for the A

62、u-implanted samples as a function of the annealing time from the as-implanted to samples annealed at 900ºC for 1 h, 3 h, 12 h.,Mattei G, Mazzoldi P, Bernas H, Topics Appl. Physics, 2010, 116: 287~316.,7.8 反恐、反走私領域的放

63、射性同位素與輻射技術,圖7-54 鈷－60集裝箱在線監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)由放射源、探測器、圖像處理系統(tǒng)、拖動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和輻射防護與安全系統(tǒng)六部分組成。當集裝箱通過時，快門自動打開，鈷－60發(fā)出,的γ射線被準直器約束成扇形片狀窄束照射被檢集裝箱，探測器將接收到的γ射線轉(zhuǎn)換成電信號，送到計算機進行圖像處理，并在屏幕上顯示，由此可以判別箱內(nèi)是否存在走私品、武器或炸藥。,在加速器中，被加速的電子束經(jīng)過掃描磁鐵時被掃描成電子簾，當傳送帶上的被輻照