核技术及其应用的发展

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9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3500亿美元,其中非核能部分约占80%.

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.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.此外还有八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1000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年重点发展的28项大型科学工程,其中基于加速器的有14项,占了一半.我国自改革开放以来先后建造了北京正负电子对撞机,兰州重离子加速器,合肥同步辐射装置等大科学工程,辐照和放疗用电子加速器,大型集装箱探测装置,辐射加工和同位素生产等也已经形成了一定规模的产业.

1 在工业中的应用

核技术的工业应用始于20世纪50年代兴起的辐射加工.辐射加工利用60Co源产生的γ射线或电子加速器产生的电子束照射物料,可引起高分子材料的聚合,交联和

降解,并可引起生物体的辐射损伤和遗传变异.辐射加工已被广泛用于制备优质电线电缆,热收缩材料,发泡材料,超细粉末,人造皮肤,高效电池隔膜,隐形眼镜等,以及木材与磁带磁盘的涂层固化,橡胶硫化,纺织品改性等领域.近年来食品辐射保鲜灭菌和医疗器具辐射灭菌也得到迅速发展.此外,随着同步辐射技术的发展,又出现了同步辐射光刻机和同步辐射精密加工技术,可以制造微型齿轮等微型零件.

离子束加工技术在工业中也有重要应用.离子注入半导体自70年代起已成为集成电路制造的关键技术之一.离子注入金属材料可提高其耐磨,抗腐蚀,抗氧化性能并增加硬度.离子注入陶瓷材料可提高其耐磨,导电等性能并克服其脆性.离子注入光学晶体可改变其折射率,制造光波导,变频器等集成光学器件.离子注入聚合物可用于制造微电子器件掩膜,其分辨率好于光束和电子束.还可以用于人工关节等生物医学工程材料的改性,提高其耐磨性和生物相容性.近些年又发展了离子束沉积技术,离子束混合技术,离子束成膜技术,高能离子注入和极低能离子注入技术,强流离子注入和强脉冲离子注入技术等,其应用范围更为广泛.离子束技术在辐照损伤模拟,微电子器件抗辐射加固等研究中也有重要应用.

在无损检测技术中核技术占了很大比例并有显著优势.早期的射线探伤是用加速器产生的电子束打靶产生的X射线照射工件形成平面图像.70年代医用X-CT诞生后,80年代即出现了工业CT,并很快应用到热轧无缝钢管的在线测试,发动机检测,以至大型火箭的整体测试中.无损检测的一个成功例子是集装箱检查.我国已成功地研制出了基于加速器的和基于60Co源的集装箱检测系统,为海关缉私提供了强有力的工具.另一种重要的无损检测是中子照相,用其检测火药,继电器,发动机叶片等有很高的灵敏度和分辨率,在航天与航空工业和国防上有重要应用.

此外,工业核仪表如厚度计,密度计,料位计,核子称,火灾报警器等可在高温,高压,酸碱腐蚀等环境中工作,可以不接触,不破坏被测对象,这是其它仪表所不及的.世界上石油勘探中有三分之一是核测井完成的.

2 在医学中的应用

射线和粒子束技术在医学中主要有两个方面的应用:一个是核医学成像,另一个是肿瘤的放射治疗.核医学成像技术包括单光子发射断层成像ECT)和正电子断层成像(PET).根据统计学方法的研究结果,SPECT可以比X-CT提前三个月诊断出癌症,PET 一般比SPECT还要早三个月诊断出癌症.

核医学成像技术不同于X射线断层成像(CT),磁共振成像(MRI)和超声波成像,在显像之前必须注射相应的放射性药物作为显像剂,其影像反映的是显像剂及其代谢产物的时间和空间分布.核医学成像技术是目前唯一能在体外获得活体中发生的生物化学反应,器官的生理学和病理学变化以及细胞活动信息的方法,可为疾病诊断提供分子水平的信息.在分子水平实现人体成像已成为当前发展的新热点.从医学成像的角度看,如何更好地在三维空间内实时地显示人体内部发生的病变在今天仍然具有挑战性.当前的任务是要进一步提高图像数据的采集速度,图像的空间分辨率和对比度.例如,消除影像和剂量计算中的噪声以及由这些噪声引起的伪影,提高图像质量和治疗时的定位误差.SPECT和PET成像的优点是特异性好,能够用于早期诊断;其缺点是空间分辨率差,病理和周围组织的相互关系很难准确定位.把核医学成像叠加在诸如X-CT成像,MRI高分辨率结构图像上进行定位是目前比较流行的方法.故图像的配准,分割和融合在医学成像中的应用是这个领域内一个重要的方面.

肿瘤的放射治疗是目前肿瘤临床治疗的三大技术之一.目前的放疗技术从使用的射线束看,可分为低LET(传能线密度)放疗和高LET放疗.前者包括X-射线,γ-射线以及质子放疗,后者则包括中子和重离子放疗.放疗的主要装置是粒子加速器和60Co源.