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1、北京大学学报(自然科学版),第39卷,增刊,2003年12月ActaScientiarumNaturaliumUniversitatisPekinensis,Vol.39,S.S.(Dec,2003)核技术及其应用的发展郭之虞王宇钢(北京大学重离子物理研究所,重离子物理教育部重点实验室,北京,100871)包尚联(北京大学重离子物理研究所,医学物理和工程北京市重点实验室,北京,100871)摘要从应用的角度讲,核技术主要包括射线和粒子束技术与放射性核素技术。前者主要包括核分析技术、辐射加工与离子束加工、无损检测、工业核仪表、核医学
2、成像、肿瘤放疗和辐射诱变育种技术等;后者则主要包括放射性核素测年、放射性核素示踪和放射性药物。射线和粒子束与物质的相互作用是核技术的物理基础,粒子加速器技术和核探测技术是核技术的主要支撑技术。本文介绍了上述各技术领域的发展,并介绍北京大学的核技术及应用研究工作。关键词核技术;应用;粒子加速器;核探测技术;射线;粒子束;放射性核素中图分类号TL5;TL8;TL92;TL99;O571.330引言1896年贝克勒尔发现铀的天然放射性,从此诞生了一门新的科学:原子核科学技术。1919年卢瑟福利用天然α射线轰击各种原子,确立了原子的核结构
3、,随后又首次用人工方法实现了核反应。但是用天然射线源能够研究的核反应很有限,人们开始寻找一种可以产生具有不同能量的各种粒子束的装置,于是粒子加速器应运而生。同时,为了探测各种射线和核反应的产物,还需要有辨别粒子种类和能量的探测器及相应的电子学设备。在研究核物理的过程中人们发现,放射性一方面可能造成人体的伤害,另一方面它也可以在医学、工农业和其他方面有许多应用。于是相应地,辐射防护技术与射线应用技术也发展起来。此外,核物理的研究还导致了许多放射性核素的发现。它们的半衰期长至数千万年,短至不足1s。在不同场合下选择适当的放射性核素,可
4、以做示踪剂、测年工具或药物使用。这就是放射性核素技术(或称为同位素技术)。上述粒子加速器技术、核探测技术与核电子学、射线和粒子束技术、放射性核素技[1]术等,通常统称为核技术。概括而言,核技术就是利用放射性现象、物质(包括荷能粒子)和规律探索自然、造福人类的一门学科,其主要内容是研究射线、荷能粒子束和放射性核素的产生、与物质相互作用、探测和各种应用的技术。在我国现行的研究生培养体系中“核技术及应用”属于一级学科“核科学与技术”之下的一个二级学科。核技术还包括核武器技术与核动力技术(或称为核能技术)。核动力技术的核心是反应堆技术,反
5、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,收稿日期:200321121582增刊郭之虞等:核技术及其应用的发展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,
6、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
7、。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[2]能部分约占80%。[3]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
8、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8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
