第七章核技术应用课件

核科学技术的组成和应用范围第一页，共70页。核技术的应用领域

军事科学研究考古工业农业核医学环境核技术核技术诊断与辐照治疗辐射育种、辐射不育防治虫害和同位素示踪等。检测与分析,辐射加工通过测定碳-l4的浓度测定文物、化石、煤炭等的年代。环境污染治理和分析检测我国的10MeV直线感应加速器中国第一颗原子弹爆炸烟云核物理和放射化学等基础研究。优化的EDTMP结构第二页，共70页。核医学核农学环境考古。。。。第三页，共70页。第四页，共70页。第五页，共70页。核医学什么是核医学？核医学是一门利用与研究放射性核素诊断与治疗疾病并探索其机制与理论的医学学科。核医学包括基础研究和临床应用两个部分，他们的发展又与核药学及核仪器的发展密切相关。第六页，共70页。X光机。X—CT。E－CT（γ照相机，SPECT和PET）核磁共振成像机γ刀X刀。。。。。。redong目前使用的核医学仪器设备第七页，共70页。第八页，共70页。X光机成像第九页，共70页。X－CT成像第十页，共70页。第十一页，共70页。右后叶肝癌第十二页，共70页。第十三页，共70页。γ照相机SPECTPETE－CT第十四页，共70页。γ相机第十五页，共70页。γ照相机(Anger照相机)第十六页，共70页。第十七页，共70页。γ相机结构相机准直器（Collimator）闪烁探测器（NaI晶体）光电倍增管(PMT)位置电路数据分析计算机NaI晶体

光电倍增管准直器孔探头周围铅屏蔽

准直器固定结构第十八页，共70页。SPECT（SinglePhotonEmissionComputerizedTomography）是单光子发射计算机断层照相的简称，它以γ发射体为成像对象，其探测光子的原理和γ照相机相同。它是在γ照相机的基础上发展起来的。SPECT第十九页，共70页。正电子湮灭正电子湮灭前在人体组织内行进1-3mm湮灭作用产生:能量（光子是511KeV）动量同时产生互成180度的511keV的伽玛光子。第二十页，共70页。PET。正电子发射计算机断层扫描（PositronEmissionComputerizedTomography,简称PECT或PET）是目前最先进的医疗诊断设备。PET第二十一页，共70页。第二十二页，共70页。为什么癌细胞会被检测出来呢？第二十三页，共70页。第二十四页，共70页。PET-CT融合示意图CT图像何处有病灶？第二十五页，共70页。PET-CT融合示意图PET图像病灶在何处？第二十六页，共70页。PET-CT融合示意图PET-CT图像融合病灶原来在这里第二十七页，共70页。PET图像有放射性浓聚，头颈部CT、MR及鼻咽镜检未见异常。PET-CT定位于右上腭。隐匿性上腭癌第二十八页，共70页。单机同时具备CT和PET,便于图像融合第二十九页，共70页。 核磁共振适合于液体、固体。如今的高分辨技术，还将核磁用于了半固体及微量样品的研究。核磁谱图已经从过去的一维谱图（1D）发展到如今的二维（2D）、三维（3D）甚至四维（4D）谱图，陈旧的实验方法被放弃，新的实验方法迅速发展，它们将分子结构和分子间的关系表现得更加清晰。在世界的许多大学、研究机构和企业集团，都可以听到核磁共振这个名词，包括我们在日常生活中熟悉的大集团。而且它在化工、石油、橡胶、建材、食品、冶金、地质、国防、环保、纺织及其它工业部门用途日益广泛。在中国，其应用主要在基础研究方面，企业和商业应用普及率不高，主要原因是产品开发不够、使用成本较高。但在石油化工、医疗诊断方法应用较多。核磁共振技术及其应用第三十页，共70页。人体的核磁共振成像仪示意框图核磁共振成像的优点是：射频电磁波对人体无害，可获得内脏器官的功能状态、生理状态以及病变状态的情况等。激发单元接收单元显示单元计算机磁体

NMR成像技术用核磁共振层析“拍摄”的脑截面图象第三十一页，共70页。MRIisusedforimagingofallorgansinthebody.第三十二页，共70页。放射性治疗放射治疗简称放疗，使利用各种射线治疗恶性肿瘤的一种局部治疗技术。所有细胞都要生长和分裂，但是癌细胞的生长和分裂比他们周围的正常细胞都要快。放射疗法采用特殊设备产生的高剂量射线照射癌变的组织，杀死或破坏癌细胞，抑制他们的生长、繁殖和扩散。虽然一些正常细胞也会受到一定程度的破坏或损伤，但大多数都能自行修复。γ刀X刀第三十三页，共70页。硼中子俘获疗法将中子俘获截面大的核素引入亲肿瘤药物，注射到或服入肿瘤患者体内，待药物富集于肿瘤组织后，用中子束照射肿瘤部位引起中子俘获反应，核反应产生的次级辐射及反冲核对肿瘤细胞起杀伤作用，这种治疗癌症的方法称为中子俘获疗法。以10B作为靶核素的中子俘获治疗特称为硼中子俘获疗法（BNCT，BoronNeutronCaptureTherapy)第三十四页，共70页。1932年英国剑桥大学Cavendish实验室通过试验证明中子撞击10B将引起蜕变反应，释放α射线和γ射线；1936年，由Locher首次提出用中子俘获治疗（neutroncapturetherapy，NCT）方法治疗肿瘤的设想。此后，许多国家的科学家进行了一系列的细胞和动物实验；二十世纪50年代初，美国Brookhaven国家实验室进行首次临床治疗试验。之后，麻省理工学院也进行了大量的人体临床试验，但副作用严重，治疗结果不够理想；日本学者Hatanaka自1968年以来，一直坚持BNCT的临床研究，研究表明：利用BNCT治疗脑胶质细胞瘤的生存率比传统的手术、放疗和化疗要高，这再度刺激了NCT的复兴；第三十五页，共70页。为加强国际合作与交流，1984年NCT国际协作组织成立此后，日本、美国、荷兰、英国、芬兰、澳大利亚和德国等国制定了BNCT中长期发展计划，主要集中在脑胶质细胞瘤的治疗上；20世纪90年代后，日本的皮肤病专家Mishima开始了BNCT在恶性黑色素瘤治疗方面的研究；意大利、我国台湾省正在研究BNCT治疗肝癌的技术，特别是意大利，已有成功试治的的先例。总体来说，无论在国内还是国外，BNCT已经成为癌症治疗的研究热门；第三十六页，共70页。BNCT的基本原理将含有硼-10的肿瘤药物注射到癌症患者体内，待药物富集于肿瘤组织后，用中子束照射肿瘤部位，引起强烈的中子俘获反应，用它所产生的次级辐射及反冲粒子去杀死癌细胞第三十七页，共70页。10B+1n→4α(1.78MeV)+7Li(1.01MeV)(4%) →4α(1.47MeV)+7Li(0.84MeV)+γ(0.48MeV)(96%)产生的4α粒子和7Li射程都很短，分别是5um和8um，他们能有效地杀死癌细胞，而对周围正常细胞损伤很小。第三十八页，共70页。治疗特点:中子穿透性比质子和重离子好，容易实现深部癌症治疗与质子和重离子治疗设备相比，BNCT的造价相对低廉;BNCT是一种热中子治癌方法，热中子对人体正常细胞的伤害较小；BNCT最终发挥治疗作用的a粒子和Li离子，它们具有局域性好的特点；BNCT对药物具有可选择性，具有定向治疗的特点；俘获反应后放射性核素的半衰期短及次级辐射射程短,治疗后患者不需要特殊防护；第三十九页，共70页。其他治疗方法迄今神经外科学只能切除30-50%的肿瘤；留下部分采用化疗或多模式治疗都无法抑制肿瘤细胞的迅速生长;化学疗法:依靠抗癌毒物按比例杀灭体内肿瘤疗程长,药剂毒副作用大;放射疗法：射线束只能对团块肿瘤具有杀伤作用，对于边界混杂的交织脑瘤无可奈何其它新疗法：生物疗法、基因疗法等，远不成熟

硼中子俘获疗法一敲响恶性脑瘤的丧钟！第四十页，共70页。核辐射育种已经获得了1000多种新的农作物，在全世界播种面积达几千万公顷，产生了巨大的经济效益和社会效应。利用核辐射处理使害虫的遗传物质发生变化，降低该种害虫本身的潜在生殖能力。同位素示踪技术在土壤肥料研究中的应用。核农学第四十一页，共70页。罐头

食品辐照是人类利用核技术开发出来的又一种新型食品加工保藏手段．它的原理是食品经电离辐射照射，可杀灭食品中的虫害，消除食品中病原微生物及其他腐败细菌，或抑止某些食品中的生物活性和生理过程，从而达到食品保藏或保鲜的目的。食品辐照第四十二页，共70页。

调味品熟食品第四十三页，共70页。辐射保藏技术的优越性射穿透能力强适用性广

辐射处理是一种冷加工技术

节省能量

无化学残毒

大大延长产品的保质期第四十四页，共70页。用辐射源照射幼虫，使其失去生育能力，这种消灭害虫的作战方法叫做“辐射绝育法”，也叫“雄性不育法”。日本曾在久米岛对螺旋蝇运用过这一战术。根治害虫的核武器在非洲，还有一种萃萃蝇，它们携带着一种能使人得昏睡病的微生物。由于这种蝇的蔓延，造成非洲数百万英亩的土地无人耕种，荒无人烟。人们现正打算采用这种“辐射绝育法”来使非洲的萃萃蝇断子绝孙。从1975年2月开始，每周放出400万只绝育的螺旋蝇。结果，该岛上的这种蝇全部被消灭了。在冲绳县农业试验场，还在进一步研究大量饲养螺旋蝇的新技术，准备每周饲养螺旋蝇（绝育的）1亿只，以消灭全县的螺旋蝇。第四十五页，共70页。1923年，Hevesy在丹麦玻尔实验室工作期间，将豆科植物浸泡在含有放射性210Pb和212Pb的铅盐溶液中。结果发现：铅全部被吸附在根部，从而保护和其它部位。1949年，Calvin用14C揭示了光合作用第四十六页，共70页。同位素示踪技术1934年，Curie夫妇发现人工放射现象，获得具生物意义的32P、45Ca等。1940年，Ruben等用18O示踪发现光合作用O2来自于水的光1952年，Hershey和Chase使用35S和32P双标记噬菌体感染实验证明DNA是遗传信息的载体，在50年代还利用14C确定了光合作用最初产物是PGA，并提出了卡尔文循环。60年代，使用14C、13C、18O等，发现了植物光呼吸作用。1977年，Sanger等采用放射性标记技术和ARG技术，成功地进行了DNA序列测定。

……

随后的加速器、反应堆等生产设施及设备的建立，为放射性核素示踪法更快发展和广泛应用提供了物质条件。第四十七页，共70页。示踪方法：将含有同位素的标记化合物（如标记食物、药物、代谢物等）代替相应的非标记化合物。利用放射性核素不断地放出特征射线的核物理性质，就可以用核探测器随时跟踪的位置、数量及其转变等，稳定性同位素虽然不释放射线，但可以利用它与普通相应同位素的质量之差，通过质谱仪、气相色谱仪、核磁共振等分析仪器来测定。放射性核素作为示踪剂灵敏度高，测量方法简便易行、能准确地定量、定位并符合所研究对象的生理条件。稳定性同位素作为示踪剂时，灵敏度较低、可获得的种类少、价格较昂贵，应用范围受到限制。两种示踪技术比较：第四十八页，共70页。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Co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。 （1）厚度计 （2）核子秤

（3）集装箱CT检测系统在工业中的应用第四十九页，共70页。第五十页，共70页。第五十一页，共70页。第五十二页，共70页。第五十三页，共70页。集装箱CT检测装置第五十四页，共70页。核技术在环境治理中的应用首先在环境监测方面，可以充分应用现有核分析技术所具有的高灵敏度、高准确度、恶劣条件的适应性，对环境进行实时、远距离监测，对环境污染物化学程度及其效应进行分析和评估，对新型污染物进行鉴别和溯源分析，应该说核分析技术已成为环境监测分析的质量保证体系中的重要组成部分。在环境治理方面，利用辐射处理污染、废水和其他生物废弃物的方法与传统的填埋、投海、焚烧等处理方法相比有显著的优点。它不会造成环境的二次污染，处理费用低。第五十五页，共70页。废气处理

主要大气污染物：SOx与NOx烟气脱硫脱硝技术主要有固相吸附与再生技术、湿法同时脱硫脱硝技术、吸收剂喷射法等，绝大多数遇到成本过高或装置复杂的困难，例如以石灰喷雾法脱硫，用酸、碱吸收或催化还原法去除NOx等。第五十六页，共70页。电子束照射法(EBA)脱硫脱硝：20世纪90年代俄罗斯科学院西伯利亚分院的核物理研究所制造的加速器供应波兰和日本，用以净化烟雾。波兰用俄罗斯生产的加速器净化劣质煤燃烧产生大量SO2与NOx。日本利用俄罗斯生产的加速器净化烧垃圾时所产生的烟雾。第五十七页，共70页。辐照杀菌灭菌原理：细菌是由有机复合物构成的，因此辐照可以有效地使细菌失去活性。

微生物对于给定剂量辐射的敏感性既取决于物理因素（温度和辐射质量）和化学因素（激活剂和保护剂），又取决于生物的或生理的因素（生长阶段和DNA总量）。辐照之前对废水做适当的预处理，有利于达到微生物最大的致死效应。用比较小的剂量（如0.25kGy～1kGy）进行辐照，对普通细菌（如大肠杆菌、沙门氏菌等），90%的剂量可将它们杀死。第五十八页，共70页。医疗废物和港口垃圾

医疗废物：含有大量的致病菌、病毒，还含有化学药品，甚至重金属化合物，还有大量还有大约20%的塑料。港口垃圾：食品碎屑、塑料、纤维素等，可能存在潜在的动物传染病原体。

贮存和运输废物的容器：重复使用前应该进行清洗和消毒。传统处理方式：加热(100℃以上至少30min)或焚化(产生毒气)在新处理方式：辐射处理(辐照装置设在港区，能自动和连续工作)第五十九页，共70页。污泥环境状况：警戒水平。每人每年大约产生26kg（干重）污泥。美国每年花费20多亿美元进行污泥的处理和管理来自超过13000个公立处理工厂的5～7百万吨（干重）生物固体。在中国，2005年就产生了大概350万吨（干重）污水污泥。污泥特点：含水(高)、有机物、病原体和少量重金属——大量能量和生物价值1979年，美国环境保护局（EPA）发布CFR257法规，要求控制污泥中的病原体。1982年9月，该局又在补充环境影响报告中提出，下水系统的污泥是有用的资源。第六十页，共70页。辐射处理污泥

污泥辐照的优点：辐射技术是目前国际上普遍认为很有前途的污泥处理方法(1)能杀死污泥中的病菌和病毒，消毒效果比热处理可靠；(2)不破坏污泥中的有机氮化物，不会减少了污泥的肥力和产生难闻的臭味(巴氏热处理法中氮损失较多，污泥的肥力下降)；(3)能防止污泥中的杂草种子发芽，但不会影响正常种子的发芽；(4)处理温度较低(25～30℃)，减少对工厂设备的腐蚀；(5)可以氧化有毒的和危险的有机物污染物（如杀虫剂、除草剂、多氯联苯等），把难于生物降解的物质转化为容易降解的化合物；(6)辐照后的污泥具有良好的脱水性能(各种原始水样在沉积时形成的淤泥的体积比运到消毒工厂的污水体积要小1到2个数量级)，可省去化学絮凝剂和一些相应的设备。污泥经辐照灭菌后，可作为肥料直接在农田使用。第六十一页，共70页。世界第一个污泥辐照厂——格梭布尔拉治处理厂（GeiselbullachTreatmentPlant），1973年建在德国慕尼黑东10km处，60Co源，1983年补充安装137Cs辐射源。美国(1976波士顿deer岛，1984弗洛尼达州迈阿密)、印度（1985西部城市Boroda）、日本(原子能研究所高崎辐射化学研究中心)、澳大利亚、桑迪亚等国也建立了污泥辐照装置。污泥的高能电子辐照系统

辐射处理污泥

Deer污泥辐照厂流程图第六十二页，共70页。中子活化分析原理

由于射线的能量和半衰期是放射性核素的特征，通过测定放射性核素的半衰期或者放射线的能量，便能定性，通过测定射线强度，便可定量。中子轰击待测试样核反应瞬发辐射放射性核素衰变缓发辐射测能量测强度测能量测强度定性定量定性定量例如：24Na的半衰期是15.03h第六十三页，共70页。(地球表层铱Ir含量极低﹤1μg/kg,地外陨石达几百μg/kg，可以作为地外物质指示元素。)地球外星球撞击说法地球形成4600百万年，生物遗迹(化石)追溯到3500百万年前,生物进化过程史上发生25次大灾变，其中发生过5次古生物灭绝事件。什么原因？寒武系末期，距今570百万年前泥盆系末期360百万年前二叠系末期245百万年前三叠系末期208百万年前T系白垩系末期65百万年前K系1980美伯克利实验室中子活化测量意大利等地区（西班牙、加拿大、美、新西兰），分析三叠系末期与白垩系期地质界线粘土层发现Ir高出背景值30-160倍。地球灾变第六十四页，共70页。拿破伦1821年5月5日死于流放的小岛上。有许多猜测：胃癌、谋害、进入金字塔受惊而死等。1961年一位瑞士人给英国法医部门送去了一个写有“不朽的拿破伦之发”的信封。是拿破伦死后第2天整容时取下的。中子活化分析分段测量发现头发内砷（As）含量高达1110-6克，超出正常人13倍。推算砷中毒时间长达数月。结论：拿破伦死于砒霜（As2O3)慢性中毒急性发作。生物体中微量元素的测定第六十五页，共70页。2003年建立“清光绪帝死因”专题研究课题组。历时五年，由光绪