引言
1896年貝克勒爾發(fā)現鈾的天然放射性，從此誕生了一門(mén)新的科學(xué)：原子核科學(xué)技術(shù)。 1919年盧瑟福利用天然 α射線(xiàn)轟擊各種原子，確立了原子的核結構，隨后又首次用人工方法實(shí)現了核反應。但是用天然射線(xiàn)源能夠研究的核反應很有限，人們開(kāi)始尋找一種可以產(chǎn)生具有不同能量的各種粒子束的裝置，于是粒子加速器應運而生。同時(shí)，為了探測各種射線(xiàn)和核反應的產(chǎn)物，還需要有辨別粒子種類(lèi)和能量的探測器及相應的電子學(xué)設備。在研究核物理的過(guò)程中人們發(fā)現，放射性一方面可能造成人體的傷害，另一方面它也可以在醫學(xué)、工農業(yè)和其它方面有許多應用。于是相應地，輻射防護技術(shù)與射線(xiàn)應用技術(shù)也發(fā)展起來(lái)。此外，核物理的研究還導致了許多放射性核素的發(fā)現。它們的半衰期長(cháng)至數千萬(wàn)年，短至不足 1秒。在不同場(chǎng)合下選擇適當的放射性核素，可以做示蹤劑、測年工具或藥物使用。這就是放射性核素技術(shù)（或稱(chēng)為同位素技術(shù)）。上述粒子加速器技術(shù)、核探測技術(shù)與核電子學(xué)、射線(xiàn)和粒子束技術(shù)、放射性核素技術(shù)等，通常統稱(chēng)為核技術(shù) [1]。概括而言，核技術(shù)就是利用放射性現象、物質(zhì)（包括荷能粒子）和規律探索自然、造福人類(lèi)的一門(mén)學(xué)科，其主要內容是研究射線(xiàn)、荷能粒子束和放射性核素的產(chǎn)生、與物質(zhì)相互作用、探測和各種應用的技術(shù)。在我國現行的研究生培養體系中“核技術(shù)及應用”屬于一級學(xué)科“核科學(xué)與技術(shù)”之下的一個(gè)二級學(xué)科。核技術(shù)還包括核武器技術(shù)與核動(dòng)力技術(shù)（或稱(chēng)為核能技術(shù)）。核動(dòng)力技術(shù)的核心是反應堆技術(shù)，反應堆可用來(lái)發(fā)電、供熱、驅動(dòng)運載工具等。反應堆還可以產(chǎn)生大量中子，故在有些核技術(shù)應用中亦可利用反應堆作為中子源，或利用反應堆中子做活化分析、生產(chǎn)放射性核素等。“核能工程與技術(shù)”和“輻射防護與環(huán)境保護”也是“核科學(xué)與技術(shù)”之下的二級學(xué)科。
實(shí)際上核技術(shù)與核物理是密不可分的，這兩個(gè)學(xué)科在發(fā)展過(guò)程中始終是互相依托、互相滲透的。同時(shí)，作為核探測技術(shù)和射線(xiàn)應用技術(shù)的基礎，研究各種射線(xiàn)和荷能粒子束與物質(zhì)的相互作用是十分重要的。其相互作用既可以產(chǎn)生物理的變化，也可以產(chǎn)生化學(xué)的變化，還可以產(chǎn)生生物學(xué)的變化。相應的研究構成了輻射物理學(xué)、輻射化學(xué)和輻射生物學(xué)的主要內容。在核技術(shù)的應用中還經(jīng)常要對放射性核素進(jìn)行分離，或用放射性核素標記化合物，這屬于放射化學(xué)的范疇。因此，核技術(shù)及應用這一學(xué)科與核物理學(xué)、輻射物理學(xué)、輻射化學(xué)、放射化學(xué)等學(xué)科有密切的聯(lián)系，其中輻射物理往往也被納入核技術(shù)的范疇內。近年來(lái)核技術(shù)在醫學(xué)中的應用得到迅速發(fā)展，相應地又產(chǎn)生了醫學(xué)物理、核醫學(xué)等學(xué)科。另一方面，核技術(shù)的研究經(jīng)常涉及大型儀器設備的研制，其本身又是物理、機械、真空技術(shù)、電子學(xué)、射頻技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、成像技術(shù)等多種學(xué)科和技術(shù)的綜合。故此核技術(shù)充分體現了多種學(xué)科的交*這一特點(diǎn)，是現代科學(xué)技術(shù)的重要組成部分，也是當代重要的高技術(shù)之一。第二次世界大戰之后核技術(shù)開(kāi)始大規模地應用到國民經(jīng)濟之中，形成了許多新興的產(chǎn)業(yè)，如輻射加工、無(wú)損檢測、核醫學(xué)診斷設備與
放射治療設備、同位素和放射性藥物生產(chǎn)等。據統計，美國和日本的國民經(jīng)濟總產(chǎn)值（ GDP）中核技術(shù)的貢獻約占 3%~4%。美國核技術(shù)產(chǎn)生的年產(chǎn)值約為 3500億美元，其中非核能部分約占 80%[2]。
現代很多科學(xué)技術(shù)成就的取得都是與核技術(shù)的貢獻分不開(kāi)的[3]。僅以諾貝爾獎為例， 1931年美國科學(xué)家勞倫斯發(fā)明回旋加速器，為此獲得了 1939年諾貝爾物理獎。 1932年英國科學(xué)家 Cockcroft和 Walton制造了第一臺高壓倍壓加速器并用其完成了首次人工核反應，獲 1957年諾貝爾物理獎。此外還有八項諾貝爾物理獎和化學(xué)獎是利用加速器進(jìn)行實(shí)驗而獲得的。在探測器方面，威爾遜因發(fā)明云室探測器而獲 1927年諾貝爾物理獎，其后布萊克特因改進(jìn)威爾遜云室實(shí)現自動(dòng)曝光而獲 1948年諾貝爾物理獎，鮑威爾發(fā)明照相乳膠法并用其發(fā)現π介子而獲 1950年諾貝爾物理獎，這之后格拉澤因發(fā)明氣泡室使粒子探測效率提高 1000倍而獲 1960年諾貝爾物理獎，阿爾瓦雷茲因改進(jìn)氣泡室并用其發(fā)現共振態(tài)粒子而獲 1968年諾貝爾物理獎，沙帕克因發(fā)明多絲正比室和漂移室而獲 1992年諾貝爾物理獎。在核分析技術(shù)方面， 1948年美國科學(xué)家利比建立了 14C測年方法并為此獲得了 1960年諾貝爾化學(xué)獎，穆斯堡爾因發(fā)現穆斯堡爾效應而獲 1961年諾貝爾物理獎，布羅克豪斯和沙爾因發(fā)展了中子散射技術(shù)而獲 1994年諾貝爾物理獎。核技術(shù)對于科學(xué)發(fā)展的重要推動(dòng)作用由此可見(jiàn)一斑。由于核技術(shù)為多種學(xué)科的基礎研究提供了靈敏而精確的實(shí)驗方法和分析手段，自 20世紀 80年代以來(lái)各國競相建造與核技術(shù)密切相關(guān)的大型科學(xué)工程，如大型對撞機、同步輻射裝置、自由電子激光裝置、散裂中子源、加速器驅動(dòng)次臨界反應堆、大型放射性核束加速器等，其造價(jià)動(dòng)輒數億美元乃至數十億美元。美國能源部 2003年 11月發(fā)布研究報告“未來(lái)科學(xué)的裝置”，列出了今后 20年重點(diǎn)發(fā)展的 28項大型科學(xué)工程，其中基于加速器的有 14項，占了一半。我國自改革開(kāi)放以來(lái)先后建造了北京正負電子對撞機、蘭州重離子加速器、合肥同步輻射裝置等大科學(xué)工程，輻照和放療用電子加速器、大型集裝箱探測裝置、輻射加工和同位素生產(chǎn)等也已經(jīng)形成了一定規模的產(chǎn)業(yè)。
本文將首先介紹核技術(shù)的物理基礎與支撐技術(shù)，然后分別介紹射線(xiàn)與粒子束技術(shù)以及放射性核素技術(shù)的發(fā)展及其應用，最后介紹北京大學(xué)核技術(shù)及應用學(xué)科的發(fā)展。
1 核技術(shù)的物理基礎與支撐技術(shù)
1.1 射線(xiàn)和粒子束與物質(zhì)的相互作用
射線(xiàn)和粒子束通過(guò)物質(zhì)時(shí)與物質(zhì)發(fā)生相互作用，一方面射線(xiàn)和粒子在介質(zhì)中被散射或吸收阻止、其能量逐步損失，另一方面物質(zhì)在射線(xiàn)和粒子束的作用下產(chǎn)生電離、激發(fā)、濺射、次級射線(xiàn)或次級粒子發(fā)射等物理效應。射線(xiàn)和粒子束與物質(zhì)相互作用的研究已經(jīng)蓬勃發(fā)展了近百年，目前所研究射線(xiàn)和粒子束的范圍已由開(kāi)始時(shí)較為單一的自發(fā)輻射產(chǎn)生的γ射線(xiàn)、β射線(xiàn)（快速電子流）及 α粒子，擴充到各種能量、各種核素的離子束、中子束、以至團簇離子束。這些研究一方面提供了核結構信息，另一方面也為研制核探測器、防護輻射危害、以及開(kāi)展各種核技術(shù)應用工作打下了基礎。
雖然人們對γ射線(xiàn)和β射線(xiàn)與物質(zhì)的相互作用了解得較早，但離子與物質(zhì)相互作用的規律較為復雜。 20世紀 30年代， Bethe和 Bloch提出了高速帶電粒子在物質(zhì)中阻止本領(lǐng)的 Bethe－Bloch公式。60年代中期，Lindhard等人提出了離子射程的 LSS理論及低速重離子在物質(zhì)中的阻止本領(lǐng)，從而建立了比較完備的關(guān)于離子在物質(zhì)中的射程及能損的理論體系。到 80年代，Ziegler等人又提出了新的原子間相互作用普適勢，并編制了著(zhù)名的模擬離子在固體中能損及射程的 TRIM程序。另外， 50年代實(shí)驗發(fā)現了帶電粒子在晶體中的溝道效應并隨后由 Lindhard等人建立了相應的理論模型， 60年代末期 Sigmund由級聯(lián)碰撞理論提出了元素靶在離子轟擊下的濺射公式。以上這些基礎理論研究工作為帶電粒子束技術(shù)的發(fā)展及其應用，如離子注入及離子束分析等，奠定了重要的基礎。
在粒子束技術(shù)不斷發(fā)展的同時(shí)，粒子束與物質(zhì)相互作用，特別是輻照損傷的研究也在不斷發(fā)展、深化。例如強流粒子束及團簇離子束技術(shù)的出現促進(jìn)了強流粒子束（或團簇離子束）與物質(zhì)相互作用，特別是非線(xiàn)性輻照損傷研究熱潮的興起；低能離子注入及離子束輔助沉積技術(shù)的發(fā)展又促進(jìn)了分子動(dòng)力學(xué)模擬方法在輻射損傷研究中的應用。
中子與物質(zhì)的相互作用如散射、慢化、擴散和輻射俘獲等，對于反應堆技術(shù)至關(guān)重要，故很早就進(jìn)行了仔細的研究。但近年來(lái)隨著(zhù)中子散射技術(shù)的發(fā)展，中子在晶體中的散射（包括衍射）和在液體中的散射也得到了充分的研究。后者可用于軟物質(zhì)的研究，為生命科學(xué)的研究提供了新手段。
1.2 粒子加速器技術(shù)
自 20世紀 30年代初開(kāi)始，倍壓加速器、靜電加速器、射頻超導直線(xiàn)加速器、回旋加速器等陸續發(fā)展起來(lái)。第二次世界大戰以后，自動(dòng)穩相原理的提出和射頻技術(shù)的發(fā)展對加速器技術(shù)的發(fā)展給予了極大的推動(dòng)。美國斯坦福直線(xiàn)加速器中心（ SLAC）建造了能量為 50 GeV的電子直線(xiàn)加速器，長(cháng)度達 3 km。同步加速器也迅速發(fā)展起來(lái)，并成為高能加速器的主流類(lèi)型。對撞機原理的提出，極大地拓展了高能物理的實(shí)驗能區。70年代以來(lái)，美、歐、日本相繼建造了一批大型對撞機。歐洲核子中心（ CERN）80年代末建造的正負電子對撞機 LEP橫跨法國和瑞士?jì)蓢壍乐荛L(cháng)達 26.7 km，運行耗電占當時(shí)全歐洲發(fā)電量的 7%。隨著(zhù)重離子物理研究和放射性核束物理研究的興起，大型串列靜電加速器、等時(shí)性回旋加速器、重離子直線(xiàn)加速器也相繼發(fā)展起來(lái)。近年來(lái)，為滿(mǎn)足加速器驅動(dòng)潔凈核能系統和散裂中子源的需要，強流中能（~1GeV）質(zhì)子直線(xiàn)加速器的研究已成為研究的熱點(diǎn)。
另一方面，加速器技術(shù)在多學(xué)科研究、國民經(jīng)濟、醫學(xué)、國防等方面也得到了日益廣泛的應用。此類(lèi)加速器多數工作在低能區（ <100MeV），如用于離子注入的倍壓加速器、用于離子束分析的靜電加速器、用于輻照加工的高頻高壓加速器和絕緣芯變壓器加速器、用于放療和探傷的電子直線(xiàn)加速器和電子感應加速器、用于放射性藥物生產(chǎn)的回旋加速器、用于核爆模擬及閃光照相的強脈沖加速器和感應直線(xiàn)加速器等。這些加速器通常要求有較高的輸出流強和輸出功率，也有的要求能對粒子束的能量進(jìn)行精確調節。近年來(lái)，同步輻射和自由電子激光作為新型光源得到了迅速發(fā)展。目前世界上建成的第三代光源的亮度較前二代光源有大幅度提高。我國也即將在上海浦東建造一臺第三代同步輻射光源。
加速器物理的研究是加速器技術(shù)發(fā)展的核心。特別是在一些大型加速器中，粒子在加速過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)行為十分復雜。粒子運動(dòng)的不穩定性、束腔相互作用、粒子束的壽命、強流束的束暈、動(dòng)力學(xué)孔徑等問(wèn)題都是當前加速器物理研究的熱點(diǎn)。在加速器技術(shù)的發(fā)展中，新原理和新結構的探索始終是一個(gè)重要的推動(dòng)力。例如射頻四極場(chǎng)（ RFQ）加速結構巧妙地將對粒子的加速和聚焦結合在一起，現在已成為對低能強流離子加速的最佳選擇 [4]。新技術(shù)的采用是加速器技術(shù)發(fā)展的另一個(gè)重要推動(dòng)力。例如射頻超導加速技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已日趨成熟。與常溫加速技術(shù)相比超導加速具有顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)，其功耗低、運行成本低、且束流孔徑大，適于強流加速，目前在中高能加速器中有逐步取代常溫加速技術(shù)的趨勢。
1.3 核探測技術(shù)
核探測技術(shù)是高能物理及核物理實(shí)驗研究的基礎，也是核技術(shù)的重要支撐技術(shù)。從本質(zhì)上講，探測器是一種能量轉換儀器，它可將輻射（粒子束）的能量通過(guò)與工作介質(zhì)的相互作用（如產(chǎn)生光子或電子等）轉化為電信號，再由電子學(xué)儀器記錄和分析。通常的核探測器主要包括氣體探測器（利用射線(xiàn)或粒子束在氣體介質(zhì)中的電離效應探測輻射）、閃爍體探測器（利用射線(xiàn)或粒子束在閃爍體中的發(fā)光效應進(jìn)行探測）及半導體探測器（利用射線(xiàn)或粒子束在半導體介質(zhì)中產(chǎn)生的電子空穴對在電場(chǎng)中的漂移來(lái)探測輻射）。在核物理發(fā)展的早期，氣體探測器是主要的探測器。 20世紀50年代以后氣體探測器逐漸被閃爍探測器和半導體探測器取代，但在某些領(lǐng)域氣體探測器因其獨特的性能仍在使用和發(fā)展。特別是 70年代以來(lái)，在高能物理實(shí)驗中又獲得了廣泛應用。閃爍體探測器近年來(lái)發(fā)展很快并在核醫學(xué)成像方面得到了廣泛應用。隨著(zhù) 60年代半導體工業(yè)的興起，半導體探測器也迅速發(fā)展起來(lái)。由于其能量分辨本領(lǐng)好、線(xiàn)性范圍寬、體積小、集成度高等優(yōu)勢，加上其成本不斷降低，它的應用領(lǐng)域正在不斷擴大。另外，針對中子輻射的特殊性，人們發(fā)展了專(zhuān)門(mén)的中子探測器。在大型粒子物理實(shí)驗及地學(xué)、礦物學(xué)等研究中，核徑跡探測器也發(fā)揮著(zhù)重要的作用。隨著(zhù)材料科學(xué)、計算機技術(shù)及成像技術(shù)的飛速發(fā)展，核探測技術(shù)也在迅猛發(fā)展之中。在以前用于帶電粒子探測的半導體探測器中，其材料基本都是單晶 Si和Ge（Li）（包括高純Ge），目前 CdZnTe、GaAs以及a-Se等材料不象Ge一樣需要低溫，因此發(fā)展勢頭非常好。在無(wú)機及有機閃爍體材料中，也不斷有體積越來(lái)越大或厚度越來(lái)越薄的材料出現（目前有機薄膜閃爍體可以做到幾個(gè)微米厚），同時(shí)由于摻雜了一些高量子效率的元素，閃爍體的量子效率也在不斷提高。氣體無(wú)線(xiàn)條微圖形探測器開(kāi)始在大面積探測使用中與 Si半導體探測器競爭；微剝離氣體室（ MSGC）探測器及基于氣體電子倍增管（GEM）的探測器以及基于GEM的氣體雪崩成像光電倍增管也開(kāi)始出現。
近年來(lái)在國內外產(chǎn)生重大影響的α磁譜儀（ AMS）是諾貝爾物理獎獲得者丁肇中教授領(lǐng)導的跨世紀大型國際合作科學(xué)實(shí)驗項目，有美國、中國、俄羅斯等 10多個(gè)國家和地區的 37個(gè)科研機構參加。磁譜儀是一個(gè)靈敏度非常高的儀器，它的主體是在一個(gè)圓筒狀的結構中，放置以釹鐵硼為材料的永磁鐵，由磁鐵后方的探測器來(lái)記錄帶不同電荷物質(zhì)在通過(guò)磁場(chǎng)后的偏轉軌跡。它的科學(xué)使命是尋找宇宙中的反物質(zhì)和暗物質(zhì)，并對宇宙中各種同位素的相對豐度和高能量光子進(jìn)行精確的測量。
1.4 其它支撐技術(shù)核電子學(xué)。
可與核探測器相配合，進(jìn)行衰變計數、能譜測量、符合測量等。現一般使用標準化機箱和標準化插件，有商業(yè)產(chǎn)品。
輻射源與放射性核素制備技術(shù)。 60Co作為γ射線(xiàn)源目前仍被廣泛使用，但在一些領(lǐng)域中有逐步被加速器取代的趨勢。工業(yè)核儀表一般也需配備小型輻射源，如 241Am、137Cs等。放射性核素的制備主要使用反應堆和加速器。除此以外也使用放射性核素發(fā)生器，它能從較長(cháng)半衰期的母體核素中分離出其短半衰期的子體核素，俗稱(chēng)“母牛”。輻射劑量學(xué)和輻射防護技術(shù)。隨著(zhù)核技術(shù)的發(fā)展和對輻射損傷的研究，對輻射及其生物效應的計量方法、放射工作人員的劑量限值、各種輻射的防護方法、個(gè)人劑量和環(huán)境劑量的監測技術(shù)等都已十分成熟。各國均制定了輻射防護標準，使核行業(yè)的危險度不超過(guò)其他行業(yè)。
2 射線(xiàn)和粒子束技術(shù)及其應用
2.1 在基礎研究中的應用
各種射線(xiàn)和粒子束與物質(zhì)相互作用會(huì )使入射的初級射線(xiàn)和粒子的狀態(tài)或參數發(fā)生變化，在有些情況下還會(huì )產(chǎn)生次級射線(xiàn)和次級粒子。這些變化和次級發(fā)射在很大程度上取決于靶物質(zhì)本身的組成、結構和特性。因此，對于物理、化學(xué)、生物、地質(zhì)、考古等學(xué)科所研究的各種實(shí)體與物質(zhì)，射線(xiàn)與粒子束技術(shù)亦是有力的分析手段。通常我們將這類(lèi)技術(shù)統稱(chēng)為核分析技術(shù)。核分析技術(shù)主要包括活化分析技術(shù)、離子束分析技術(shù)和超精細相互作用核分析技術(shù)三大類(lèi)。活化分析技術(shù)始于 1936年，是檢測荷能中子束或帶電粒子束轟擊試樣所產(chǎn)生的緩發(fā)輻射。其中中子活化分析靈敏度高、精度好，業(yè)已在生命、環(huán)境、地學(xué)的元素分析中得到廣泛應用，近年來(lái)更是發(fā)展了分子活化分析和體內活化分析技術(shù)。離子束分析技術(shù)始于 20世紀 60年代末，主要有核反應分析（ NRA）、背散射（RBS）、質(zhì)子激發(fā) X熒光發(fā)射（PIXE）和溝道效應等方法，在凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)中有廣泛應用。微束分析方法的建立，進(jìn)一步將應用領(lǐng)域擴展到生命、環(huán)境、地學(xué)、考古等學(xué)科。超精細相互作用核分析技術(shù)則是基于各種核效應的核分析方法的總稱(chēng)，包括穆斯堡爾效應、擾動(dòng)角關(guān)聯(lián)效應、核磁共振效應、正電子湮滅效應和中子散射技術(shù)等。這類(lèi)方法既能提供原子核及其近鄰原子的信息，又能提供宏觀(guān)平均信息，所應用的學(xué)科領(lǐng)域也更為寬泛。
核分析技術(shù)對許多學(xué)科的發(fā)展起過(guò)重要的推動(dòng)作用。例如在高溫超導材料的研究中， 1987年首先發(fā)現的超導體 YBa2Cu3O7的分子式和分子結構就是用中子衍射的方法確定的。人們根據中子衍射顯示的結構，正確地解釋了銅氧面和銅氧鏈在超導機制中的作用。此后，離子束分析技術(shù)在高溫超導薄膜的制作研究中也起到了重要的作用。又如在生物大分子的研究中，同步輻射技術(shù)和中子散射技術(shù)都是十分重要的研究手段。除了核分析技術(shù)，40年代末在電子同步加速器上觀(guān)察到的同步輻射，具有波長(cháng)范圍寬且可調、亮度高、準直性好、偏振性好、時(shí)間分辨好等優(yōu)點(diǎn)，是形貌分析、微區分析、表面分析、動(dòng)態(tài)分析的有力工具，成為加速器技術(shù)的重要應用之一。此外，離子注入、離子輻照損傷、離子束慣性約束聚變等技術(shù)也已成為材料科學(xué)、生命科學(xué)、能源科學(xué)的重要研究手段。
2.2 在工業(yè)中的應用核技術(shù)的工業(yè)應用始于 20世紀 50年代興起的輻射加工 [5]。輻射加工利用 60Co源產(chǎn)生的γ射線(xiàn)或電
子加速器產(chǎn)生的電子束照射物料，可引起高分子材料的聚合、交聯(lián)和降解，并可引起生物體的輻射損傷和遺傳變異。輻射加工已被廣泛用于制備優(yōu)質(zhì)電線(xiàn)電纜、熱收縮材料、發(fā)泡材料、超細粉末、人造皮膚、高效電池隔膜、隱形眼鏡等，以及木材與磁帶磁盤(pán)的涂層固化、橡膠硫化、紡織品改性等領(lǐng)域。近年來(lái)食品輻射保鮮滅菌和醫療器具輻射滅菌也得到迅速發(fā)展。此外，隨著(zhù)同步輻射技術(shù)的發(fā)展，又出現了同步輻射光刻機和同步輻射精密加工技術(shù)，可以制造微型齒輪等微型零件。
離子束加工技術(shù)在工業(yè)中也有重要應用。離子注入半導體自 70年代起已成為集成電路制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。離子注入金屬材料可提高其耐磨、抗腐蝕、抗氧化性能并增加硬度。離子注入陶瓷材料可提高其耐磨、導電等性能并克服其脆性。離子注入光學(xué)晶體可改變其折射率，制造光波導、變頻器等集成光學(xué)器件。離子注入聚合物可用于制造微電子器件掩膜，其分辨率好于光束和電子束。還可以用于人工關(guān)節等生物醫學(xué)工程材料的改性，提高其耐磨性和生物相容性。近些年又發(fā)展了離子束沉積技術(shù)、離子束混合技術(shù)、離子束成膜技術(shù)、高能離子注入和極低能離子注入技術(shù)、強流離子注入和強脈沖離子注入技術(shù)等，其應用范圍更為廣泛。離子束技術(shù)在輻照損傷模擬、微電子器件抗輻射加固等研究中也有重要應用。
在無(wú)損檢測技術(shù)中核技術(shù)占了很大比例并有顯著(zhù)優(yōu)勢。早期的射線(xiàn)探傷是用加速器產(chǎn)生的電子束打靶產(chǎn)生的 X射線(xiàn)照射工件形成平面圖像。70年代醫用 X-CT誕生后，80年代即出現了工業(yè) CT，并很快應用到熱軋無(wú)縫鋼管的在線(xiàn)測試、發(fā)動(dòng)機檢測、以至大型火箭的整體測試中。無(wú)損檢測的一個(gè)成功例子是集裝箱檢查。我國已成功地研制出了基于加速器的和基于 60Co源的集裝箱檢測系統，為海關(guān)緝私提供了強有力的工具。另一種重要的無(wú)損檢測是中子照相，用其檢測火藥、繼電器、發(fā)動(dòng)機葉片等有很高的靈敏度和分辨率，在航天與航空工業(yè)和國防上有重要應用。
此外，工業(yè)核儀表如厚度計、密度計、料位計、核子稱(chēng)、火災報警器等可在高溫、高壓、酸堿腐蝕等環(huán)境中工作，可以不接觸、不破壞被測對象，這是其它儀表所不及的。世界上石油勘探中有三分之一是核測井完成的。
2.3 在醫學(xué)中的應用[6]射線(xiàn)和粒子束技術(shù)在醫學(xué)中主要有兩個(gè)方面的應用：一個(gè)是核醫學(xué)成像，另一個(gè)是腫瘤的放射治療。核醫學(xué)成像技術(shù)包括單光子發(fā)射斷層成像（ SPECT）和正電子斷層成像（ PET）。根據統計學(xué)方法的研究結果，SPECT可以比 X-CT提前三個(gè)月診斷出癌癥，PET一般比 SPECT還要早三個(gè)月診斷出癌癥。核醫學(xué)成像技術(shù)不同于 X射線(xiàn)斷層成像（ CT）、磁共振成像（ MRI）和超聲波成像，在顯像之前必須注射相應的放射性藥物作為顯像劑，其影像反映的是顯像劑及其代謝產(chǎn)物的時(shí)間和空間分布。核醫學(xué)成像技術(shù)是目前唯一能在體外獲得活體中發(fā)生的生物化學(xué)反應、器官的生理學(xué)和病理學(xué)變化以及細胞活動(dòng)信息的方法，可為疾病診斷提供分子水平的信息。在分子水平實(shí)現人體成像已成為當前發(fā)展的新熱點(diǎn)。從醫學(xué)成像的角度看，如何更好地在三維空間內實(shí)時(shí)地顯示人體內部發(fā)生的病變在今天仍然具有挑戰性。當前的任務(wù)是要進(jìn)一步提高圖像數據的采集速度、圖像的空間分辨率和對比度。例如，消除影像和劑量計算中的噪聲以及由這些噪聲引起的偽影，提高圖像質(zhì)量和治療時(shí)的定位誤差。SPECT和 PET成像的優(yōu)點(diǎn)是特異性好，能夠用于早期診斷；其缺點(diǎn)是空間分辨率差，病理和周?chē)M織的相互關(guān)系很難準確定位。把核醫學(xué)成像疊加在諸如 X-CT成像、MRI高分辨率結構圖像上進(jìn)行定位是目前比較流行的方法。故圖像的配準、分割和融合在醫學(xué)成像中的應用是這個(gè)領(lǐng)域內一個(gè)重要的方面。
腫瘤的放射治療是目前腫瘤臨床治療的三大技術(shù)之一。目前的放療技術(shù)從使用的射線(xiàn)束看，可分為低 LET（傳能線(xiàn)密度）放療和高 LET放療。前者包括 X-射線(xiàn)、γ-射線(xiàn)以及質(zhì)子放療，后者則包括中子和重離子放療。放療的主要裝置是粒子加速器和 60Co源。放療的一個(gè)重要問(wèn)題是如何在準確地殺死癌細胞的同時(shí)，保護正常組織不受或者少受傷害。對于形狀不規則的腫瘤，如神經(jīng)膠質(zhì)瘤，硼中子俘獲治療（BNCT）可達到較好的效果。放療物理在世界當前的發(fā)展方向是發(fā)展用于放療的各種新的裝置，使得這些裝置能夠在臨床上實(shí)現對腫瘤病人的實(shí)形調強放療(IMRT)，其中最為突出的是電子直線(xiàn)加速器和螺旋 CT結合形成的斷層放療( Tomotherapy)技術(shù)。為了保證放療的治療質(zhì)量，保護病人的安全，加強對放療設備的質(zhì)量控制是一個(gè)重要發(fā)展趨勢。同時(shí)，發(fā)展放療計劃軟件、利用醫學(xué)影像對治療情況進(jìn)行監
督、在放療后對病人接受的劑量場(chǎng)分布進(jìn)行重建并和治療計劃進(jìn)行比較等工作都是十分重要的。
2.4 在農業(yè)和環(huán)境保護中的應用
輻射誘變育種技術(shù)是核技術(shù)農業(yè)應用的主要領(lǐng)域，業(yè)已取得了巨大的經(jīng)濟效益。據 2000年統計，全世界育成新品種已超過(guò) 2000個(gè)。自 20世紀 80年代以來(lái)，傳統的 γ射線(xiàn)輻照育種已逐漸被中子和離子束輻射育種所取代。輻射加工技術(shù)可用于農產(chǎn)品的保存，如谷物殺蟲(chóng)和抑制發(fā)芽等。昆蟲(chóng)輻射不育防治技術(shù)是現代生物防治害蟲(chóng)方法中唯一有可能滅絕害蟲(chóng)的有效手段，在防治農作物病蟲(chóng)害方面已開(kāi)始發(fā)揮作用。
在環(huán)境保護方面，輻照技術(shù)是三廢處理的有力手段。發(fā)電廠(chǎng)和供熱鍋爐排入大氣的 SO2和 NOx是環(huán)境污染的主要原因之一。在待排放的煙道氣中噴入氨水并進(jìn)行電子束輻照，脫 SO2率可達 95%，脫 NOx率可達 80%，且其副產(chǎn)品可做化肥。進(jìn)一步的研究表明，電子束輻照煙氣還可以達到減排 CO2的效果。對污水進(jìn)行輻照處理不但可以消毒，還可以同時(shí)清除聚合物雜質(zhì)，降低有機氯含量。輻射技術(shù)還可用于處理活性污泥和醫院廢物。此外，核分析技術(shù)在環(huán)境檢測評價(jià)中也有重要應用。
3 放射性核素技術(shù)及其應用
3.1 放射性核素測年
基于衰變規律的 14C測年方法是過(guò)去數萬(wàn)年時(shí)間范圍內最精確的測年方法，它使地質(zhì)學(xué)和考古學(xué)從基于地層序列的相對紀年研究進(jìn)入了絕對紀年的時(shí)代。80年代興起的加速器質(zhì)譜計使小樣品 14C測年成為可能，其測量精度可達 0.3%，測量本底可好于 5萬(wàn)年[7]。加速器質(zhì)譜方法的高靈敏度還使利用其它宇宙成因核素進(jìn)行衰變法測年成為可能。例如，利用 10Be和 26Al可以測量巖石的暴露年齡與侵蝕速率，以及隕石的暴露年齡和居地年齡等。測年也可以利用天然放射性核素衰變的母子體平衡關(guān)系，典型的有鉀—氬法和鈾系不平衡法。近年來(lái)，激光探針微區 40Ar/39Ar定年技術(shù)和使用熱電離質(zhì)譜計（TIMS）的鈾—釷定年技術(shù)先后出現。前者可以在數億年的時(shí)間范圍內對小樣品進(jìn)行測年，后者可以在數十萬(wàn)年的時(shí)間范圍內進(jìn)行高精度測年。基于核技術(shù)的測年方法還有利用樣品受輻照歷史的電子自旋共振（ ESR）法、熱釋光（ TL）法和光釋光（ OSL）法，以及利用鈾的自發(fā)裂變效應的核裂變徑跡（ FT）法等。其中光釋光方法近年來(lái)借助于激光技術(shù)的進(jìn)步得到了很大的發(fā)展。
放射性核素測年技術(shù)在很多情況下可以發(fā)揮十分關(guān)鍵的作用。以考古學(xué)為例，意大利都靈大教堂一直作為圣物珍藏的耶穌裹尸布，經(jīng)世界上三個(gè)加速器質(zhì)譜實(shí)驗室用 14C測年，被證明為 13世紀制造的贗品。在我國的夏商周斷代工程中，加速器質(zhì)譜 14C測年為夏商周年代框架的建立做出了關(guān)鍵性的貢獻。周口店北京猿人的年齡，則是用核裂變徑跡法測定的。
3.2 放射性核素示蹤
放射性核素示蹤技術(shù)具有靈敏度高、方法簡(jiǎn)便、不受環(huán)境和化學(xué)因素影響等優(yōu)點(diǎn)，在各種學(xué)科的研究中得到廣泛的應用。在地球科學(xué)和環(huán)境科學(xué)的示蹤研究中通常采用自然界中存在的放射性核素。例如，利用 14C研究全球各大洋的洋流循環(huán)模式，利用 10Be示蹤火山巖漿的來(lái)源從而驗證板塊俯沖理論，利用 36Cl示蹤地下水的滲透率等。利用 129I示蹤核泄露已成為當前進(jìn)行核核查的重要手段。化學(xué)、生物與醫學(xué)的示蹤研究則多采用放射性核素標記化合物的方法，最常用的有 3H、14C、32P、125I、131I等標記的化合物。示蹤技術(shù)在化學(xué)反應動(dòng)力學(xué)、生物大分子結構與功能關(guān)系、蛋白質(zhì)生物合成、藥物代謝動(dòng)力學(xué)等研究中都是十分有效的研究手段。DNA堿基排列和遺傳密碼的關(guān)系就是借助于 32P示蹤方法揭示的。可以說(shuō)，如果沒(méi)有放射性核素示蹤技術(shù)，就不會(huì )有今天的生物基因工程。示蹤技術(shù)也可以應用于工業(yè)和農業(yè)。例如，在軸承中滲入 85Kr可獲得磨損的信息。利用示蹤技術(shù)還可以研究微量元素在農作物中的分布、遷移和轉化規律，化肥和農藥的損失及其在土壤中的殘留，以及水土流失、草場(chǎng)退化等農業(yè)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。應用 15N示蹤研究施肥技術(shù)可提高氮肥利用率 10%~20%。近年來(lái)加速器質(zhì)譜計成為示蹤核素測量的新手段，使示蹤靈敏度得到極大地提高，開(kāi)拓了示蹤研究的范圍。例如，研究用 14C標記的基因毒性物質(zhì)和 DNA、組蛋白的加合及其加合物的體內代謝動(dòng)力學(xué)，
現在用加速器質(zhì)譜計可以在環(huán)境劑量的水平下進(jìn)行，其靈敏度可達 5×10-17 mol / mg蛋白質(zhì)[8]。
3.3 放射性藥物
放射性藥物是用放射性核素標記的醫用化合物及生物制品的總稱(chēng)，現已日益廣泛地應用于臨床診斷、治療和基礎醫學(xué)研究。最早用于臨床的放射性藥物 Na131I早在 20世紀 30年代即開(kāi)始用于甲狀腺功能研究。放射性藥物分體外和體內兩種。體外放射性藥物是一種分析試劑，用于血液及分泌物樣品的放射免疫分析或免疫放射分析。目前體外放射性免疫診斷藥盒的發(fā)展已日趨成熟。體內放射性藥物用于配合核成像技術(shù)進(jìn)行疾病診斷、或用于疾病的治療。體內放射性藥物由合適的放射性核素和輸送該核素到靶器官的運載分子組成，放射性核素被標記在運載分子上。目前用于臨床診斷的核藥物主要是配合 SPECT成像的含 99mTc、67Ga、111In、123I、201Tl等核素的顯像劑，以及配合 PET成像的含 11C、13N、15O、 18F等核素的顯像劑。當前對顯像藥物的研究興趣主要集中在基因、受體和功能蛋白質(zhì)的顯像劑— 分子影像學(xué)化學(xué)探針的研制上。用于治療的放射性核素則有用于治療甲狀腺功能亢進(jìn)的 131I、治療白血病的 32P、治療前列腺腫瘤的 90Y等，153Sm-EDTMP被廣泛用于轉移骨瘤的姑息治療。在國外， 125I及 103Pd籽粒包埋技術(shù)已用于治療某些腫瘤。近年來(lái)免疫學(xué)雜交瘤細胞制備單克隆抗體技術(shù)的發(fā)明，為研制免疫導向藥物打通了道路。用放射性核素標記的單克隆抗體可以把放射性核素在體內集中到具有相應抗原的腫瘤細胞處，利用其衰變發(fā)出的 α或 β射線(xiàn)殺傷癌細胞。故這種藥物被稱(chēng)為“生物導彈”。如 188Re或 90Y標記的單克隆抗體及其片斷在腫瘤治療和導向手術(shù)方面已得到應用。在基因治療方面，放射性核素標記的反義核酸起著(zhù)化學(xué)探針的作用，為基因治療的實(shí)施提供必要的信息。 99mTc等核素可用反應堆或放射性核素發(fā)生器生產(chǎn)，而 PET用的短壽命放射性核素只能用加速器生產(chǎn)。目前放射性藥物生產(chǎn)的一個(gè)發(fā)展趨勢是用加速器生產(chǎn)的短壽命放射性核素逐步取代反應堆生產(chǎn)的長(cháng)壽命放射性核素。
3.4 放射性核素電池
放射性核素電池是一種性能良好的空間能源，在航天領(lǐng)域用于月球自動(dòng)觀(guān)察、外層行星探索等。它亦可用于在海洋和陸地的惡劣環(huán)境下使用。
4 北京大學(xué)的核技術(shù)及應用研究工作
北京大學(xué)的核技術(shù)及應用研究工作主要分布在物理學(xué)院的重離子物理研究所和技術(shù)物理系，化學(xué)與分子工程學(xué)院的應用化學(xué)系和化學(xué)生物系，以及幾所附屬醫院的核醫學(xué)科。研究?jì)热莺w了加速器物理與技術(shù)、射線(xiàn)和粒子束與物質(zhì)的相互作用、核探測技術(shù)、離子束分析技術(shù)、離子束加工技術(shù)、輻射加工技術(shù)、醫學(xué)影像學(xué)與放療物理、放射性核素測年與示蹤、核藥物研制等領(lǐng)域。
北京大學(xué)在國內率先開(kāi)展了射頻超導加速技術(shù)的研究，先后研制成功用于加速電子的純鈮超導加速腔、用于加速重離子的銅鈮濺射超導加速腔和激光驅動(dòng)光陰極電子槍。在強流離子加速技術(shù)方面，研制成功了整體分離環(huán)型射頻四極場(chǎng)（ RFQ）加速器，并發(fā)展了分離作用 RFQ結構，開(kāi)展了強流質(zhì)子 RFQ加速器的研究。自行研制的北京大學(xué)加速器質(zhì)譜計的 14C測量精度達到了 0.4%~0.5%，在測年方面為夏商周斷代工程做出了重要貢獻，在示蹤方面開(kāi)展了尼古丁等基因毒性物質(zhì)與DNA的加合及其代謝動(dòng)力學(xué)的研究。北京大學(xué)自行研制的4.5MV靜電加速器是我國最大的單級靜電加速器。北京大學(xué)在核探測技術(shù)方面有很好的積累，曾研制過(guò) ∆E-E氣體電離室重離子探測器，與 4.5MV靜電加速器配套的還有我國高校中最大的中子測量大廳和完善的中子探測手段。近年來(lái)北京大學(xué)參加了歐洲核子中心（CERN）的大型國際合作項目 CMS探測器的研制，所研制的大面積阻抗板計數探測器已通過(guò)了宇宙線(xiàn)測試和在 CERN進(jìn)行的束流測試。與蘭州放射性核束大科學(xué)工程配套的中子球探測器也正在研制之中。
北京大學(xué)有很強的離子束分析能力，擁有 RBS、溝道、 PIXE、NRA、ERDA等分析手段。在離子束物理及應用的研究方面，先后開(kāi)展了高能離子注入半導體和光學(xué)材料、離子束金屬材料改性、離子束輻照高分子材料、荷能離子輻照損傷的機理研究、強脈沖離子束技術(shù)及與材料的相互作用研究、團簇離子與固體相互作用研究及團簇離子輔助成膜、荷能離子輻照植物樣品的原初物理過(guò)程研究等。目前主要開(kāi)展的研究工作為荷能離子生物物理、強脈沖離子束物理及技術(shù)、荷能離子輔助納米材料及結構制備等。北京大學(xué)在高LET輻射加工方面研究了中藥的輻解機理與輻射修飾，為中藥的出口與提純提供了重要的應用基礎和工藝。此外還研究了精細粉末橡膠的輻射硫化及應用，以及塑料增韌和熱縮彈性體制備工藝等。北京大學(xué)在醫學(xué)影像領(lǐng)域重點(diǎn)發(fā)展核磁共振成像的新原理、新方法及其在醫學(xué)臨床的應用；核醫學(xué)成像的原理方法和藥物代謝動(dòng)力學(xué)及其在醫學(xué)中的應用；醫學(xué)圖像的處理與分析方法及計算機輔助診斷、手術(shù)導航和放療計劃設計中的應用。在放療物理領(lǐng)域開(kāi)展放療劑量學(xué)和放療計劃的研發(fā)工作。在腫瘤導向藥物方面，開(kāi)展了用放射性核素 111In、90Y、99mTc、186Re和 188Re標記單克隆抗體的系統研究。與此同時(shí)，在新的心肌灌注顯像劑、組織乏氧顯像劑及腫瘤多藥耐藥性逆轉劑等方面也進(jìn)行了探索。最近的研究重點(diǎn)是反義核酸和分子顯像劑[9]。
致謝陳佳洱院士、趙渭江教授和王祥云教授對本文的寫(xiě)作提出了寶貴的意見(jiàn)，并提供了相關(guān)資料，在此表示衷心的感謝。
