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1、核测量与分析技术核测量与分析技术韩奎华韩奎华韩奎华韩奎华山东大学能源与动力工程学院山东大学能源与动力工程学院山东大学能源与动力工程学院山东大学能源与动力工程学院第三章第三章 核测量与分析技术核测量与分析技术o3.1 核技术在地学中的应用核技术在地学中的应用o3.2 核技术在工业中的应用核技术在工业中的应用o3.3 核技术在农业中的应用核技术在农业中的应用o3.4 核技术在医学中的应用核技术在医学中的应用o3.5 核分析技术概述核分析技术概述o3.6 X射线荧光分析射线荧光分析o3.7 中子活化分析中子活化分析o3.8 离子束背散射分析离子束背散射分析3.1 核技术在地学中的应用核技术在地学中的
2、应用o主要用于放射性勘查探矿和地质工程勘探o探测对象：岩石、土壤、大气、水3.1.1放射性核素在自然界的分布基本的放射性核素有铀、镭、钍；另有钾，铷等。1、放射性核素在岩石中分布不同岩石中放射性核素含量不同，同类岩石不同生成时代，其含量也不同。不同核素含量代表了岩石的特性，钍铀比值作为一个重要参数用于选矿和探查岩石分界线。2、放射性核素在水中的分布o通常水中含有铀、镭、氡（钍、钾很少），不同的水系（水源）中的含量不同。3、土壤及大气中放射性核素的分布o岩石和水中放出的222Rn、220Rn、219Rn及其衰变产物广泛分布于土壤与大气。大气中还有14C。4分散晕o在成矿过程中或矿床形成后，由于内
3、因和外因的各种作用，矿元素或与成矿有关的元素分散到周围岩石或土壤中去，使得这些元素的含量相对增加，在矿床周围形成某些元素的异常含量地段，称为分散晕。5正常场与异常场o放射性测量一般测量对象为岩石和地表覆盖层（土壤）中的放射性核素。正常含量的放射性核素产生的一定射线强度，称之为正常场。o放射性核素局部富集，照射量明显增高，高于正常值2-3倍以上的照射量称为异常，相应物理场为异常场。地面测量o适于各种地形、地貌和气候条件的地区。利用便携式辐射仪测量岩石或覆盖层上的射线照射量率，寻找异常点和照射偏高的地段，以发现铀矿床。航空测量o把辐射仪安装在飞机上，在飞行过程中测量地面岩石引起的空中伽马场，根据伽
4、马场分布特点，寻找铀矿或解决其它地质问题的一种航空物探方法。o优点：速度快、成本低；缺点：灵敏度低，受覆盖层、地形等影响大。射气测量o利用射气仪测量天然状况下土壤气体中的Rn浓度，并研究其中分布规律，以寻找铀矿和解决某些地质问题的一种物探方法。o根据气态核素222Rn的迁移分布异常发现矿体，其半衰期T=3.825天。o优点：探测深度比测量大，一般5-8m，柯达10m以上。缺点：仪器装置没有测量轻便，工作效率较低。径迹测量o径迹：带电的重粒子或重离子于某些绝缘固体作用时，由于辐射损伤，在绝缘固体上留下“痕迹”。 “痕迹”只有几十埃（10-10m），称为潜迹，采用化学腐蚀方法将潜迹扩大至几微米至几
5、十微米，变成永久性蚀坑，这些永久的蚀坑称为径迹，用光学显微镜可观测到。o径迹探测器：采用有机化合物、无机的矿物晶体等探测材料；o原理：利用探测器记录Rn的粒子，探测器上的径迹密度与测点的Rn浓度成正比。通常采用自然界中存在的放射性核素p利用14C 研究全球各大洋的洋流循环模式p利用10Be 示踪火山岩浆的来源从而验证板块俯冲理论p利用36Cl 示踪地下水的渗透率等p利用129I 示踪核泄露已成为当前进行核核查的重要手段同位素示踪技术在水利水文勘测领域应用o如江河治理、水库坝基渗漏观、港口航道疏浚等应用中取得显著成效：o为了了解泥沙的运行规律，南京水科院在长江投放含钪-46的石英砂，然后用闪烁探
6、测器进行跟踪观察，为长江口深水航道的治理与全天候深水航道的建设提供了重要技术数据，采用此项技术治理后，十万吨货轮可通过长江口直抵上海宝山钢厂码头。o安徽龙河口水库曾被认为是“病险水库”，用碘-131示踪，查明不存在险情，节省加固费数百万元o“趵突泉”驰名中外，喷泉高达数尺，但在上世纪八十年代末期，自然喷涌的奇观消失。采用同位素示踪法，初步弄清了趵突泉群地下水的状态、补给来源和运行规律。经采取措施，趵突泉终于再现往日风姿。这项研究示踪剂的运移距离达几十公里，运移深度达700米，其成果达到世界先进水平。3.2 核技术在工业中的应用核技术在工业中的应用3.2.1工业核仪表分类o强度型：测量密度、厚度
7、、料位、液位、重量等。如厚度计、密度计、物位计、水分计、核子秤。o能谱型：分析物质组分和含量。如X射线荧光分析仪，中子活化分析装置和能谱核测井装置。o成像型：X、射线辐射成像，中子照相，工业CT。核控制系统及原理o核辐射工业监测仪表一般由放射源、测量对象、辐射探测器及电子学系统组成，又称为核控制系统NCS ( Nuclear Control system ）。o工业核仪表的基本原理就是由探测系统的输出信号（例如计数率、输出电平的大小）求出辐射场内的介质参数，如介质的厚度、介质的质量及状况等参数。 1.指数型工业核仪表 o指数型工业核仪表主要指厚度计，密度计及质指数型工业核仪表主要指厚度计，密度
8、计及质量计（核子秤）。上述三种工业核仪表都是利量计（核子秤）。上述三种工业核仪表都是利用介质对辐射吸收来测定介质参数。用介质对辐射吸收来测定介质参数。o图中图中A 为为 辐射源，辐射源，x 为介质（其厚度为为介质（其厚度为X ，密度为密度为，D 为探测器。设源为探测器。设源A 与探测器与探测器D 的的距离相当大，可以把准直后人射探测器的距离相当大，可以把准直后人射探测器的 射射线束看成平行窄束。则探测器处的线束看成平行窄束。则探测器处的 照射量率照射量率为为o设探测器对设探测器对 照射量率的响应函数是线性的，则照射量率的响应函数是线性的，则 o厚度计厚度计o密度计密度计o核子秤核子秤2.料位计
9、的工作原理料位计的工作原理 o料位计可分两类：一类是单点或多点式的“料位开关”；另一类是可指示某一范围内物料位置的“连续料位计” 。o按照容器、探测器以及放射源的状况，可以计算出探测器输出信号与物料界面位置的关系，即求得其“原理函数”。o假设 射线只要遇到物料即被全部吸收掉。这样，探测器只接受到物料阴影以上的 光子，其输出信号也由这部分光子决定 。建立输出信号与物料高度之间的关系式。即可实现连续测量。3.水分测量 o中子水分计可用于炼铁工艺中监测高炉焦炭水分，从而确定入炉干焦量，对降低生产成本有重要意义。此外，表面型水分计还可用于表层水分含量测定，在水利、交通、农业等方面有广泛应用。 o采用的
10、辐射源为中子源。中子源发射的快中子在测量介质（如焦炭）中因碰撞而减速称之为慢化，并逐步成为热中子。o根据被测物质、水中氢的慢化能力不同，而确定含水量。o焦炭中14 的灰分慢化能力小于1 。炭的慢化能力占30 % ，而在焦炭中仅占5 的H2O 慢化能力却达68 。表明氢核能有效地把快中子慢化至热中子。o用中子测量焦炭水分时，焦炭量基本不变，干焦产生的热中子数是常数，焦炭水分的变化可引起慢化后热中子数很大的变化。当中子源、探测器相对位置确定，介质的量大于饱和量时，热中子的总量与氢元素的含量（即H2O的含量）之间有线性关系。 N=A+BMo N：中子探测器测得的热中子计数率；M ： 含水量（kg/m
11、3）；A 、B ：系数，通过实验而确定。o中子源的工作位置位于7 ，快中子发射后经焦炭和水分慢化后反射回来，被热中子探测器6 （数个并列）所探测，因此需设置对热中子吸收极少的材料，如陶瓷板（Al2O3 ) ，相当于对热中子是透明的材料用作隔离。当不工作时，将中子源转于3 的位置，位于中子源屏蔽体中部，以便于维修。 3.同位素静电消除器的应用 o在纺织、印染、造纸、印刷、胶片、电子工业等部门的某些生产环节中，由于物质间的相互摩擦和撞击，也会产生静电，而这些物质多为绝缘体和半导体，静电不能泄漏，便会越聚越多，最终成为生产中的障碍。在纺织行业中，静电使纤维缠绕，出现飞花、断头等现象。在印刷厂，经常造
12、成空白页，收纸紊乱不齐。静电使彩色套印中画面位置错移等等。 o放射性同位素静电消除器是利用同位素产生的荷电粒子使周围空气电离，并与上述的静电发生“中和”，从而达到消除静电的目的。这种源可以是固体 源（如钋-210 、镅-241 等），也可以是液体镭-氡源。 4.离子感烟报警器的应用 o同上述原理类似，利用荷电离（粒）子使空气电离来达到报警、预防火灾的目的。o报警器由探测器、区域报警器和集中报警器三部分组成。探测器安装在需要防火的房间或部位，由放射源及内、外电离室组成。由于放射源所放出的射线对空气的电离作用，使内、外电离室相联的电路中产生了稳恒的电离电流。o如果有烟雾进入外电离室，当其浓度超过设
13、计规定的限度时，就会使内、外电离室的分压关系有所变化，从而输出信号给予报警。 另外，还有多种工业核仪表，如煤灰分仪、离子感烟火灾报警器等等。 3.2.2辐射加工技术 o辐射加工技术是用于工业、农业等部门的实用技术。它基于辐射作用下物质的物理性质、化学性质或生物性质发生暂时性或永久性的变化。 o辐射物理过程：在，x 射线，中子，加速器电子、质子、氘核，以及核反应产生的原子和离子作用下固体物质性质的变化。在多数情况下这些变化属于晶格特性的变化（例如形成晶格缺陷）。核能转换成热能或光能，以及由于辐射引发电离引起介质传导率的变化。o辐射生物学：通过辐射使各类有机体的生命机能达到计划的或预期的变化，被用
14、于农业、食品工业以及药物和医疗器械（消毒）。 o辐射化学：研究电离辐射与物质相互作用引起的各种化学过程。它的主要研究对象初期以气体、水和水溶液为主，随后又研究了固体、各类有机化合物的辐照效应，目前则以高分子材料辐射合成与改性为重点。o辐射加工：利用辐射作用于物质使i 其品质和性能得以改善或合成新产品的一种技术。由于辐射作用于物质可以诱发物理效应、医化学效应和生物效应，因此它的应用范围十分广泛，主要领域如下： 辐射改性聚烯烃绝缘材料，如电线电缆、热收缩材料，泡沫塑料等；一次性医疗用品辐射消毒；食品辐射消毒、灭菌、保鲜；涂层辐射固化，包括木塑复合材料的辐射制备；辐射技术在生物医学和生物工程中的应用
15、；工业三废的辐射净化：辐射降解的工业应用包括辐射制备聚四氟乙烯超细粉末，丁基橡胶辐射再生，纤维素辐射降解制备动物饲料等。） 3.2.3工业辐射成像技术 o利用电离辐射（GX 射线、 射源等）探测非透明材料或装置的缺陷或者揭示其内部结构的无损检测法，属于工业业辐射照相技术。o另外还有一些无损检测法，如超声波无损检测法、磁力或涡流无损检测法，以及用渗透剂的裂纹探测法。这些不同的无损检测方法可以联合使用，例如，工业辐射照相法常常与超声法相结合用于寻找焊接缝缺陷。 工业辐射照相法的分类o按射线类型分类按射线类型分类oX 射线荧光分析及涂层的连续检测 o韧致辐射，辐射、电子回旋加速器检测厚钢板、焊缝或水
16、泥构件。o其他的核辐射也可用于射线照相，其中辐射的穿透能力有限，所以它适用于穿透一些密度较低的薄板材（如橡胶、塑料）。 o对于含有对热中子衰减能力不同的元素（H , B , Cd , Li , Sm ）的样品，可用中子源探测。 根据缺陷探测方法分类 o光敏薄膜法：把X 射线胶片放在样品的一侧，辐射源放在样品的另一侧，就可得到与厚度分布相对应的强度分布，这种强度分布指示的样品的内部结构。 o目视法： X 射线在荧光屏上转变成可见辐射光。优点:快速，节省胶片费用。其缺点是：它的应用有一定的局限性，缺陷评价比较困难，无结果记录。o仪器无损检测（使用辐射探测器）：主要缺点是，缺陷分布与大小的图像是不可
17、见的，而只是提供数值。信息往往都要经过计算机处理。将辐射强度的数据与标准样品的数据进行比较，便能自动地剔除有缺陷的样品。 X 射线检测法原理 o当x 射线穿透被照物体时，有缺陷部位（如气孔、夹杂物等）与基体（金属或非金属）对射线吸收的能力不同。缺陷部位由于含有空气使其对射线的吸收能力大大低于基体（金属或非金属）对射线的吸收能力。因此，透过有缺陷部位的射线强度高于无缺陷部位的射线强度。在x 射线胶片上对应的有缺陷部位将接受较多的X 射线粒子，从而形成黑度较大的缺陷影像。 X 射线检测装置 o移动式X 射线机：体积、重量都较大，适合于实验室、车间等固定场所使用。可适用于检测较厚的物体。 o便携式X
18、 射线机：体积小、重量轻，适合于流动性检验或大型设备的现场检测。工业成像系统实例 o焊缝裂纹检查系统，如检查平板对接焊缝便携式X 射线数字成像仪：由超小型脉冲X 光源、面阵列X 射线探测器及图像信息接口和笔记本计算机组成，具有携带方便、数字化及成像时间短等特点。用于公安、武警、邮递的现场应急安检，在役武器现场检测、数字化部队战地伤员救护和海关缉私等方面。另有，大型集装箱检测系统。4.计算机断层成像（CT）ox 射线计算机断层摄影（X-ray computered Tomography）克服了常规X 射线摄影读片困难和分辨率差的缺点。o航空与航天工业中，CT 技术用来检测精密铸件、烧结件和复合材
19、料的结构等。o核工业用CT 技术检测反应堆燃料元件的密度和缺陷，确定包壳管内芯体的位置，检测核动力装置的零部件和组件等。o钢铁工业用CT 技术检测用于热轧无缝钢管的在线质量控制，以及检测腐蚀、蠕变、塑性变形、锈斑和裂纹等缺陷。o在机械工业中，CT 技术用来检测铸件和焊缝中的微小气孔，夹杂和裂纹等缺陷，并用来进行精确的尺寸测量。o在陶瓷工业、建筑工业、食品工业、矿业和石油工业等领域，在空气动力学、传热学、等离子体诊断、燃烧过程温度监测、生物工程，以及考古学、树木年轮测定和森林环境监测等方面，都可以广泛应用CT 技术。3.3 核技术在农业中的应用核技术在农业中的应用o核技术在农业中的应用主要有同位
20、素示踪技术与核辐射技术两个方面。o同位素示踪技术：直接将作为示踪剂的示踪原子的核素，利用其易于探测的核物理性质和同位素的物理、化学性质相同的原理，建立同位素示踪法和同位素分析法，将该方法作为研究工具或实验手段，应用于农业科学中的作物营养生理、土壤肥料、环境保护、植物保护和畜牧兽医等各个方面。o核辐射技术：将放射性核素作为辐射源，利用射线对物质作用产生的物理效应、化学效应和生物效应，对生命物质进行改造，创造新的生物资源。核辐射技术在农业科学中主要应用于作物品种改良、害虫防治、食品贮藏保鲜和辐照刺激生物生长等各个方面。 3.3.1同位素示踪技术在农业中的应用同位素示踪技术在农业中的应用 o放射性和
21、稳定性同位素直接作为示踪剂中的示踪核素。o示踪剂，是指用来标记化合物的放射性或稳定性同位素。目前，在农业中最常用的同位素示踪剂约有20 多种，属于放射性的有氢-3 -、碳-14、磷-32、硫-35 、钙-45、铬-51 、铁-59 、钴-60 、铜64、锌-65、硼-82、铷-86 、锶-89、碘-125 、和铯-137 等，属稳定性的有氢-2 、碳-13 、氮-15 和氧-18 等。o要追寻其踪迹的被追踪物质，即研究的对象，称为被示踪物。 同位素作为示踪剂，主要依据如下： o 同位素化学性质和生物学性质的同一性，即同一核素的各种同位素，其核外电子数目相同，所以它们具有相同的化学性质，因而它们
22、在生物代谢活动中，也表现出相同的性质和行为。o 同位素物理性质差异的可测性。物理上的可测性是指同一核素的各种同位素之间，由于原子质量的不同，产生了某些物理性质上的差异，这种差异可以用一定的物理方法进行定性或定量测定。o 核素同位素组成（核素丰度）的确定性。自然界中每个元素的各种同位素的组成比例是一个常数。用稳定同位素进行示踪就是以此为基础的。用富集的稳定同位素或标记化合物作为示踪剂，通过分析测定供试样品中示踪核素丰度的变化，就可研究被追踪物质的运动变化规律。 o1911年， HevesyHevesy在英国卢瑟福实验室工作期间，因怀疑女房东总是把剩菜改头换面之后给他吃。于是，他在剩菜中放上微量的
23、放射性钍，然后在下一次的菜中检验是否有放射性，结果他每次都能准确地判断出他所吃的菜是剩菜还是新菜。o赫维西，格奥尔格冯：(1885-1966) 匈牙利化学家。他因发展了关于同位素用作调查化学过程的示踪技术的应用而获得1943年诺贝尔奖1 在土壤肥料研究中的应用o用于改良土壤与合理施肥。植物的养分主要有两大来源：土壤本身养分和施入的肥料。通过同位素示踪，即通过利用同位素标记肥料的研究，不仅能把植物从肥料中与土壤中吸收的养分区分开，同时还能了解养分被植物吸收后在植株内运转的状况，以及未被吸收的肥料（或其分解物）在土壤中残留的动态。研究结果不仅为经济、合理地施肥提供科学依据并制订出最佳的施肥方案，同
24、时还能为化工部门生产高质量、高效率化肥提供依据。2 .在植物营养生理研究中的应用o通过同位素示踪技术研究植物的营养生理，植物生长过程对营养元素的吸收、运转、分配和积累的规律，植物体内物质的代谢，植物的光合作用，以及与生态环境相互作用的机理。o利用同位素示踪技术可以研究各种因素对植物光合作用中二氧化碳同化的途径，作物生产过程中物质吸收、同化、运转和积累的规律，光照和生长调节剂对植物营养物质的运转与调控，以及营养物质产生的位置（源）与输送、分配去处（库）之间关系及其在产量形成中的作用等。o研究成果将对阐明植物营养代谢的基本规律，改进耕作栽培技术，指导农业生产起到重要的作用。oCalvin 等应用核
25、示踪方法，对光合作用深入研究的结果，发现了植物吸收CO2以及CO2被还原为碳水化合物的途径。这种绿色植物在光合作用中吸收二氧化碳，并把它转化为葡萄糖的循环，称为光合碳循环，又称为Calvin 循环。这个途径的阐明是生物化学科学上的一个重大成就，为此而被授予诺贝尔奖。 用示踪法观察作物生长用示踪法观察作物生长o利用示踪的方法就可以跟踪、观察植物或农作物的生长发育等各种动态。例如，植物的营养和代谢作用之间究竟有着什么关系？植物生长，最需要的是什么？植物是怎么样吸收自身所必需的物质的？植物通过根或叶吸收些什么？水或其它化合物是如何转变成糖类或蛋白质的？o给植物施肥时，应该施在什么部位？肥料施在种子的
26、上面好呢还是施在种子的下面好？或者是施在种子的侧面，效果又怎么样呢？这三种情况下，肥料离种子相距多远时效果最好？o如果在肥料里加进一些放射性同位素，就好比在肥料里派进了许多侦察兵，然后再用射线探测器对这些侦察兵进行跟踪观察，一次就能弄清很多问题o例如，在任意一个时刻，哪个位置的肥料被植物吸收了？它是怎么样被植物吸收的？被吸收的养分又是以什么样的速度移动的？怎么样移动的？等等。弄清这些问题之后；就可以改进施肥的方法3.在农业环境研究中的应用 o环境污染是世界性的严重问题之一，示踪技术在环境监测和环境保护上有广泛的应用前景。o例如IAEA(International Atomic Energy A
27、gency ) 协调研究计划(Coordinated Research Project )“农药在热带海洋环境中的分布、去向和对生物群的影响”。o1990 如年中国农药总消费量达到200万吨有效成分，占全世界用量的1/3 ，调查发现通过珠江带走的农药残留物水平不高，而在河底沉积物中和从浮游植物到贻贝与海鸟的海洋食物链中滴滴涕的浓度比较高，在贻贝和海鸟的组织中分别达到1.3 g/g和2.1 g/g 。从而证实滴滴涕在这样的环境中存留时间很长。 使用放射性同位素示踪剂预测污染的方法o在热带鱼水槽中，用石英砂垫底建造一个水池，种上高梁，并在这池子里饲养生物这样就组成了一个小规模的自然环境模型。待高梁
28、生长起来以后，将带有放射性标记的农药喷撒在高梁叶子上，并投放一些毛虫之类的害虫，让它们食取喷有农药的高梁。另一方面，在水中投放并饲养水蚤、水螺（呈螺旋形的一种贝壳）、藻类等生物。投放在这里的害虫吃了高梁以后拉出的粪便撒落在水中，又被水蚤、水螺、藻类摄取。隔一段时间后，再投放孑孓（蚊子的幼虫），再隔一段时间后再投放一些像青锵鱼这样的小鱼o这样一来，在一个小小的生态体系中，就可以研究农药所发生的一些变化及其运动的规律。整个实验有一个多月时间就可以结束。实验的最后阶段，要对各种生物体进行分析，并对在生物体内已经分解的部分和没有分解仍然以原来的农药形式残留的部分，分别进行放射性测定。o想要确定某种新的
29、化学物质是否能用作农药的时候，必须使用对应的放射性标记化合物进行研究。4.在畜牧业研究中的应用 o示踪技术在畜牧业研究中的应用主要有两个方面：o营养方面:应用示踪技术研究营养物质在畜禽机体内吸收、分布、转移、代谢与排出等动态，了解、掌握畜禽营养规律，评价饲料的消化率及代谢能量变化，鉴定新的饲料资源，制定出经济有效的饲料配方等；o生殖方面:应用放射免疫分析技术，检测家畜性成熟期的开始，判断已怀孕的和未怀孕的母畜，识别具有高生产力的种畜，以及诊断家畜的肾脏功能性和甲状腺功能性疾病，对提高家畜繁殖率与疾病防治起到积极作用。 o放射性标记物实验:可了解畜禽的各种生理物质吸收、分布和排泄的规律，例如用3
30、2P 或35 Ca 标记物可看到它们很快进人骨和牙中的无机盐组分，然后又转移出；o用3H 或14C 标记物做实验则可以看到脂肪组织中的脂肪酸经常与血液交换，表明看似静止的组织实际上处于动态平衡，并不断进行新陈代谢活动。o同位素示踪技术还应用于测定植物病害，探明病原体寄主、疫病起源、传播途径和病区范围等，为病情预测预报，以便及时防治，减少损失；应用于植物育种，提供快速有效的品种特性鉴定、筛选技术，提高育种效率；用于食品辐照贮藏保鲜中养分变化和安全检测；对林木进行x 光透视，探测林木积累的强度，判断环境的辐射污染程度；研究昆虫迁飞和鱼虾回游规律等。3.3.2核辐射技术在农业中的应用核辐射技术在农业
31、中的应用 o农业上应用的核辐射主要是利用电离辐射作用于生物有机体所引起的多种多样的生物学效应；而各种射线与物质的作用，又是研究电离辐射生物学效应、辐射剂量及放射性探测的基础。 o电离辐射的生物学效应是核辐射技术应用的基本依据。电离辐射的生物学效应非常复杂，这不仅是因为射线种类与能量不同，产生的效应多种多样，而且也因为生物对象的不同，电离辐射对生物有机体的作用也有很大差异。 o一般来讲，低剂量对生物个体具有一定的刺激作用；随着剂量的增大，会出现抑制作用；剂量更大时，则会导致生物个体死亡。因此按生物个体核辐射效应的反应可分为4 种：刺激作用、抑制作用、不育作用和生物致死。o核辐射技术在农业上应用十
32、分广泛，主要有：辐射育种，低剂量刺激生物生长，昆虫辐射不育防治害虫和农副产品辐照贮藏保鲜。 辐射育种o辐射育种，是利用射线等射线诱发作物基因突变，获得有价值的新突变体，从而育成优良品种o我国辐射突变育种的成就突出育成的新品种占世界总数的四分之一。特别是根、棉、油等作物的推广，取得了显著的增产效果。低剂量刺激生物生长 o用适宜的低剂量核辐射照射播种前的作物种子，能提早打破休眠，提高种子发芽率，促进生长发育，改善品质，增强抗病性和生命力。此外，有的还能发生有益的形态学变化。如用适当的低剂量辐照养殖动物的受精卵、胚胎、幼体，能加快新陈代谢，促进生长发育，增强免疫功能，减少死亡率，缩短育成时间，提高产
33、品产量和质量。 昆虫辐射不育o原理：昆虫受到电离辐射照射可使昆虫丧失生殖能力，从而降低害虫的数量，进一步达到防治甚至根除害虫的目的。o昆虫辐射不育是一种先进的生物防治方法，不存在农药的环境污染问题。国外使用该技术在大面积根除地中海果蝇以及抑制非洲彩蝇方面取得了重大成果。而我国用此法对玉米螟、小菜蛾、柑桔大实蝇等害虫的辐射不育研究，也取得了较好的防治效果。农副产品辐照贮藏保鲜 o农副产品辐照贮藏保鲜主要是利用电离辐射具有较强穿透力的特点，辐照农副产品能彻底杀虫灭菌，抑制发芽、推迟成熟期，延长产品的贮藏期和保鲜期，减少产品损失。o特别适用于一些不宜采用传统方法加工的食品和一些特别需要彻底灭菌的食品
34、。 3.4 核技术在医学中的应用核技术在医学中的应用o核科学技术与生物医学相结合，主要是利用核素或医用加速器来诊断和防治疾病，特别是在核医学、核显像技术、体外放射免疫分析等方面。医学界把应用放射性核素的核辐射对疾病进行诊断和照射治疗统称为核医学。 o四大影像手段中（X 光、核磁共振、放射性核素、超声），有三项与核技术有关。 3.4.1放射性诊断学o早期的较大剂量X 射线，对人体有害；所得到的是二维平面像，在脏器深度方面的信息叠加在一起，给医生诊断带来困难。oX 射线增强器，使人们可以用较低剂量的X 射线，在影像增强器的输出屏上看到明亮的图像和摄取照片。o数字X 射线机，使X 射线成像从模拟阶段
35、进人数字阶段，获得了很高对比度的图像。X 射线数字减影技术能拍摄非常清晰的血管造影图。o计算机断层成像技术（CT ）引起了医学诊断技术的革命，它能得到没有重叠干扰的人体横断面图像。此后，出现各种类型的CT ，如MRI , SPECT , PET 等。x 射线模拟成像技术 o X 射线荧光透视技术利用X 射线的穿透和荧光作用，将被检组织脏器投影到荧光屏上，医生从荧光屏上直接进行观察诊断。oX 射线摄影技术利用X 射线的穿透性和胶片的感光性，将被检部位显像于胶片上。o影像增强器和医用X 射线电视技术医用X 射线电视是由x 光机、x 射线影像增强器与闭路电视系统构成的医用电视设备。o造影术在普通X
36、射线摄影技术中，由于各解剖结构间具有较大的密度差，因此具有良好的自然存形对比度（如胸腔、骨骼等）。对于自然对比差的器官和组织，则通过注人密度大的物质如硫酸钡、碘化钠等（称为阳性造影剂），或密度较低的物质如空气、氧气等（称为阴性造影剂），人为地扩大被检器官与周围组织的密度差，从而增大X 射线照片的反差，以提高影像分辨力，这种方法称为“X 射线造影技术”，引人人体内的物质称为造影剂。o造影技术扩大了检查范围，使受检器官或组织能更清楚地显像，常用的有钡餐胃肠造影、胆囊造影、脑血管造影，和支气管、关节腔、脑室、肾上腺气体造影等。 数字化x 射线影像技术 o数字化X 射线影像技术可以分为间接数字化和直接
37、数字化两类。胶片扫描机，视频信号A/D 变换器，影像板都是将模拟图像转换成数字图像的设备；各种线型和平面型探测器则能直接将X 射线转换为数字图像。焦平面断层成像技术 o通常的X 射线平片是三维物体的二维投影图像，因前后组织重叠而引起的图像混淆容易造成误诊和漏诊。焦平面断层成像术可以利用原来的x 光机，拍摄突显局部层面的照片。o焦平面断层成像术适用于检测轮廓很小（亚毫米级）并且具有高对比度的结构，例如内耳的骨头，不过由于剂量方面的考虑，使它的分辨率只能达到1mm左右。计算机断层成像技术略 放射性同位素诊断技术 o器官的诊断检查是利用健康器官和有病器官对放射性标记的“放射性药物”的不同摄取量和排除
38、效应，进行功能检查和定位检查（如肿瘤）。o通常把放射性药物注射入病人血管，在一定时间之后测定受检器官发射出的 射线。根据发出射线的空间分布，通过计算机做出有关器官的彩色闪烁图。 oPECT 法（单粒子发射计算机断层照相法）几乎所有人类的器官和骨髓都可以用合适的放射性核素进行诊断。如用131I标记的马尿酸进行肾功能检查，通过记录从肾发出的辐射随时间的变化过程可以判断肾的功能。与之类似的是换气检查：病人吸人加有少量短寿命81Kr （半衰期为13s ）的空气，从记录到的辐射可以知道肺叶的工作能力，还可以为肿瘤等定位。oPET 法（正电子发射断层照相法， PositronEmission Comput
39、ed Tomography ）oPET 法是用相对布置的探测器对正电子湮没时放出的0.51 MeV 的量子进行符合测定。o诊断器官通常为心脏和脑，用PET 法可以定量地掌握其生物化学过程。PET 还可以用来揭示药物在血浆中的浓度与它在脑中局部浓集之间的关系。即除了医疗诊断外，PET 还可用来评价药物和毒素。 3.4.2放射治疗学 o放射治疗利用电离辐射对生物组织的破坏效应进行疾病治疗，一般简称为放疗。o电离辐射是一种具有波或粒子形式的能量流，能导致物质电离、损伤细胞分子、破坏特定的细胞。射线可通过直接效应和间接效应杀伤细胞。直接效应是指射线直接作用于细胞遗传物质的DNA 分子上，使它们发生电离
40、，分子断裂，使细胞不能再繁殖，并最终导致死亡。o射线照射的间接效应是引起水分子电离和分解，产生大量活泼的离子和自由基，它们再与细胞的DNA 分子发生作用，导致细胞无法再分裂或增生，并最终死亡 。o放射治疗使用的电离辐射有x,e , p, n，介子及重离子，其中最常见的是x ，和e 。放射性同位素60Co 是射线的重要辐射源，它经俘衰变产生能量为1.173 MeV 和1.333 MeV 的射线，半衰期为5.272 年。o中子俘获肿瘤治疗法：向病人提供一种无毒的硼化合物（含富集的10 B ) ，这种化合物能被恶性肿瘤富集，因而在该处的浓度比血液和周围组织中的浓度高。用热中子照射时，发生反应：10B
41、 (n,) 7Li，生成的高能 粒子和7Li核遇到细胞核，可把细胞杀死。o慢中子本身对人体实际上不造成损伤，因为它被构成细胞的各种原子俘获的概率很低，由于氢的丰度高及氢的中子俘获截面大，慢中子的生物学效应取决于它与氢原子的作用。 3.5 核分析技术概述核分析技术概述o利用物质的天然放射线(,)或者利用人工放射线（中子、光子、离子及正电子）与物质原子及原子核的相互作用，采用核物理实验技术，测定元素含量，或研究物质分子和结构等分析方法，叫做核分析。o核分析技术是一种崭新的现代检测手段。它已成为现代科学技术中重要的新技术之一，在材料科学、环境科学、生命科学、能源科学，以及在天体、地质、考古等领域中广
42、泛应用。 3.5.1核分析技术的优点与分类核分析技术的优点与分类 o核分析技术优点 灵敏度高；准确度好，误差小，不破坏样品的宏观结构；多元素同时分析（中子活化分析可以同时对几十种元素进行分析）；成本低，效率高；易于实现自动化分析核分析方法 o核物理分析：根据样品本身产生的,射线强度来确定其放射性元素的种类及含量； oX 荧光分析：用一定能量的质子、X 射线或重离子轰击样品，从样品原子中激发出特征x 射线，并用X 射线波谱仪或能谱仪测量这些特征X 射线的波长或能量，从而判定样品中各元素的种类；由测得的特征X 射线的强度，以及电离截面、荧光产额、x 射线的吸收等数据，确定样品中各元素的含量。 o活
43、化分析：包括中子活化分析、光子活化分析和带电粒子活化分析。前两者主要用于测定物质体内痕量杂质元素的平均浓度。 o离子束分析：瞬发核反应分析、卢瑟福背散射分析和沟道技术，用于固体表面研究；质子激发 X 射线分析广泛用于生物医学、环境保护研究中高灵敏度元素分析。o核效应分析：穆斯堡尔效应、正电子湮没、扰动角关联、核磁共振等，用以研究物质微观结构。核分析技术实例o“耶稣裹尸布”的真伪鉴别o月球土壤分析o恐龙灭绝之谜o各种材料检测o石油核测井技术o拿破仑死因：砷中毒o贝多芬死因：铅中毒o核物理分析核物理分析o核物理分析技术最早用于分析铀矿石样品中放射性元素的含量。核物理分析有多种方法，但每种方法都具有
44、共同的特点 利用样品本身的放射性核素产生的,射线的能量和强度来测定样品中放射性元素的含量。o核物理分析的基本原理 ：由于被分析的放射性元素及样品特点不同，产生了不同的核分析方法，其共同的特点：都属于相对测量。即将未知含量的样品与已知含量的标准源做对比测量，也叫做对比分析。 无自吸收条件下，单位厚度放射层的射线强度无自吸收条件下，单位厚度放射层的射线强度I0与放射性物与放射性物质含量质含量C 间存在着正比例关系，即间存在着正比例关系，即 实际上测到的是某一厚度层的辐射层经某种程度的自吸收作用后，实际上测到的是某一厚度层的辐射层经某种程度的自吸收作用后，透射出来的射线强度透射出来的射线强度I ，而
45、不是，而不是I0 。 为了保证样品和标准源的可对比性，必须遵守核分析的最基本原则。就是：在相同的测量条件下，对样品和标准源做同样的测量，进行射线强度的对比，以便求出样品含量。这一原则遵守得愈好，分析结果愈正确。1.放射线自吸收的考虑放射线自吸收的考虑 凡射线通过物质时都会不同程度地被吸收。放射源的射线在穿过源体的路程中也会被源体自吸收或散射，这种现象称为射线的自吸收。由于自吸收现象的存在，致使源的射线强度与源的质量不能成正比例关系。若源的面积不变，则反应在射线强度I 与放射源的层厚h （g/cm2）的关系不成正比例，这一关系的数学表达式为 根据关系进行计算修正检测结果。 2.干扰核素或射线影响
46、的清除干扰核素或射线影响的清除o公式（4.2.1 ）是指某一种放射性核素的含量与它辐射的某种射线（ ,）强度之间的线性关系，因而相对测量中的基本对比公式（4.2.2 ）也只能适用于样品与标准源的同种核素、且相同能量范围射线之间的对比测量。o自然界放射性物质往往一个辐射体集合许多不同种类的放射性核素，如铀矿石，钍矿石等。o对于每种被测核素而言，所有与其共生的其他放射性核素都可能是干扰核素，干扰核素的射线则为干扰射线。o不能简单地直接使用上述公式。必须解决消除干扰核素或干扰射线的问题。o不同的解决方法导致了不同的分析方法和仪器装置。 分离干扰元素或核素分离干扰元素或核素o 首先对样品做一系列化学处
47、理，提取待测元素，摒弃干扰元素，然后测量待测核素的某种射线，此为放射化学分析法。o 利用元素在常温下的物理状态不同，使被测元素与干扰元素分离。如氡是气体，将样品中的氡引入测量装置，达到与其他辐射体分离的目的。o 利用放射性核素半衰期不同，待半衰期短的干扰核素衰变完，使其干扰可忽略不计。如：利用氡气测量推算镭含量时，可利用钍射气（220Rn ）半衰期与222Rn 半衰期的显著差异，消除220Rn 的干扰。消除或扣除干扰射线的影响消除或扣除干扰射线的影响 o 利用射线穿透能力不同，用屏蔽法消除干扰射线。例如：利用21Bi 的俘射线能量低（1.17 MeV ）的特点，用吸收屏消除21Bi 的干扰。当
48、用电离室测定射线时，将样品用一层薄膜覆盖，可阻挡射线的干扰。利用6 mm厚的铝屏吸收射线可消除射线对射线的干扰。o 利用探测元件对不同射线的探测效率不同，减少干扰射线的影响。如：测量射线时，用薄的塑料闪烁体可大大降低射线计数率。利用ZnS 闪烁计数器测定射线，可大大降低和射线的干扰。o 利用能谱仪测量特定能量段的射线强度。因为射线的能谱犹如核素的指纹，它是放射性核素的特征物理量。利用能谱仪测量可有效地去除非测量对象 射线的干扰。在总量下射线测量中，人们也常用提高仪器甄别阈的方法减少某些软射线（散射射线等）的影响。利用解方程扣除干扰元素的贡献利用解方程扣除干扰元素的贡献 o当不能有效地分离干扰核
49、素或干扰射线时，测得的射线强度往往是两种以上组分的共同贡献。例如：对铀钍混合矿石或不平衡铀矿石的核分析中，测量的是各组分核素发射的，射线，因而不论测量射线还是 射线，所得结果都是各组分的共同贡献，各组分间都存在相互干扰。o需要深入了解和利用各放射性组分的射线特点，样品中有几种不同组分，就必须测量几种不同种类或不同能量的射线，以便建立可解的联立方程式。 3.对平衡铀标准源平衡状况的考虑对平衡铀标准源平衡状况的考虑 o在核分析中，作为对比的标准 平衡铀标准源，应当满足铀与它的子核素214Pb , 214Bi 等主要的，辐射体达到放射性平衡。如果不能满足这一要求，则必须对标准源进行修正。 3.5.2
50、射气法测定镭含量射气法测定镭含量 o射气法测定镭含量是目前测镭方法中比较准确可靠的一种方法，用于分析铀矿石、土壤及各种水样中镭的含量。该方法具有灵敏度高、不受其他放射性核素干扰、化学处理简便等特点 。o对于矿样、土壤样，必须进行碎样（120筛目）、称量（0.5 -2g ）、溶矿，并作一系列化学处理，目的是提取样品中全部的镭元素而摒弃其他放射性元素。将化学处理后的样品浓缩到10-20 ml装入扩散器，即成待测样品。o如果样品为水样，一般地需做浓缩处理，测量方法与矿样相同。镭溶液制备完成后，应排除原有残留的氡气，而后密封，积累氡气，再用放射性仪器测定在一定时间内积累的氡量，再根据氛的积累规律推算溶
51、液中镭的量，从而得知矿样或土壤样中的镭含量。 3.5.3能谱法测定铀钍矿石中的铀能谱法测定铀钍矿石中的铀,镭镭,钍含量钍含量 o基本原理：从铀钍混合型样品中各放射性核素的放射性平衡关系来看，铀钍混合型样品可分为铀组、镭组、钍系。由于射线仪器谱是连续谱（形成原因见本书第2 章），在三个组分共有的能量范围内，测定任何能量或能量段的 射线，其计数率也都是三个组分共同的贡献。o因此，矿样的下射线仪器谱的光电峰强度与该能量射线辐射体核素含量间不再成正比例关系。所以，单独测定任何一种射线或任何一种能量的射线，都不能正确地确定三种组分的含量。必须测定三种射线或三种能量的射线，建立三元一次联立方程，才能扣除三
52、个组分间的相互干扰。 3.6 X射线荧光分析射线荧光分析o轻型化，可现场进行定性、定量分析，效率高，速度快，成本低，无破坏，可测定原子序数17-92 的各种元素。oX射线荧光分析原理：以一定能量的光子（ 射线、X 射线）或带电粒子（电子、质子、粒子或其他离子等）轰击样品，使样品中待测元素的原子处于高能激发态，而后放出特征X 射线据被测定的特征X 射线能量，可确定被激发原子所属元素（即定性），根据其强度可确定素的含量（即定量） X射线激发源类别 o X光管或放射性同位素源光管或放射性同位素源作为激发装置或激发源，它们提供的都是低能光子，记作XIX 。o这种低能光子的能量等于或稍高于待测元素的K
53、层或L 层电子结合能时，K 层或L 层的光电吸收截面就可达到最大值。o由于不同元素的内层电结合能（吸收限）不同，故针对不同的被测元素有选择地使用激发源，可得到分析最大灵敏度。o低能源对原子序数小的元素有最大的灵敏度，高能源对原子序数大的元素效果好。o用电子束电子束激发被测元素，产生特征x 射线，记作EIX ，常用的电子能量为30-50 keV。 因电子束产生较强的韧致辐射本底，所以EIX分析方法灵敏度较低。 o用质子、质子、粒子粒子等激发被测元素产生特征X 射线，记作PIX （或PIXE）。可用放射性核素210Po , 238Pu 等放出的射线激发待测样品（但灵敏度较低），也可以用放射性核素放
54、出的射线激发某种物质使其放出特征X 射线而构成X射线源。 PIXE是用粒子加速器产生的能量MeV 量级的p粒子和粒子作为激发源，因设备较庞大，仅限于专门实验室使用。但PIXE比PIX韧致辐射本底小，所以灵敏度高。 o用X 射线源激发时，具有明显的吸收限，而用离子激发时，没有这种吸收限结构，因而后者能同时分析多元素。 oX 射线荧光分析多采用相对测量法分析样品。同各种相对测量的原则一样，要求被测样品与标准样品的物质成分、结构、形状以及其他各种测量条件完全一致。o但是，实际上不可能完全满足。在实际分析工作中，存在基体效应。所谓基体，是指样品中除待测元素之外的其他成分。由于样品化学成分会引起其密度、
55、平均原子序数、质量吸收系数的变化，这些都会引起激发截面以及特征x 射线的散射、吸收的变化，从而影响x 射线强度和元素含量之间的线性关系。o解决基体效应的方法：诸如：经验分类法、稀释法、增量法、薄层样品法、3 线图法、特征与散射比校正法、补偿法、单滤片法、吸收元素含量校正法等。应根据具体情况择适用的措施。 PIXE分析的实验技术分析的实验技术o复旦大学等单位曾在上世纪80年代用PIXE方法分析越王勾践的佩剑表面成分。o分析琉璃饰物，发现有大量的钾钙，表明在2500 年前，古人已经能够烧制钾钙玻璃，打破了以前认为这一时期中国只有铅钡玻璃的结论。o在环境分析方面：对若干国家河水中微量元素的分析，大气
56、气溶胶的分析；o地质方面做过南极冰川样品元素含量等分析；考古方面做过古陶器的成分分析；生物医学方面做过食道癌病人、鼻咽癌病人及矽肺病病人的头发样品中的微量际素分析等。3.7 中子活化分析中子活化分析o1936年由诺贝尔奖获得者H.Hevesy和H.Levi用镭-铍中子源 (中子产额约 3106中子/秒)辐照氧化钇试样。通过反应164Dy(n,)165Dyo生成核165Dy的半衰期为2.35小时，测定了其中的镝，定量分析结果为10-3克/克，完成了历史上首次中子活化分析。o随着反应堆工程和中子发生器等技术及同位素中子源的发展，以及高分辨率Ge (Li) 探测器的出现和计算机的应用，鉴别能力和自动
57、化分析水平。o特点：高灵敏度、非破坏性、多元素分析技术，已成为现代最先进的分析技术之一，是分析痕量（10-610-8）和超痕量（10-910-12）元素的一种极为重要的有效手段，被广泛地用于地质、冶金、工业、农业、医学、环境监测、天体化学、考古等领域。3.7.1中子活化分析原理中子活化分析原理o用一定能量和流强的中子，轰击待测试样，使之发生核反应，生成具有一定寿命的放射性核素，然后测定生成的放射性核衰变时放出的缓发辐射或者直接测定核反应中放出的瞬发辐射，实现对元素的定性或定量分析。o活化分析一般分为样品制备、辐照、冷却、测量和数据处理五个步骤。o中子活化分析的基本设备：中子源，样品的传送和照射
58、系统，探测系统（探测器主要是Ge (Li) 半导体和Nal(TL)晶体）和数据处理系统。 o中子活化分析大致可分为快中子活化分析、热中子活化分析和共振中子活化分析，多用(n,p)、(n,)、(n,2n)等激活样品。o快中子对某些轻元素和中等重量元素有较大的反应截面，而且可利用中子对各种元素反应阈能不同，来减少干扰反应。所以用快中子分析某些轻元素，如分析氧、氮等，已取得良效果。o热中子和共振中子对重元素有较高的反应截面，所以分析重元素时，多用热中子或共中子照射样品。 o除上述利用中子激活样品外，自50 年代后期又发展了带电粒子活化分析和光子活化分析，它们适于对轻元素的分析，不仅能定性、定量分析，
59、而且能给出元素的深度分布。o光子活化分析的核反应为(,n)反应以及(, )反应，可分析12C, 14N, 16O, 9F 等。o带电粒子活化分析，利用的核反应，如：16O ( 3He,P ) 18F反应用来分析氧，12C (d,n)13N反应用来分析Si中的C等。 3.7.2中子活化分析的应用中子活化分析的应用 o水样品的中子活化分析土壤的中子活化分析土壤的中子活化分析 o曾在日本流行的“痛痛病”，就是因土壤中的锡污染造成的；o汞污染造成的水俣病；o我国东北某些地区的克山病、大骨节病及动物白肌病就是由于该地区土壤低硒造成的，通过施加硒肥，对上述疾病的防治起到了显著作用。o对土壤中微量元素进行分
60、析研究，对了解土壤的形成与演化、地质成矿，及对土壤地球化学探矿等也具有重要指导意义。研究地球灾变研究地球灾变 o应用放射性衰变的方法测得地球的年龄为4 600Ma(百万年)，根据对大自然史册的天然记录者化石的研究，地球上最古老的生物遗迹可以追溯到3500Ma前。在这漫长的生物进化史上，曾发生过25 次大灾变，其中规模最大的5次古生物灭绝事件先后发生在寒武系末期(距今约570Ma)、泥盆系末期(360Ma前)、二叠系末期(245Ma前)、三叠系末期(208Ma前)和白垩系末期（65 Ma 前。 o各种假设：火山爆发、海平面变化、气候反常、盐度变化、造山运动等地内成因，及太阳耀斑、超新星爆发等地外
61、成因，但这些说法都缺乏物理化学的直接的科学证据。o1980 年美国加州伯克利国家实验室的Alvarez 小组，首先应用中子活化分析法测定了意大利的古比奥和丹麦的斯特文斯克林的白垩系第三系（K/T ）界线粘土的铱，发现铱在界线层中异常富集，高出背景值30 一160 倍。断定小行星撞击地球。o先后西班牙、加拿大、美国、新西兰等世界各地80 余处的K/T界线剖面，都发现了铱和铁元素的异常。o采用中子活化分析法测定我国西藏仲巴、浙江长兴、四川广元、广西合山、重庆中梁山，和贵州陆化等地区的寒武系、泥盆系、二叠系、三叠系和白垩系等地质界线剖面30 余处，均发现铱含量高度富集，进一步证实了国外科学家对地球灾
62、变是由于地外星球的撞击造成的说法。 生物体中微量元素的测定生物体中微量元素的测定 o生命的存在除了需要蛋白质、酶、氨基酸、维生素，和大蛋白质、酶、氨基酸、维生素，和大量碳、氮、氧量碳、氮、氧等常量化学元素外，还需要种类繁多的微量微量元素元素，它们在生物体内的功能极为特殊和重要，其存在量有一个范围，过量或缺乏常常导致生物体的生理生态变化。 o生命科学中的微量元素研究已成为当代国内外地方病防治、地方病防治、医学地理、病理地理、环境保护、农业、医药学医学地理、病理地理、环境保护、农业、医药学等领域重要的研究内容之一。o中子活化分析不仅以它的精确度高、特异性强、取样量少、精确度高、特异性强、取样量少、
63、多元素分析多元素分析而优于其他分析方法，而且可以进行活体分析，对受试者做无伤害的示踪试验等，因而对生物体中的微量元素的测定常常采用中子活化分析法。o目前，一种既方便又实用的研究人体微量元素和营养状况的方法是，用中子活化分析活化分析研究人们不断生成的头发头发。人发取材容易，保存方便，发内微量元素的含量比血液中高，因而这种方法已广泛应用于法学、医学、营养学和环境科学等方面的检测。o例如，高能所应用部的某科研小组曾用一年半的时间，从5 000名北京儿童中抽取1 300 例做发锌值统计，其中只有39 的儿童发锌值在北京市正常值范围内（中国预防医学卫生研究所认为，北京市儿童发锌值应在110.7-200.
64、0 g/g），就是说有61的儿童发锌值在正常范围之外，其中91儿童发锌值在110.7 g/g 以下。这说明北京市儿童缺锌状况十分严重，后来用硫酸锌糖浆等补锌，取得了明显的效果。 3.8 离子束背散射分析离子束背散射分析o20 世纪六七十年代蓬勃发展的半导体工业中离子注入工艺和薄膜技术的发展，导致以低能加速器为基础的离子束技术的迅速发展。背散射、沟道效应和瞬发核反应分析及等离子束分析技术，已成为固体表面层研究不可缺少的分析手段。3.8.1卢瑟福背散射卢瑟福背散射 o带电粒子弹性散射分析，包括卢瑟福背散射谱（Rutherford Backscattering Spectrum)分析和前向弹性反冲分
65、析。o最早的带电粒子弹性散射分析是1911 年卢瑟福用粒子轰击原子核，提出了原子的核结构。o1919 年，他和助手用粒子轰击氮原子核，发生核反应后，发射出一个带正电的粒子，这种粒子被取名为质子（实际上是氢原子核），反应后的剩余核为氧原子核。这个实验表明：可以用人工方法变革原子核，把一种元素变成另一种元素，即第一次实现了元素人工擅变。 卢瑟福背散射分析原理卢瑟福背散射分析原理 o当一束具有一定能量的离子人射到靶物质时，大部分离子沿人射方向透进去，并与靶原子的电子碰撞损失其自身能量，只有小部分离子与靶原子核发生大角度库仑散射，即卢瑟福背散射。用探测器对这些背散射粒子进行测量，能获得有关靶原子的质量
66、、含量和深度分布等信息。背散射分析的实验步骤和仪器装置背散射分析的实验步骤和仪器装置 o一般使用强的粒子作为分析束， 粒子由加速器的离子源产生。o为了避免在空气中的散射吸收使问题复杂化，需将粒子束的通道及散射靶室置于真空环境中。o从静电加速器获得的2MeV 的4He 束，经磁分析器选择后进人离子输运管道，经过两次准直后进入靶室，打到样品上，样品安装在一个可以在三维方向旋转并可平行移动的定角器上，用步进马达控制。o粒子束斑大小约为1mm2产生，束流强度为十几个nA ，用束流积分仪记录。离子管道和靶室中的真空度为10-4Pa 。在散射角为160度-170度方向上放置一个金硅面垒半导体探测器，探测到
67、的信号经前置放大器和抗堆积放大器送人微机多分析器记录能谱。测谱前要对多道分析器进行能量刻度。测量后对实验进行分析计算和处理，读谱和解谱的工作量要比测谱大得多，也难得多。背散射分析的特点与局限性 o优点可对多种元素同时分析，既可定性，又可定量。信息量大，可以分析样品的元素种类、组分配比、薄膜厚度、杂质分布和界面反应等。为不破坏样品的无损分析，既可作表面分析，又能分析表面下、埋层及多层样品。对真空度要求适中，只需10-4Pa ，调换样品方便、快速。深度分辨好，分辨率可达几个nm 。探测重元素灵敏度高，对半导体材料，冶金材料尤为适用。背散射谱易于识别分析，便于掌握。 背散射分析也存在局限性背散射分析
68、也存在局限性 o对探测轻元素不灵敏，如对薄膜样品中的碳、氮、氧的分析不够准确。为了克服这个缺点，常将薄膜沉积在低原子质量数的衬底（如碳C ）上。o缺乏信号特征，散射以后所有的背散射粒子仅仅是能量不同。为了克服这个缺点，有时需辅以其他分析手段（如俄歇电子谱议）。o不能提供化学信息，即提供元素的组分比并不能说明其化学态势，要与衍射图等信息结合起来，才能对有关化合物的性质作出完整且令人信服的分析。3.8.2沟道分析技术沟道分析技术 o沟道分析技术原理：利用粒子与单晶体的相互作用研究物质微观结构的一种分析技术。在单晶体中，原子有规则的排列，晶格原子构成一系列的晶轴和晶面。带电粒子人射到单晶体上时，相互
69、作用情况与入射到无定形样品时不同：离子在无定形样品中相互作用概率与样品结构无关，不依入射方向不同而改变；带电粒子沿着单晶体的一定方向入射时，出现新的物理现象离子的运动受到晶轴或晶面原子势的控制，相互作用的概率与晶轴或晶面的夹角有很大关系。这样强烈的方向效应称为沟道效应。o晶格原子之间距离为d 。当一定能量的离子相对于主晶轴入射的角度 很小时，与晶轴上的原子发生小角度库仑散射，方向偏转很小，离子被限制在晶轴之间的空间来回偏折行进，这就是轴沟道效应。o在沟道内运动的离子称为沟道粒子。离子在沟道中的偏转角度小于某一角度价，时，离子才能保持在沟道中运动。角度1是离子能保持在晶轴距离为a的沟道内运动的最
70、大偏转角，称为特征角。沟道离子不能靠近晶轴更近，因此离子与靶原子间的各种近距离作用事件，如背散射、核反应等概率明显下降。当大于1时，离子将不能保持在沟道内运动，这时，离子在晶格中的各种近距离作用的概率与其它无定形靶一样。 背散射和沟道分析技术在材料科学中的重要作用背散射和沟道分析技术在材料科学中的重要作用 o新型超硬材料，TiN , Si3N4，C3N4 从的结构性能分析，半导体材料GaAs 的缺陷杂质替位分析；SiO2的形成、退火条件对结晶品质的影响分析；Ge-Si 合金的抗氧化分析；过渡金属硅化物CoSi2，NiSi2 及三元化合物的结构分析等等。o新型光电材料GaN 及其三元合金AlGa
71、N , InGaN 和MgGaN 的分析;高温超导薄膜YBaCuO 和BiSrCaCuO ，陶瓷材料ZrO和SrTiO3等等。 3.8.3加速器质谱分析加速器质谱分析 o加速器质谱测量（Accelerator Mass Spectrometry简称AMS ) ，即超灵敏质谱分析，是由常规的质谱技术与核物理实验中粒子加速器技术和离子探测、计数技术相结合，发展成的一种新的灵敏度很高的质谱分析方法。该方法能测定同位素比十分低的元素，能采用毫克重量样品进行分析。它为研究考古学和地质年代学中的放射性断代，提供了有效的分析手段。 o质谱分析是根据不同质量和电荷态的离子在电磁场中的不同偏传，来鉴别和测量离子
72、的一种分析方法。o质谱分析的重要参数是质量分辨率和分析灵敏度。质量分辨率是衡量仪器区分元素微小质量的能力，定义为M/M ，对应质量谱线上峰的半高宽。分析灵敏度可以用分析所需样品量的多少和分析时间的长短来衡量。使用的样品量越少、分析时间越短，则表示灵敏度越高。o测量样品中长寿命放射性同位素的含量，能断定样品的历史年代。最常用的放射性同位素有10Be , 14C , 26Al，36Cl 和41Ga 等，以14C放射性断代研究为最多。14C是宇宙射线中的中子与大气中的N发生14N (n,p)14C核反应形成的放射性核素，半衰期为5 730 年。在自然界中所有活着的动植物样本体内的14C含量是一定的，
73、生物体死亡后，14C逐渐衰减，14C/12C 发生变化，通过与参考样品比较就能测定样品的历史年龄。常规的质谱仪存在很多的局限性,超灵敏质谱仪是把串列加速器和通常的电磁质谱仪组合起来。其中有三条最关键的措施o使用负离子消除同量异位素原子的干扰使用负离子消除同量异位素原子的干扰因为许多负离子只有一个稳定态，有时一个稳定态也没有，或者即使有亚稳态，但其寿命很短，如14N与14C为同量异位素对，C -离子稳定，而N-极不稳定，存在5x10-14 s 后自发破裂为中性原子和自由电子。所以， 14N不会到达加速器终端而对测量产生干扰。o使用电荷交换消除分子离子干扰使用电荷交换消除分子离子干扰因为电荷交换系统可以把原子离子和分子离子的束缚电子剥去，形成带正电的多电子原子和多电子分子离子，后者由于原子之间正电荷相互排斥，很快在10-6 10-9 s就分裂成两个或更多的碎片，具有较小的质量，易于区分。o使用粒子探测器鉴别粒子使用粒子探测器鉴别粒子这种采用核物理实验方法的质谱分析方法能有效地消除本底，将质谱仪的分析灵敏度提高至少三个量级。因而可以用来做同位素比极低（10-15）的研究工作，并采用mg 重量的样品在较短的时间内完成测试分析。 第三章第三章第三章第三章 核测量与分析技术核测量与分析技术核测量与分析技术核测量与分析技术 结束结束结束结束
