放射生物物理与靶材料工艺学1、是概论与物理基础.ppt

广州医学院 实验核医学与放射医学教研室,放射生物物理与 靶材料工艺学,强永刚 教授,Radiation Biophysics and target materials processing,10-12层1203房 谢谢大家！,联系地址： 实验课地址：,联系电话：81340333 （O） 13610352672,Yonggangqiang 21cn.com,教学内容：侧重于材料改性、生物医学、环保等 学科的应用 教学要求： 了解辐射材料工艺学的基本知识与技能；掌握 辐射材料工艺学基础概念、辐射的聚合反应、辐 射材料接枝、交联、降解、纳米材料等最新辐射 应用技术和医用材料的辐射处理。 培养具有较强实践能力和创新精神的生物医学 专门人才。 考核形式：闭卷+平时成绩,第一章,概 述 辐射生物物理（Radiation Biophysics）研究电离辐射与物质相互作用引起各种理化改变的一门边缘学科。 辐射工艺学（Radiation processing）是利用电离辐射诱发材料物理、生物和化学变化从而达到加工改性的目的，也称为辐射加工技术。,一、核技术史及其发展,第一次发现放射性1896年 第一次大规模利用核能(原子弹)1945年 （还有一次.） 世界上第一座原子能发电站50多年。,第一座并网发电的奥布灵斯克核电站,原子弹爆炸,1.核电站,全世界现有核电机组400多座，总装机容量为3.53亿千瓦，核发电量占世界总发电量的16%，有17个国家或地区核发电量超过本国(地区)发电量的25%。其中，法国75%、,比利时57.7%、韩国42.8%、日本36%、美国20%、中国台湾省25.3%(6机组)。,核电应用 商用核电站,秦山一期核电站300MW于1991年12月15日并网发电,大亚湾核电站2 × 900MW分别于1994年2月1日和5月6日投入商业运行,核电应用 在建核电站,秦山二期核电站(1号机组4月15商运),岭澳核电站(1号机组5月28日商运),田湾核电站,秦山三期核电站(1号机组于11月14商运),2.核技术应用,镅-铍中子源生产线,已广泛用于工业、农业、医学、环境、资源和科研等各个领域。,辐照场所,辐照小麦原冬3号,放射免疫分析药盒,碘-131胶囊,各种核探测器,工业同位素示踪,射线测厚仪,烟雾探测器,Am-241源,核子秤,辐射源拥有量,全国各行业共有放射源48000多枚,应用单位10710个,从业人员近5万人,密封型放射源总活度达到5.8 × 1017Bq(1567万Ci)。,常用辐照源 （ 源+加速器+紫外线 ）,（1）辐照源 60钴（60Co）、226镭（226Ra）和137铯（137Cs）,图1-1 226镭的衰变纲图,1.17MeV,两种辐照源性质对比,3种射线在空气中的射程及其电离密度,（2）加速器辐照源,粒子加速器是利用电场加速带电粒子的装置，粒子速度不能超过光速，但能量增加不受限制，故加速器实际上是增能器。 加速器的几个问题 1）提高能量：加速 2）形成轨道：约束 3）保持流强：聚焦 4）维持寿命：稳定性 5）提高亮度：冷却、阻尼,加速器主要性能指标 1）能量 100keV100MeV 低能 100MeV1GeV 中能 1GeV100GeV 高能 100GeV 超高能 2）加速场强 单位长度增能 MV/m 3）流强 pAnAAmAAkAMA 4）亮度（对撞机、微束） 单位面积流强 nA/cm2 或 n/s/cm2 5）束流品质 发射度（x, x 6维相空间） 能散度（W / W）,加速器的分类,1. 按粒子种类划分 电子、质子、重离子（ W关系不同） 次级粒子：正电子、反质子、放射性核束,2. 按轨道形状划分 直线型 回旋型 环型 3. 按加速电场划分 静电场 感应电场 射频电磁场,4. 按加速机制划分 非谐振 (准)谐振有自动稳相机制,加速器的应用,1. 基础研究（大科学工程） 1）普通核物理 核反应、核结构 放射性核束物理 2）高能物理 基本粒子、夸克、胶子（对撞机） 3）其它学科 凝聚态物理、生命科学（同步辐射、散裂中子源） 原子分子物理、化学 地学、考古 夏商周断代工程,2. 国计民生 1）农业：辐射育种、保鲜、昆虫不育 2）医学：放疗、同位素生产、消毒 3）能源：反应堆材料、核废料处理、加速器驱动洁净核能系统（ADS）、惯性约束聚变 4）环境：环境示踪与分析、三废处理 5）信息：半导体与集成光学器件生产、单粒子效应与抗辐射加固 6）材料：辐照加工（电线电缆、热缩材料、涂层固化、建材、磁带）、材料改性与精密加工、无损检测,3. 国防与安全 1）安全检查：集装箱、爆炸物、违禁品 2）核武器：核爆模拟、闪光照相、核数据 3）离子束与激光武器：RFQ、FEL 加速器的应用实际上是荷能粒子束及其次级射线的应用 应用的基础：粒子束/射线与物质相互作用 本质上主要是两类应用： 利用能量效应（辐照、放疗） 提取信息（核分析技术、成像技术）,加速器特点 1，能量利用效率高，功率高、剂量率高 2，能量可调应用范围广 3，穿透性低 加速器辐射加工原理：阳极产生的热电子在高压电场作用下被加速为高能电子，高能电子通过金属箔窗，轰击在被辐照的加工件表面，达到辐射加工的目的。,电子束从箔窗引出的方式：一种是扫描式（Scanning），另一种是非扫描式或称帘式（Curtain）,加速器产生电子的最大射程,加速器源,两类电离辐照源性能对比,(1) 用不均匀度比（U）来表示，U为辐照体内最大吸收剂量（靠近辐射源的一面）和最小吸收剂量（远离辐射源的一面）之比值。 U=Dmax/Dmin,辐照均匀性指标,(2) 电子有效射程u,电子有效射程u（Useful rage of electrons）的概念: 为表征电子束在介质中吸收剂量的不均匀性，引入了u 値。 u定义为：被照射物件的某一个厚度，在这一厚度中入口处与出口处的吸收剂量相同，u值与入射电子能量及介质密度有关，图1-9表示了水中电子束剂量分布。,18mm,入口、出口均为： 50,有效射程u=18mm,有效射程计算,辐照场所解剖示意图,辐照场所剖面图,辐照场所解剖剖面图,非电离辐射源：紫外线源, 日光中的紫外线 光谱在100-400nm波 长范围 UV区分三类： 小于190nm的为真空紫外区，190300nm为远紫外区，300380nm为近紫外区。后二者具有靶效应。, 按紫外灯源又分为： UVA：400nm320nm，又称为黑斑效应紫外线 UVB：320nm275nm，又称为红斑效应紫外线 UVC：275nm200nm，又称为灭菌紫外线 UVD：200nm10nm， 又称为真空紫外线,辐照材料改性,我国从事核技术应用开发生产的企事业单位约有300家，年产值达150亿元，其中： 核农业：40亿元 辐射加工：25亿元 同位素仪表：20亿元 同位素及其制品：3.5亿元 辐照产品：50亿元 根据国外经验，我国核技术应用的市场规模约在1000亿元，有广阔发展前景。,辐射交联热缩套管,辐射加工,辐射可在固、液、气相中诱发化学反应，而不需要催化剂。这一特点使辐射加工工业具有独特的优势。 辐射加工用于工业可改善产品质量，提高能源利用率，并可制造性能独特的产品； 辐射可以有效地杀灭病原菌等有害微生物，从而可用于医疗产品的灭菌、食品的保存和污水污泥的灭菌；,辐射加工优点,1. 把能量直接传递给被辐照物质，能量使用效率高，可在常温下（甚至低温）进行，节约能源。 2. 有利于环境保护，无溶剂挥发到大气中造成环境污染，。此外还可以进行食品、饮用水、工业污水、一次性医疗用品的消毒和烟道气体的辐射净化。 3.辐射加工技术简单，可根据产品需要来调节辐照条件，可快速、高质量处理加工物件。 4. 通过屏蔽、安全连锁装置等可以保证辐射加工技术的安全性。,辐射加工的缺点,1.辐射源，特别是工业用电子加速器价格较昂贵，一次性投资高。 2. 具有高能量、高穿透性及对物质作用的无选择性，可引发不必要的副反应，降低基材性能。 3.辐射化学产额较低，主要适用于链式反应和高分子材料，限制了其应用的范围。 4.在辐射加工范围内虽然不会引发被照射物体产生放射性，但仍需克服人们应用此新技术的心理障碍。,辐射交联,高分子产品的辐射交联加工，在我国辐射加工可处理40多种产品； 热收缩制品是我国最大的辐射交联产品，包括电力电缆附件，通讯电缆，各类阻燃管件等。,辐射消毒,医疗产品的消毒，辐射法优于常规的环氧乙烷法，它对工作人员和消费者都安全，灭菌可靠。 血液辐照可用于防止输血带来的GVHD； 药物、药品和化装品的辐射灭菌近年来在我国也有所发展，如对雪花膏、眼药膏、抗生素等进行辐射灭菌。,核子控制系统,核子控制系统包括料位、密度、厚度等机器，组分含量计，用X射线荧光 、中子活化分析等多组分分析器等。 我国现在有180多个公司开发和生产工业用核子计器 ； 在边境、港口、机场、车站等地，毒品药物、武器、违禁品等的检查和应用。,示踪应用,放射性同位素示踪剂可用于解决很多问题-管线堵塞和沉积的探测、油田注水环境监测、工艺容器中的平均停留时间和停留时间分布的测量等； 在我国，石油工业是示踪技术最大最终用户，主要使用钡-131微球示踪。,133Xe-地下管道检漏,无损试验,无损探伤试验是国民经济中很常用的一项技术。射线探伤广泛用于石油、化工、造船和核工业等，还可用于评估管道中的腐蚀和沉积物。 无损探伤试验曾用于从乍得的一条一千公里长新管道线上控制管线、焊接、接头和组件的质量测量。,海洋和水资源,测量和评估海洋环境中的放射性核素，研究放射性的迁移，测量和研究海洋污染； 同位素水文学广泛用于水资源管理，调查地下水污染，研究水坝的泄漏和水坝的持续性。,医学和卫生健康,我国几乎所有的医院都拥有医学影像设备，全国有800多个核医学研究、开发和应用单位，有三个专门核医学研究中心在无锡、北京和上海； 我国有七个放射性药物生产中心分别在北京、上海和成都，他们生产了20种标记药盒，25种放射性药物； 放射治疗：放疗设备(加速器、钴治疗机、 2刀、X2刀、X 射线治疗机、后装治疗机)1670多台。,核农业,辐射突变育种 ： 现在全世界已培育出2000多种突变体，我国从40多种植物中培育出530多个新品种 ，年增产粮、棉、油300-400万吨； 害虫防治：雄虫不育技术是核技术应用十分成功的例子，在农业经济上取得的综合效益为每年35亿美元。,食品辐照,目前农产品有三分之一在到达消费者之前就 因腐败和虫害而损失。 食品辐照可用于储存产品的灭菌，例如谷物、 调味品、干果和蔬菜；用于抑制土豆、洋葱的发 芽；用于消灭食源性疾病，特别是海产品因沙门 氏菌和大肠肝菌造成的疾病；用于热带水果杀灭 果蝇等害虫等； 1998年我国辐照食品5万吨，其中大蒜3万9 千吨，调味品、香辛料5000吨，脱水蔬菜300 吨；,核考古学,核分析技术、中子活化分析、X射线 荧光分析、裂变径迹测定、加速器质谱、 14-C年龄测定等，可用于研究古代绘画、 陶瓷、青铜器和其它古物的微量元素分布， 用于真伪鉴别，年龄测定和产地推定等.,现代物理学的几个基本问题,物质的微观结构 ： 1 物质的微观结构 2 粒子的基本性质 3 粒子的相互作用 4 粒子的分类,基本问题： 物质的微观结构 宇宙的形成和演化 生命的起源-,10 10m,1015m,10 20 m,10 19m 未 发现可再分,电磁力,化学反应中 最小单元,分子,原子,原子核,质子,强力,中子,电磁力,强力,强力,核外电子,夸克,夸克,共有36种夸克。,粒子的基本性质,1. 质量 每种粒子都具有一定的质量（静止质量），运动质量随运动速度 增加 而增加。 E = m C2 m = E / C2 - eV （电子伏） m 电子=0. 511 M eV / C2 m 质子 = 938.28 M eV / C2,A,Z,X,原子核：,X该核所属化学元素的符号 A核的质量数/核子数 Z核的原子数,同位素： 12C 13 C 14C （98.90% 1.10% 1.30x10-10%),天然丰度：天然存在的各元素中，各元素的多少不一样，各种同位素所占比例叫做该同位素的天然丰度。,2. 寿命,自由中子 15 分钟 最短的 10-25秒,质子 1032 年 电子 2 ×1022 年,少数粒子稳定,-粒子衰变前平均存在时间,多数粒子不稳定,放射性核素：有不同的半衰期,3. 电荷,中性粒子不带电荷 其它粒子所带电荷都是电子电荷的整数倍（量子化）,4. 自旋,核自旋核子在核内运动的轨道角动量和自旋,的角动量之和。,每个粒子都有自旋运动（地球）,核的自旋角动量，在粒子反应和衰变过程中遵守角动量守恒。,5. 大小,粒子 - 质子、中子、电子 。 反粒子 - 反质子、反中子、正电子,原子 - 10-10 m（0.1nm） 质子 - 10-15 m 电子、夸克- 10-19 m,用粒子半径表示,6. 正反粒子,一对正反粒子,相互碰撞 湮灭 携带能量的光子 两个高能粒子,7 . 粒子的转化与守恒,基本粒子的相互作用（力）,四种基本力 引力 f = G m1 m2 / r2 电磁力 f = k q1 q2 / r2 强力 强度大 核内质子和中子之间 夸克之间 弱力 强度在引力 和电磁力 之间 中子 其它粒子,长程力,短程力,四种基本力,无限远,粒子的分类,1、强子- 参与强相互作用的粒子，大多数粒子 为强子. 半整数-重子, 如 质子、中子等 整数或零-介子, 如 介子 2、轻子- 不参与强相互作用，只参与弱相互作用、电磁相互作用、引力相互作用的自旋半整数的粒子。,按自旋,共 12 种,电子中微子, 子中微子, 子中微子,带电,不带电, 子, 子,电子e,轻子 （ 6种）,反轻子 （ 6种）,存在广泛 （宇宙射线、太阳射线）,传递相互作用的基本粒子,引力相互作用,弱力相互作用,电磁力相互作用,强力相互作用,引力子（尚未发现）,中间玻色子 W+、W-，Z0,光子（基本的电磁作用过程表现为放出和吸收光子）,胶子8种（尚未单独发现）,物质微观结构的研究与高技术,研究物质微观结构的工具,高能加速器,粒子探测器,大型计算机,作用,原理,对撞机,正负电子,质子反质子,质子质子,电子质子,核辐射技术：核分析、成像、辐照加工技术、 辐射检测技术、核能技术,