同位素應(yīng)用的現(xiàn)狀和新進(jìn)展

吳志芳，劉錫明，張玉愛(ài)

（清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084）

同位素在核技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)中扮演著極其重要的角色，它廣泛應(yīng)用于煤炭、建材、造紙、鋼鐵、機(jī)械、醫(yī)療、電力、石油、化工、水利、地質(zhì)勘探、輻照加工、育種、科研等領(lǐng)域。據(jù)國(guó)家環(huán)境保護(hù)部核與輻射安全中心不完全統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2008年全國(guó)放射源使用單位達(dá)12 876家，放射源總數(shù)有124 199枚（不含西北處置場(chǎng)廢源庫(kù)、全國(guó)城市放射性廢物庫(kù)收貯、北京市舊廢物庫(kù)和吉林省舊廢物庫(kù)收貯的廢棄放射源），其中在役放射源98 158枚，閑置放射源26 041枚，射線(xiàn)裝置超過(guò)200 000臺(tái)。與2002年相比，放射源使用單位增加了55%，放射源總數(shù)增加了95%［1］。隨著核電發(fā)展和核反應(yīng)堆綜合利用的開(kāi)展，同位素制備能力得到了很大提高，為同位素應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在輻照、探傷、輻射育種、癌癥治療等傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域得到鞏固和發(fā)展的同時(shí)，以各類(lèi)同位素示蹤技術(shù)為代表的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，同位素應(yīng)用的廣度和深度不斷得到拓展。作為一門(mén)傳統(tǒng)學(xué)科，同位素技術(shù)煥發(fā)出新的生命力，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。本文簡(jiǎn)要介紹同位素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展?fàn)顩r。

1 在工業(yè)中的應(yīng)用

1.1 輻射加工

輻射加工是放射性同位素重要的應(yīng)用之一，在同位素應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值中占有很大比例。輻射加工目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域是輻射消毒、輻射改性、環(huán)保處理和半導(dǎo)體器件處理。

輻射消毒的主要處理對(duì)象是醫(yī)療器械、食品和農(nóng)副產(chǎn)品，消毒滅菌裝置是大型現(xiàn)代化鈷源輻照裝置及大功率高、中、低能加速器。與傳統(tǒng)的消毒方法相比，輻射消毒具有許多優(yōu)點(diǎn)：1）對(duì)處理對(duì)象的包裝沒(méi)有特殊要求；2）輻照后可以立即使用，不需要冷卻或者靜置；3）無(wú)殘留，不產(chǎn)生二次污染；4）滅菌速度快，效果好，可以連續(xù)作業(yè)，有利于工業(yè)化生產(chǎn)；5）在常溫下進(jìn)行，尤其適合處理熱敏材料和食品，能保持食品原有風(fēng)味，對(duì)鮮活食品，輻照可以促進(jìn)早熟，抑制發(fā)芽，減少農(nóng)產(chǎn)食品腐爛和損失。據(jù)中國(guó)同位素與輻射行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)［1］，至2005年，我國(guó)各類(lèi)輻照裝置有300多座，其中60Co輻照裝置150余座，總設(shè)計(jì)裝源容量約15 EBq，其中3.7 PBq以上的100多座，分布在全國(guó)50多個(gè)城市。

輻射改性是利用高分子化合物在一定劑量的射線(xiàn)照射下發(fā)生的輻射化學(xué)反應(yīng)，使該化合物的化學(xué)鍵發(fā)生交聯(lián)或斷裂，進(jìn)而改善或強(qiáng)化化合物的性能。主要輻射化學(xué)反應(yīng)有輻射交聯(lián)、輻射固化、輻射接枝和輻射裂解。輻射改性一般使用60Co輻照裝置和電子束加速器，其典型的應(yīng)用是對(duì)電線(xiàn)電纜、熱縮材料等高分子聚合物進(jìn)行輻照。經(jīng)輻照交聯(lián)處理后，電線(xiàn)電纜的耐溫性、耐老化性和化學(xué)穩(wěn)定性顯著提高，耐磨性、抗張強(qiáng)度、抗壓性、抗撕裂、抗剪切等機(jī)械和力學(xué)性能大為改善，電學(xué)性能也有提高，可作為航空航天、海上石油開(kāi)采、通訊、核電等使用的特殊電纜。聚乙烯、聚氯乙烯和橡膠經(jīng)過(guò)輻照后，阻熱性、耐化學(xué)腐蝕性和力學(xué)強(qiáng)度等都得到明顯改善，經(jīng)交聯(lián)處理的高分子絕緣線(xiàn)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)工業(yè)、航空航天、通訊行業(yè)和家電行業(yè)。

在污染處理方面，輻射技術(shù)為難以處理的污染物提供了新的凈化途徑。用放射性同位素（常用60Co和137Cs）和電子束加速器對(duì)廢水、污泥進(jìn)行處理，可以殺死細(xì)菌和病原體，加速有機(jī)物的降解，將污水中可溶性的重金屬化合物還原成不溶于水的化合物，從而將其沉淀分離。將輻射技術(shù)與其他廢水處理技術(shù)聯(lián)用，具有協(xié)同效應(yīng)，能提高處理效果。輻射技術(shù)可對(duì)固體廢棄物進(jìn)行殺菌消毒等無(wú)害化處理，利用輻射交聯(lián)、輻射裂解等反應(yīng)對(duì)固體廢棄物中的天然高分子物質(zhì)（如甲殼素、纖維素等）及合成高分子物質(zhì)（如塑料、橡膠等）進(jìn)行處理，改變其物理化學(xué)性質(zhì)，從中提取有用物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用。在大氣污染處理方面，電子束煙氣脫硫脫硝技術(shù)經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用水平，其脫硫脫硝率分別達(dá)90%、80%以上，且不產(chǎn)生廢水廢渣，無(wú)二次污染，副產(chǎn)品為硫銨和硝銨混合物，可作為化肥。該方法對(duì)于不同煙氣量和SO2含量具有較好的適應(yīng)性和負(fù)荷跟蹤性，適用范圍較廣、操作方便，在消除污染的同時(shí)，還實(shí)現(xiàn)了硫氮資源的綜合利用，具有很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和良好的市場(chǎng)前景。

離子束注入技術(shù)能顯著提高半導(dǎo)體器件的性能。例如，將氧離子注入到半導(dǎo)體硅片上，在很薄的單晶硅層下形成絕緣的Si O2層，這種材料稱(chēng)為SOI（Silicon On Insulator），具有功耗小、響應(yīng)時(shí)間快、體積小等優(yōu)點(diǎn)，在軍用和民用上都有很好的前景。電子束和離子束刻蝕是超大規(guī)模集成電路制造的重要手段，能夠達(dá)到0.01μm的分辨率。

1.2 無(wú)損探傷

射線(xiàn)無(wú)損檢測(cè)是五大常用無(wú)損檢測(cè)手段之一，它檢測(cè)精度高、適用性好，能實(shí)現(xiàn)非接觸式在線(xiàn)檢測(cè)，廣泛應(yīng)用于焊縫、汽車(chē)、航空航天零部件、電廠(chǎng)及化工廠(chǎng)的壓力容器、管道及國(guó)防裝備等的缺陷檢測(cè)。放射性同位素是最常用的射線(xiàn)源之一，具有射線(xiàn)強(qiáng)度穩(wěn)定、單能性好、操作維護(hù)簡(jiǎn)便、節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。常用的放射性同位素探傷源有60Co、137Cs、192Ir、75Se等。

射線(xiàn)無(wú)損探傷的主要方式有射線(xiàn)照相、實(shí)時(shí)成像和層析成像。

在射線(xiàn)照相和實(shí)時(shí)成像方面，同位素的典型應(yīng)用有：清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院研制并產(chǎn)業(yè)化的60Co集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)、蘭州煉油化工總廠(chǎng)的焊縫缺陷檢測(cè)設(shè)備、中國(guó)原子能科學(xué)研究院的γ射線(xiàn)工業(yè)塔掃描系統(tǒng)。清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院研制的60Co集裝箱檢測(cè)系統(tǒng)采用1.11～11.1 TBq的高比活度60Co探傷源，配合使用高靈敏的氣體探測(cè)器，對(duì)集裝箱、貨車(chē)、貨運(yùn)列車(chē)等進(jìn)行不開(kāi)箱快速檢查，能發(fā)現(xiàn)其中隱匿的走私品、違禁品及危險(xiǎn)品等，已大量裝備海關(guān)口岸、滾裝船碼頭等，并出口到十多個(gè)國(guó)家或地區(qū)，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益；蘭州煉油化工總廠(chǎng)的焊縫缺陷檢測(cè)設(shè)備采用75Se對(duì)小口徑換熱管的焊縫內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)，射線(xiàn)底片質(zhì)量理想，取得了很好的效果；中國(guó)原子能科學(xué)研究院研制的γ射線(xiàn)工業(yè)塔掃描系統(tǒng)采用γ射線(xiàn)掃描技術(shù)對(duì)石油化工行業(yè)的精餾塔、分離罐等工業(yè)塔進(jìn)行掃描，可以在不停產(chǎn)的情況下獲得塔內(nèi)構(gòu)件狀態(tài)和物料信息，幫助分析和判斷工業(yè)塔的工作狀態(tài)，有效幫助解決了生產(chǎn)中發(fā)生的實(shí)際問(wèn)題。

射線(xiàn)層析成像包括CT和康普頓散射成像，早在20世紀(jì)80年代，重慶大學(xué)就開(kāi)展了60Coγ工業(yè)CT系統(tǒng)的研制工作，但檢測(cè)精度和速度一直難于滿(mǎn)足實(shí)際要求。為了進(jìn)一步提高60Co工業(yè)CT的檢測(cè)性能，2011年清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院采用高比活度60Co源和面陣探測(cè)器及小像素線(xiàn)陣探測(cè)器研制成功了60Co高精度CT，實(shí)現(xiàn)了對(duì)等效質(zhì)量厚度大于40 c m鐵的被測(cè)對(duì)象中小于40μm缺陷的檢測(cè)。60Co源由于射線(xiàn)能量較高、強(qiáng)度穩(wěn)定、近似單能、操作維護(hù)方便，十分適合于等效質(zhì)量厚度約3～13 c m鐵工件的檢測(cè)。γ射線(xiàn)康普頓散射成像技術(shù)早在20世紀(jì)七八十年代就研制成功，并應(yīng)用在金屬表面缺陷、鋁鑄件和非金屬多層結(jié)構(gòu)的檢查中，它的優(yōu)點(diǎn)是源和探測(cè)器可以單側(cè)布置，一次掃描就可以獲得三維圖像，缺點(diǎn)是檢測(cè)深度有限。

1.3 核儀表

放射性同位素在工業(yè)過(guò)程控制儀表及核測(cè)量?jī)x表中有著廣泛的應(yīng)用，典型的應(yīng)用有火災(zāi)報(bào)警儀、料位計(jì)、測(cè)厚儀、紙漿濃度儀、煤灰分儀，核子秤、測(cè)井儀、水分監(jiān)測(cè)儀等。

我國(guó)核儀表的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個(gè)階段［2］。第一階段是20世紀(jì)五六十年代，主要是以密度計(jì)、厚度儀和料位儀為代表的同位素儀表，這些儀表的特點(diǎn)是以γ或β射線(xiàn)的吸收或散射的宏觀(guān)特性為基礎(chǔ)，應(yīng)用核技術(shù)原理測(cè)量物件的密度、厚度和物料料位。第二階段是20世紀(jì)七八十年代，主要有：1）利用中子在物質(zhì)中的擴(kuò)散、慢化和吸收原理進(jìn)行測(cè)量的中子水分計(jì)；2）利用不同原子序數(shù)的物質(zhì)成分對(duì)γ或β射線(xiàn)吸收或散射不同的原理進(jìn)行測(cè)量的煤灰分儀；3）利用γ射線(xiàn)激發(fā)被測(cè)量對(duì)象中不同元素產(chǎn)生特征X射線(xiàn)進(jìn)行測(cè)量的熒光分析儀等；此外，在這個(gè)階段還在密度計(jì)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了核子秤、流量計(jì)、濃度計(jì)等核測(cè)量?jī)x表。第三階段始于20世紀(jì)末，主要有：新型核輻射探測(cè)器及陣列探測(cè)器的廣泛采用；與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的輻射成像技術(shù)及工業(yè)CT技術(shù)的普遍應(yīng)用；核磁共振及中子激活瞬發(fā)γ元素分析技術(shù)等射線(xiàn)與原子核相互作用的微觀(guān)效應(yīng)在核儀表中的應(yīng)用。中子激活瞬發(fā)γ元素分析技術(shù)已被成功地用于煤的在線(xiàn)元素含量檢測(cè)，并能實(shí)時(shí)給出燃燒值數(shù)據(jù)，這項(xiàng)技術(shù)還用于隱型炸藥與毒品的檢測(cè)。核磁共振核素分析儀最先在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得成功，如今已開(kāi)始用于石油測(cè)井。

核儀表由于其特異性，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)揮著常規(guī)儀表不可替代的、越來(lái)越重要的作用。

1.4 油田井間示蹤監(jiān)測(cè)

當(dāng)油田由于原始?xì)怏w或流體的靜壓力下降而使原油減產(chǎn)時(shí)，為了提高原油的采收率，需要采用注入水、氣和聚合物等方式補(bǔ)充開(kāi)采的能量，進(jìn)行二次或多次采油的開(kāi)發(fā)。為了提高開(kāi)采效率，需要了解注入流體在地下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，這對(duì)于多井組注入和多井組開(kāi)采的油田尤為重要。示蹤劑監(jiān)測(cè)技術(shù)是向注入井中注入能夠與已注入的流體相溶的示蹤劑，跟蹤已注入流體在油層中的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)監(jiān)測(cè)生產(chǎn)井示蹤劑的濃度變化，獲取示蹤劑響應(yīng)曲線(xiàn)，從而獲取注入流體在地下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和油層信息，為油田開(kāi)采提供依據(jù)。與傳統(tǒng)的化學(xué)示蹤劑相比，同位素示蹤劑種類(lèi)多，檢測(cè)靈敏度高，穩(wěn)定性和通用性好，與地層流體配伍性好，具有明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠滿(mǎn)足油田多井組、多層位、多示蹤劑的需要。同位素井間示蹤技術(shù)已成為公認(rèn)的描述井間油層非均質(zhì)性和流動(dòng)性的重要手段。

1.5 同位素電池

放射性同位素電池（RIB）是將放射性同位素（RI）的衰變能通過(guò)一定的能量轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N供能裝置。與化學(xué)電池、燃料電池、太陽(yáng)能電池等其他供能裝置相比，RIB具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：1）不受外界環(huán)境影響，不需要提供外部能量輸入，可以在各種極端條件下使用，在其服役期間可長(zhǎng)期穩(wěn)定供電而無(wú)需維護(hù)和更換；2）使用壽命長(zhǎng)，設(shè)計(jì)壽命取決于所用RI的半衰期，可達(dá)數(shù)年至數(shù)十年；3）功率密度大，輸出電流能量密度可達(dá)化學(xué)電池的數(shù)百到數(shù)千倍，在實(shí)現(xiàn)相同功率的情況下可以做到更小的體積和質(zhì)量。

RIB的能量轉(zhuǎn)換機(jī)制有十多種，這些轉(zhuǎn)換機(jī)制可為分兩類(lèi)：熱轉(zhuǎn)換機(jī)制和非熱轉(zhuǎn)換機(jī)制。熱機(jī)制包括溫差熱電轉(zhuǎn)換（RTG）、熱離子發(fā)射、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換、熱致光伏效應(yīng)、熱機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)制等，非熱機(jī)制包括直接收集、輻射伏特效應(yīng)、壓電懸臂梁、射線(xiàn)致熒光伏特效應(yīng)、磁約束下粒子電磁輻射收集機(jī)制、衰變能耦合LC振蕩電路發(fā)電機(jī)制等。不同轉(zhuǎn)換機(jī)制可以達(dá)到的理論能量轉(zhuǎn)換效率差別很大，熱機(jī)轉(zhuǎn)換機(jī)制可達(dá)40%［3］，而直接充電機(jī)制只能達(dá)到11%［4］。以上機(jī)制除了RTG機(jī)制的同位素電池在美國(guó)和前蘇聯(lián)航天探測(cè)等強(qiáng)烈需求背景下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化，用于航天器、海軍深海監(jiān)聽(tīng)設(shè)備、極地探測(cè)、心臟起搏器等供電外，到目前為止，其他機(jī)制尚未見(jiàn)成品應(yīng)用的報(bào)道。

輻射伏特效應(yīng)同位素電池（RVIB）是近十幾年來(lái)的研究熱點(diǎn)，未來(lái)應(yīng)用前景十分廣闊。輻射伏特效應(yīng)的原理是利用RI衰變時(shí)放出的α或β粒子轟擊半導(dǎo)體材料產(chǎn)生大量電子空穴對(duì)，利用半導(dǎo)體材料內(nèi)建電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)電子空穴對(duì)的收集。RVIB除了具有RIB功率密度大、壽命長(zhǎng)、不受環(huán)境影響等特點(diǎn)外，還有以下優(yōu)點(diǎn)：1）適合制作質(zhì)量、體積微小的電池；2）易于與其他半導(dǎo)體元器件整合；3）不含運(yùn)動(dòng)部件，運(yùn)行安靜穩(wěn)定等。RVIB的研究始于20世紀(jì)50年代，但受半導(dǎo)體制造和同位素制備水平的限制，一直沒(méi)有大的進(jìn)展。20世紀(jì)90年代后，在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）機(jī)載電源需求的牽引下，加之同位素、半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，RVIB的研究成為同位素電池技術(shù)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題，并取得了很大進(jìn)展，但是其電輸出性能還不能滿(mǎn)足微機(jī)電系統(tǒng)供電的要求。目前對(duì)RVIB的研究主要是研究和改進(jìn)換能單元，提高能量轉(zhuǎn)換效率和提高RI的能量密度，以提高RVIB的電輸出性能。

國(guó)內(nèi)對(duì)于RIB的研究始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時(shí)的主要目的是研究用于深海聲納和海島燈塔的電源。20世紀(jì)70年代初，中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所采用溫差熱電轉(zhuǎn)換機(jī)制，利用210Poα源為熱源取得了1.4 W的功率輸出，使一臺(tái)半導(dǎo)體收音機(jī)持續(xù)工作了3個(gè)月，但轉(zhuǎn)換效率僅有4.2%［4］。2006年，中國(guó)原子能科學(xué)研究院同位素研究所通過(guò)熱電耦轉(zhuǎn)換機(jī)制，研制成功了百毫瓦級(jí)238Pu同位素電池［5］。

2 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)是同位素最早應(yīng)用的領(lǐng)域。鐳被發(fā)現(xiàn)不久，就被迅速應(yīng)用到腫瘤和狼瘡的治療中，當(dāng)時(shí)的鐳十分昂貴，0.1 g鐳的售價(jià)高達(dá)75萬(wàn)法郎。目前，同位素已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在癌癥的診斷和治療領(lǐng)域，并發(fā)揮著不可替代的作用，同時(shí)在炎癥患者感染病灶的定性定位診斷方面也越來(lái)越顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

2.1 癌癥治療

利用放射性同位素發(fā)射的射線(xiàn)殺死癌細(xì)胞進(jìn)行癌癥治療是同位素最早的應(yīng)用之一。放射治療已成為惡性腫瘤治療中的主要手段之一。隨著同位素制備能力的增強(qiáng)和醫(yī)療器械及技術(shù)的進(jìn)步，同位素治療癌癥的手段和方式也在不斷發(fā)展，目前主要的治療方式分為外照射和內(nèi)照射兩種。

1）外照射治療

外照射在放射治療中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，使用同位素的外照射治療設(shè)備主要是60Co治療機(jī)和γ射線(xiàn)立體定向治療機(jī)（γ刀）。

與醫(yī)用高能加速器相比，60Co治療儀具有一次投資小、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)很多腫瘤的治療都能取得很好的效果，是市、縣和鎮(zhèn)級(jí)醫(yī)院放療設(shè)備的首選。據(jù)山東省衛(wèi)生廳2004年統(tǒng)計(jì)資料［6］，山東省共有60Co治療機(jī)77臺(tái)，其中鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院6臺(tái)，縣級(jí)醫(yī)院44臺(tái)，市級(jí)醫(yī)院24臺(tái)，省級(jí)醫(yī)院3臺(tái)。60Co治療機(jī)的缺點(diǎn)是：半影區(qū)大，照射野外的正常組織會(huì)接受一定劑量；半衰期短，需定期換源；防護(hù)復(fù)雜，工作人員受照劑量大等。這些缺點(diǎn)使得60Co治療機(jī)的應(yīng)用受到限制，在較大的治療機(jī)構(gòu)中，醫(yī)用高能加速器治療機(jī)已經(jīng)成為主流。

γ刀是最早出現(xiàn)的高精度立體定向放射治療設(shè)備，它將幾十到幾百個(gè)鈷源分布在一個(gè)半球形厚殼上，采用γ射線(xiàn)幾何聚焦方式，通過(guò)精確的立體定向，將經(jīng)過(guò)規(guī)劃的一定劑量的γ射線(xiàn)集中照射于體內(nèi)預(yù)選的靶點(diǎn)，一次性、致死性地摧毀靶點(diǎn)內(nèi)的組織，以達(dá)到外科手術(shù)切除或損毀的效果。γ刀最早用于治療頭部腫瘤，目前已廣泛應(yīng)用于全身各種腫瘤的治療，國(guó)內(nèi)各大醫(yī)院的γ刀機(jī)器已達(dá)到二百余臺(tái)。

2）內(nèi)照射治療

近二十年來(lái)，以后裝治療機(jī)和放射性粒子植入近距離治療為代表的內(nèi)照射放射治療發(fā)展十分迅速。

后裝放療是先在病人的治療部位放置不帶放射源的治療容器，包括能與放射源導(dǎo)管相連接的空裝源管或相應(yīng)的輔助器材，然后在隔離房手動(dòng)或遙控將放射源通過(guò)放射源導(dǎo)管送至病人體內(nèi)的治療部位，進(jìn)行放射治療。后裝放療常用的源有192Ir、252Cf等，目前國(guó)內(nèi)用的最多的是192Ir，源尺寸約為φ0.9 mm×7 mm，活度一般為370 GBq（10 Ci）左右，治療時(shí)間3～5 min。后裝機(jī)最多可放置18條塑料管，設(shè)置18個(gè)治療部位，多數(shù)情況下為3～4個(gè)治療部位［7］。后裝治療具有治療時(shí)間短、療效確切、并發(fā)癥少、腫瘤消退快等優(yōu)點(diǎn)，因此推廣應(yīng)用十分迅速，中國(guó)2001年已有379臺(tái)后裝機(jī)投入臨床使用，在設(shè)備生產(chǎn)方面，也有深圳威達(dá)公司、中國(guó)原子能科學(xué)研究院、成都康聯(lián)醫(yī)學(xué)工程研究所、天津華楊科貿(mào)公司等多家單位。

放射性粒子植入是將具有包殼的放射性核素直接埋入腫瘤組織內(nèi)，通過(guò)核素持續(xù)釋放射線(xiàn)對(duì)腫瘤細(xì)胞進(jìn)行殺傷的治療方法。臨床常用的放射性粒子主要是125I和103Pd，分別代表低劑量率和中劑量率輻射，125I適用于分化較好、分裂較慢的腫瘤細(xì)胞，103Pd適用于分化差、繁殖快的腫瘤細(xì)胞，臨床上經(jīng)常將兩種核素合用以更全面地殺死腫瘤細(xì)胞。植入腫瘤中的每個(gè)放射性粒子活度在14.8～40.7 MBq（0.4～1.1 mCi），直徑約0.8 mm，可通過(guò)12號(hào)注射針植入體內(nèi)。臨床治療時(shí)125I初始劑量率大約為8～10 c Gy／h，103Pd初始劑量率約為20 c Gy／h。目前，放射性粒子植入法最好的適應(yīng)癥是前列腺癌，其長(zhǎng)期療效與根治手術(shù)或外照射相似，而且其副作用特別是性功能障礙的發(fā)病率較低，治療時(shí)間短，手術(shù)方法簡(jiǎn)便，深受患者歡迎。近年來(lái)，在放射物理和放射生物學(xué)蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)上，粒子植入治療計(jì)劃系統(tǒng)不斷提高與完善，劑量學(xué)要求逐步明確，植入治療設(shè)備不斷改進(jìn)，放射性粒子臨床應(yīng)用的范圍已經(jīng)拓寬到肺癌、肝癌、胰腺癌、組織肉瘤、骨腫瘤、早期乳腺癌等許多領(lǐng)域。放射性粒子植入近距離治療已經(jīng)迅速在國(guó)內(nèi)發(fā)展，據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)［8］報(bào)道，不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)每月銷(xiāo)售125I粒子20 000～30 000粒，治療患者4 000～6 000例。

靶向治療是新近發(fā)展起來(lái)的一種癌癥治療方法，這種治療方法的原理是用放射性核素標(biāo)記癌細(xì)胞的單克隆抗體，將標(biāo)記后的抗體注入病人體內(nèi)，由于這些抗體對(duì)癌細(xì)胞中的抗原物質(zhì)具有很高的親和性，放射性核素會(huì)在病人體內(nèi)的癌細(xì)胞中產(chǎn)生匯聚效應(yīng)，殺死癌細(xì)胞，達(dá)到癌癥治療的目的。90Y是靶向治療中常用的放射性核素，用90Y標(biāo)記單克隆抗體進(jìn)行靶向治療的方法已經(jīng)應(yīng)用于結(jié)腸癌、卵巢癌、乳腺癌、胰腺癌、神經(jīng)膠質(zhì)瘤等的治療中。

2.2 臨床診斷

放射性核素腫瘤顯像對(duì)癌癥早期診斷、良性和惡性腫瘤鑒別、復(fù)發(fā)和殘留組織的檢測(cè)及轉(zhuǎn)移灶的探查等有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，近十幾年來(lái)發(fā)展十分迅速。作為顯像劑應(yīng)用的另一重要領(lǐng)域，近年來(lái)炎癥顯像劑的研究也取得了很大進(jìn)展，并已進(jìn)入臨床應(yīng)用階段［9］。

放射性核素作為顯像劑，是用放射性核素對(duì)類(lèi)似人體內(nèi)源性代謝物的化合物（如類(lèi)葡萄糖等）或生物活性物質(zhì)（如多肽、蛋白質(zhì)、抗體等）進(jìn)行標(biāo)記，在經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的代謝后，檢測(cè)標(biāo)記核素在患者體內(nèi)的分布，從而對(duì)腫瘤或炎癥病灶進(jìn)行診斷和定位。顯像劑根據(jù)其作用機(jī)理主要分為兩類(lèi)：一類(lèi)利用腫瘤細(xì)胞高代謝特點(diǎn)，對(duì)人體內(nèi)源性代謝物進(jìn)行標(biāo)記，通過(guò)觀(guān)察代謝物的聚集情況判斷腫瘤位置，如反映葡萄糖代謝的2-氟－18-氟-2-脫氧-D-葡萄糖（18F-FDG）、反映氨基酸代謝的L-甲基-11C-蛋氨酸（11C-MET）、反映磷脂類(lèi)代謝的11C-膽堿等；一類(lèi)利用標(biāo)記活性物質(zhì)對(duì)靶組織的特異性和高親和性來(lái)顯示癌或炎癥組織的分布和密度，這類(lèi)顯像劑有乏氧顯像劑18F-FMISO、雄激素受體顯像劑11C-雙氫睪酮（11C-EDHT）、嗜鉻細(xì)胞瘤受體顯像劑11C-羥基麻黃素（11C-m HED）等。常用的標(biāo)記核素有18F、125I、99Tcm、131I、188Re、90Y、11C 等。臨床上使用最廣泛、能探測(cè)顯像劑在體內(nèi)分布的設(shè)備是PET和SPECT。SPECT用于探測(cè)發(fā)射γ光子的核素（如99Tcm、123I等），PET用于探測(cè)發(fā)射正電子的核素（如18F、11C等），這些方法已將醫(yī)學(xué)臨床診斷提升到細(xì)胞水平。

隨著核顯像技術(shù)的進(jìn)步和大量新型高特異性顯像劑的研制成功，核醫(yī)學(xué)顯像對(duì)各種癌癥的適用性大幅提高，已廣泛應(yīng)用在肺癌、肝癌、淋巴瘤、甲狀腺癌、乳腺癌、胰腺癌、胃癌、食管癌等的診斷和治療中。在炎癥診斷方面，已有多種炎癥顯像劑投入臨床使用，用13C-尿素呼氣試驗(yàn)檢測(cè)胃幽門(mén)螺旋桿菌（HP）感染在國(guó)際上已被公認(rèn)為胃部HP感染診斷的最重要手段之一，并被譽(yù)為胃部HP感染診斷的金標(biāo)準(zhǔn)［10］。

3 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用稱(chēng)為核農(nóng)學(xué)，我國(guó)核農(nóng)學(xué)的研究與應(yīng)用開(kāi)始于1956年，現(xiàn)已在作物輻射誘變育種、農(nóng)副產(chǎn)品輻射加工及貯藏保鮮、同位素示蹤、輻射不孕害蟲(chóng)防治、低劑量輻射刺激生長(zhǎng)等方面取得了顯著成績(jī)，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益，受到國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）和世界各國(guó)的高度關(guān)注和贊譽(yù)。核農(nóng)學(xué)中使用最廣泛的是放射性同位素。

我國(guó)輻射誘變育種研究工作雖比國(guó)外晚約30年，但是發(fā)展很快，培養(yǎng)了一大批高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病的新品種。據(jù)2008年不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)輻射誘變育成新品種623個(gè)，占全世界輻射育成新品種總和（2 320個(gè)）的26.85%，年推廣種植面積達(dá)900萬(wàn)公頃，每年為國(guó)家增產(chǎn)糧食30～40億公斤、棉花1.5～1.8億公斤、油料0.75億公斤，創(chuàng)經(jīng)濟(jì)效益33～40億元［11］。

在農(nóng)副產(chǎn)品的輻照加工方面，2004年，我國(guó)農(nóng)用輻照站已超過(guò)70座，分布于全國(guó)28個(gè)省、市、自治區(qū)的40多個(gè)城市，有100多個(gè)單位分別對(duì)200多種農(nóng)副產(chǎn)品進(jìn)行了輻照保鮮、殺蟲(chóng)滅菌、改善品質(zhì)等方面的研究?！熬盼濉逼陂g，全國(guó)農(nóng)副產(chǎn)品輻照加工已達(dá)35萬(wàn)噸以上，產(chǎn)值60～65億元，并向集團(tuán)化、商業(yè)化方向發(fā)展［12］。

同位素示蹤技術(shù)在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用和迅猛發(fā)展，對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素、有毒有害元素在土壤－水－大氣－生物中的遷移、轉(zhuǎn)換、累積規(guī)律以及土壤的侵蝕污染歷史等方面的研究起了很重要的作用，極大地推動(dòng)了農(nóng)業(yè)科學(xué)以及生命科學(xué)的發(fā)展，在農(nóng)業(yè)資源、環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)農(nóng)業(yè)等研究領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，2003年，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的示蹤核素已超過(guò)40種。以同位素示蹤技術(shù)為基礎(chǔ)，我國(guó)學(xué)者提出了適合不同耕地體系和不同生產(chǎn)地區(qū)的綜合植物營(yíng)養(yǎng)和土壤管理系統(tǒng)，在2003年之前的10年中，這些技術(shù)的推廣增產(chǎn)了190萬(wàn)噸糧食，帶來(lái)了28億元的經(jīng)濟(jì)效益［13］。

在輻射不孕防治昆蟲(chóng)方面，我國(guó)自20世紀(jì)60年代以來(lái)，先后對(duì)玉米螟、蠶蛆蠅、小菜蛾、柑桔大實(shí)蠅、棉鈴蟲(chóng)等10多種害蟲(chóng)進(jìn)行了輻射不育研究和在一定面積上的釋放試驗(yàn)。例如：在200公頃面積上釋放輻射不育蠶蛆蠅，防治效果達(dá)98%；在貴州惠水縣釋放人工飼養(yǎng)的柑桔大實(shí)蠅，將柑桔大實(shí)蠅危害率由釋放前的5.19%下降到0.098%［12］。需要指出的是，我國(guó)雖然培育了很多輻射不育昆蟲(chóng)品種，但是在技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用方面做得還很不夠，尤其在輻射不孕昆蟲(chóng)的大規(guī)模工廠(chǎng)化生產(chǎn)和大范圍田間釋放方面，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有很大差距。

利用低劑量輻照處理植物種子，可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)和發(fā)育，提高產(chǎn)量。例如，利用快中子輻照柞蠶卵刺激增產(chǎn)效果明顯，可使蠶繭產(chǎn)量提高10%～20%，這項(xiàng)技術(shù)已在山東、河南、遼寧等10多個(gè)省、市推廣，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。利用低劑量快中子輻照對(duì)蝦的卵和蝦苗，可使卵的孵化率提高6.9%～18.4%，成活率提高10%～30%，每畝產(chǎn)量一般可提高15%～20%，在沿海地區(qū)推廣，取得直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)1 000多萬(wàn)元［12］。

4 在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

同位素在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用主要是以環(huán)境同位素（環(huán)境中自然存在而不是人工加入的核素）作為示蹤劑，對(duì)水體、大氣及土壤中特定對(duì)象的來(lái)源及遷移過(guò)程等進(jìn)行判斷和研究。作為示蹤劑的同位素可以是穩(wěn)定同位素或者放射性同位素，而以穩(wěn)定同位素的應(yīng)用最為廣泛，主要有D、18O、34S、15N、13C、53Cr和87Sr等。

特定來(lái)源的物質(zhì)有特定的同位素組成，因此某種元素的不同同位素在物質(zhì)中的豐度比可以作為該種物質(zhì)的標(biāo)識(shí)，通過(guò)測(cè)定同位素豐度比，可以對(duì)環(huán)境中某種物質(zhì)的來(lái)源及遷移過(guò)程等進(jìn)行判定或研究，這就是穩(wěn)定同位素作為示蹤劑的原理。同位素技術(shù)在環(huán)境污染、水文與水資源、海洋及湖泊生態(tài)系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

由于穩(wěn)定同位素在特定污染源中具有特定的組成，且具有分析結(jié)果精確穩(wěn)定、在遷移與反應(yīng)過(guò)程中組成穩(wěn)定的特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染事件的仲裁、環(huán)境污染物溯源和示蹤中。例如：通過(guò)測(cè)量穩(wěn)定碳同位素13C和12C的組成解析大氣中多環(huán)芳烴的來(lái)源、考察含氯有機(jī)污染物的原位修復(fù)與生物降解過(guò)程；通過(guò)觀(guān)測(cè)穩(wěn)定氮同位素組成解析湖泊沉積物中有機(jī)物來(lái)源；通過(guò)測(cè)量硫的穩(wěn)定同位素組成研究從水體中硫酸鹽污染到大氣中硫來(lái)源等眾多環(huán)境問(wèn)題；利用穩(wěn)定鉛同位素指標(biāo)206Pb／207Pb進(jìn)行鉛來(lái)源解析與示蹤已被廣泛運(yùn)用到土壤、地下水、降水、大氣、湖泊沉積物等介質(zhì)中鉛來(lái)源的研究［14］。

環(huán)境同位素方法在解決許多水文地質(zhì)問(wèn)題方面，如確定地下水水齡、研究地下水的形成機(jī)制、運(yùn)動(dòng)及補(bǔ)給、地下水中的污染源、地表水與地下水的相互關(guān)系、監(jiān)視和跟蹤海水入侵的變化趨勢(shì)等，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外廣泛認(rèn)可和使用的方法。例如：澳大利亞利用同位素技術(shù)分析了解了中部地區(qū)大自流盆地的地下水系統(tǒng)，包括地下水運(yùn)動(dòng)規(guī)律和地下水年齡，為合理開(kāi)發(fā)利用地下水提供了基礎(chǔ)信息；美國(guó)利用同位素技術(shù)分析洪水的過(guò)程、洪水中地表水和地下水所占的比例，為洪水控制及水文學(xué)研究提供了依據(jù)；我國(guó)也應(yīng)用同位素技術(shù)對(duì)渭河兩岸和黑河流域地表水和地下水轉(zhuǎn)換規(guī)律進(jìn)行了研究，對(duì)于科學(xué)評(píng)價(jià)流域水資源狀況，合理規(guī)劃水利工程、進(jìn)行地下水和地表水聯(lián)合調(diào)度具有重要意義［15］。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，同位素已廣泛應(yīng)用于核儀表、輻照加工、癌癥治療、輻射育種等各個(gè)領(lǐng)域。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著同位素分析測(cè)量技術(shù)、生物技術(shù)及半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，同位素應(yīng)用取得了很大進(jìn)展，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1）同位素示蹤技術(shù)。同位素示蹤技術(shù)在核醫(yī)學(xué)、核農(nóng)學(xué)、環(huán)境科學(xué)及生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速，已成為這些領(lǐng)域研究和生產(chǎn)的最重要手段之一。

2）穩(wěn)定同位素技術(shù)的廣泛應(yīng)用。穩(wěn)定同位素具有無(wú)二次污染、測(cè)量精度高的優(yōu)點(diǎn)，隨著穩(wěn)定同位素分析和測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，其應(yīng)用越來(lái)越廣泛。穩(wěn)定同位素的應(yīng)用主要有兩方面：作為示蹤劑中的標(biāo)記核素和通過(guò)穩(wěn)定同位素分析研究解決環(huán)境和生態(tài)問(wèn)題。

3）同位素標(biāo)記的新型顯像劑和靶向治療藥物的研究在核醫(yī)學(xué)的應(yīng)用。這是當(dāng)前同位素應(yīng)用中最熱門(mén)、最有活力的研究領(lǐng)域之一。

總之，同位素技術(shù)的發(fā)展，將為人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)越來(lái)越多的福祉。

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