同位素與輻射技術(shù)是指利用核發(fā)出的以及加速器產(chǎn)生的粒子和射線，與物質(zhì)相互作用來研究和改造物質(zhì)的技術(shù)，是核技術(shù)的重要組成部分，是當代重要的尖端技術(shù)之一。
同位素與輻射技術(shù)的應(yīng)用幾乎涵蓋了國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，特別是放射性同位素應(yīng)用，在醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、脈沖功率應(yīng)用和核測試分析中應(yīng)用尤為引人注目。
1. 放射性同位素應(yīng)用進展快速
隨著國際上幾個主要的放射性同位素制備用反應(yīng)堆接近壽期和對核不擴散的限制越來越重視，國際原子能機構(gòu)（IAEA）和經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）都在關(guān)注高濃鈾生產(chǎn)裂變產(chǎn)物鉬-99的替代技術(shù)，包括用低濃鈾直接堆照生產(chǎn)和用加速器制造。目前已有荷蘭（建設(shè)反應(yīng)堆）、德國（建設(shè)反應(yīng)堆）、澳大利亞（擴大產(chǎn)能）、比利時（研究低濃鈾技術(shù)）、韓國（建設(shè)專用同位素反應(yīng)堆）、加拿大（使用加速器）在開展相關(guān)工作。美國為滿足航天用同位素電池制備需要，啟動了恢復(fù)钚-238生產(chǎn)的項目，計劃每年生產(chǎn)5公斤。
近年來锝標記藥物的研究得到了極大的關(guān)注，出現(xiàn)了一系列基于锝配合物的新型標記藥物。不過在實際應(yīng)用時這些化合物也存在一些問題，如螯合基團過大、中心金屬原子價態(tài)易被氧化、標記物穩(wěn)定性不好等。發(fā)展新的锝配合物，設(shè)計新的配體，尋求新的標記手段和方法，有可能找到性能更加優(yōu)良的標記藥物分子。
國際上核素治療出現(xiàn)了使用發(fā)射α射線的核素，美國食品藥品監(jiān)督管理局（FDA）批準了223Ra應(yīng)用于Ra晚期前列腺癌患者的治療。正電子放射性藥品方面，F(xiàn)DA還批準了三個診斷阿爾茨海默病（AD）的氟-18藥品，其中18F-AV45比較成功，說明中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）退行性疾病是研究的熱點。
在放射免疫技術(shù)方面，國外臨床檢測項目已達二百余項。固相包被技術(shù)在放射免疫分析（RIA）的應(yīng)用已占整個檢測項目的90%左右。韓國和德國已實現(xiàn)從加樣到測量的整個實驗檢測過程的自動化。
放射性同位素應(yīng)用進展快速。目前，國際上同位素技術(shù)工業(yè)應(yīng)用研究熱點集中在γ-CT無損檢測、輻射成像安全檢查、新型核測控儀器儀表研發(fā)、環(huán)境污染監(jiān)測與治理、輻射加工等方面。
2. 輻射技術(shù)在多方面得到廣泛應(yīng)用
輻射加工是利用γ射線或加速器產(chǎn)生的電子束、X射線輻照被加工物體，使其品質(zhì)或性能得以改善的過程。在發(fā)達國家，輻射加工已經(jīng)發(fā)展為一門新興高科技產(chǎn)業(yè)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療衛(wèi)生、食品、環(huán)境保護等多方面有著廣泛用途，并取得了巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。據(jù)統(tǒng)計，全世界輻射技術(shù)產(chǎn)業(yè)化規(guī)模已達到年產(chǎn)值數(shù)千億美元。美國作為該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展大國，其規(guī)模達6000億美元，占國民經(jīng)濟總值的3~4%。日本的輻射加工技術(shù)應(yīng)用著力于其產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化升級、資源的高效利用以及環(huán)境保護。
近年來，國外核技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的概況如下：
（1）全世界大型鈷源輻照裝置約250座，裝源量2.5億居里，而用于輻照的加速器超過1000臺，總功率45MW；
（2）輻射化工產(chǎn)品年產(chǎn)值超過1000億美元；
（3）用于集成電路的離子注入機3000多臺，產(chǎn)值1470億美元；
（4）全世界輻照食品的銷售量30萬噸；
（5）70個國家在186種植物上誘變新品種2252個；
（6）全世界半數(shù)以上國家采用輻射雄性不育法對200多種害蟲進行殺滅處理；
（7）全世界每年有3~4億人次接受放射性診斷和治療；
（8）94座生產(chǎn)同位素的反應(yīng)堆，49臺同位素生產(chǎn)專用加速器；
（9）核醫(yī)學(xué)（PET）專用回旋加速器數(shù)百臺；
（10）生產(chǎn)3000多種放射性同位素及其制品；
國外的加速器裝置在數(shù)量上再度增加的同時，在產(chǎn)品質(zhì)量上也不斷提高。裝置結(jié)構(gòu)緊湊，易操作，維修方便，長期運行穩(wěn)定性和可靠性、智能化水平等有明顯提高，如地那米型加速器從低能到高能的完整系列，電子簾加速器從80~300keV完整系列。加速器的控制系統(tǒng)已發(fā)展到計算機智能控制、遠程診斷、電器插件更換自動調(diào)整、信息采集和儲存等，自動化水平很高。
3. 核醫(yī)學(xué)顯像得到飛躍發(fā)展
進入21世紀，核醫(yī)學(xué)顯像儀器得到了飛躍發(fā)展，形成了以多模式影像為特征的分子功能影像時代。20世紀90年代末，以GE公司的Hawkeye為代表的SPECT/CT及其符合線路成像的廣泛應(yīng)用，隨后西門子公司和飛利浦公司也相繼推出SPECT/CT，其CT配置也由早期的X線球管發(fā)展到現(xiàn)在的4-16排CT為主導(dǎo)的診斷級CT，使核醫(yī)學(xué)影像的質(zhì)量大為改善，定位更加準確。2009年美國GE公司推出了半導(dǎo)體晶體的心臟專用SPECT、乳腺顯像專用機等，常規(guī)的顯像儀器質(zhì)量也在不斷提高。18F-FDG也成為21世紀最有價值的顯像劑之一，此外一些新的分子影像探針也陸續(xù)試用于臨床。2012年，美國GE醫(yī)療集團推出將PET/CT與MR于不同房間的復(fù)合型機型，稱之為PET/CT-MR模式。
進入21世紀，新的顯像劑研究也獲得進展，除了常規(guī)的單光子放射性藥物和18F-FDG外，放射性核素標記的奧曲肽生長抑素受體顯像、RGD整合素受體顯像、雌激素受體顯像、乏氧顯像以及正電子核素標記的乙酸、膽堿、FLT都相繼用于臨床，豐富了學(xué)科內(nèi)容，提高了疾病診斷和鑒別診斷的能力。
4. 核農(nóng)學(xué)應(yīng)用廣泛
國外核農(nóng)學(xué)起步較早，已發(fā)展為一門成熟技術(shù)在世界各地廣泛應(yīng)用。目前全球已經(jīng)有100多個國家利用該技術(shù)來改良糧食作物、經(jīng)濟作物和花卉苗木等。聯(lián)合國糧農(nóng)署（FAO）協(xié)同國際原子能機構(gòu)（IAEA）致力于核與生物技術(shù)的開發(fā)，以保持世界糧食的穩(wěn)定持續(xù)增長。據(jù)不完全統(tǒng)計，運用此項技術(shù)，全球范圍內(nèi)共培育了3218個突變作物品種。
農(nóng)產(chǎn)品輻照加工呈快速發(fā)展趨勢。到目前為止，已經(jīng)有42個國家批準538種農(nóng)產(chǎn)品和食品的輻照加工，全球年輻照農(nóng)產(chǎn)品的總量已近50萬噸。近年來，在FAO/IAEA/WHO三個國際組織的積極倡導(dǎo)下，輻照農(nóng)產(chǎn)品和食品逐步轉(zhuǎn)向商業(yè)化，農(nóng)產(chǎn)品輻照技術(shù)正在加快向農(nóng)產(chǎn)品和食品工業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)移。
農(nóng)業(yè)核素示蹤已廣泛用于農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護、農(nóng)產(chǎn)品原產(chǎn)地溯源等領(lǐng)域。在病蟲害控制方面，美國、加拿大、澳大利亞等世界上超過2/3的國家已對200多種害蟲利用昆蟲輻射不育技術(shù)開展研究和防治。
5. 脈沖功率應(yīng)用前景廣闊
脈沖功率技術(shù)是在電氣科學(xué)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門新興學(xué)科，是研究高功率電脈沖的產(chǎn)生和應(yīng)用的科學(xué)。脈沖功率技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于國防（核武器、電磁軌道炮、高功率微波武器、高能激光武器等研究）、聚變能源、材料、環(huán)境保護、醫(yī)療和生物等領(lǐng)域�，F(xiàn)在，脈沖功率技術(shù)已發(fā)展成為涉及粒子加速器、等離子體物理、可控?zé)岷司圩儭⒏唠妷汗こ�、電介質(zhì)物理、力學(xué)、材料科學(xué)等多個學(xué)科的新型交叉學(xué)科，成為當代高科技的主要基礎(chǔ)學(xué)科之一，有著非常廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。在五個核大國中，脈沖功率技術(shù)處于重要的戰(zhàn)略地位。
2010年，美國建造的雙軸閃光照相流體動力學(xué)試驗設(shè)施（DARHT）成功進行了第一次雙軸X光照相流體動力學(xué)試驗，對核武器研究極有價值。
2012年末，美國波音公司公布了一種微波炮與巡航導(dǎo)彈集成的新概念電磁脈沖導(dǎo)彈，被稱為CHAMP（反電子設(shè)備高功率微波先進導(dǎo)彈項目）。CHAMP首次成功解決了脈沖功率裝置的小型化、HPM天線設(shè)計、緊湊型HPM源以及導(dǎo)彈的自防護等關(guān)鍵技術(shù)，具有重要的應(yīng)用前景。美國有可能在近期實現(xiàn)初步部署。
2014年，美國海軍委托英國航空航天公司（BAE）和美國通用原子公司（GA）分別研制的32MJ炮口動能的工程化原型樣機已經(jīng)完成，成功進行了多次測試和發(fā)射。在緊湊脈沖功率源和彈丸設(shè)計方面取得突破。美國海軍的目標大致是2020—2025年初步部署電磁軌道炮。
美國海軍實驗室的高功率準分子激光研究世界領(lǐng)先。研制的KrF激光ELECTRA裝置采用兩束500keV/100kA/100ns電子束雙向泵，實現(xiàn)了300J/1Hz、250J/5Hz和700J/1Hz重頻運行，電插頭效率達7.4%。美國啟動了準分子激光能源驅(qū)動器研究規(guī)劃，計劃2022年建立聚變實驗裝置（FTF，5Hz/0.5MJ），2031年建立聚變電廠原型裝置。
6. 核測試與分析廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域
（1）中子散射技術(shù)
目前，世界范圍內(nèi)譜儀裝置超過400臺[6]，中子散射向著探測速度更快、空間分辨更高和能量范圍更大的高水平前沿學(xué)科應(yīng)用迅速拓展。美國的MaRIE中提出利用中子散射為微米尺度上的先進材料研究。歐盟在2013年啟動了1600萬歐元為期5年的“歐盟加速原子尺度先進材料未來科學(xué)家的培養(yǎng)計劃”，核心內(nèi)容就是鑒于中子散射和μ介子光譜兩大新興關(guān)鍵技術(shù)。
（2）中子照相技術(shù)
中子成像技術(shù)廣泛用于軍事、工業(yè)制造及核能材料等領(lǐng)域，同時在朝著小尺度樣品高空間分辨與大尺度樣品強穿透的兩極發(fā)展。瑞士PSI、德國HZB等機構(gòu)已將低能中子分辨率提升至10微米左右，利用加速器、散裂源或反應(yīng)堆產(chǎn)生高能與裂變中子開展大尺度樣品檢測；借助晶體單色器和斬波器，實現(xiàn)冷中子Bragg限成像，eV能區(qū)共振成像以及MeV能區(qū)元素成分較精確共振測量。美國愛達荷國家實驗室嘗試開展了放射性元件的間接層析成像；近年還發(fā)展極化中子成像實現(xiàn)磁場的圖像化，全息中子成像實現(xiàn)晶體內(nèi)原子占位精確測量。
（3）核設(shè)施退役檢測分析技術(shù)
當前，國際上的發(fā)展趨勢是利用成熟技術(shù)開發(fā)聯(lián)合測量設(shè)備和方法�，F(xiàn)場檢測方面，法國原子能委員會（CEA）開發(fā)了包括γ成像（α成像）-γ劑量率探測-γ譜儀分析的組合技術(shù)。英國研究人員于2011年開發(fā)了能夠同時探測α、β、γ粒子的組合式探測技術(shù)，有望在核設(shè)施退役中使用。此外，近年來研發(fā)的桶裝廢物非破壞測量技術(shù)、管道內(nèi)表面α活度監(jiān)測技術(shù)、長距離α測量（LRAD）技術(shù)、乏燃料破損檢測技術(shù)等已逐步在核設(shè)施退役中得到應(yīng)用。實驗室分析方面，國外研發(fā)了核設(shè)施退役樣品前處理技術(shù)和注入技術(shù)，以滿足ICP-MS對Th、U、Pu同位素的分析；為滿足堆退役廢物管理的要求，丹麥里瑟國家實驗室研發(fā)了混凝土、石墨、鋁、鉛、鋼材中3H、14C、36Cl、55Fe、63Ni、41Ca、129I的分析方法；為滿足加速器生物屏蔽層退役要求，瑞士Schuman等研發(fā)了加速器混凝土屏蔽層樣品放化分析方法，對屏蔽層中的152Eu、60Co、44Sc、133Ba、154Eu、134Cs、144Ce、22Na、129I、10Be、36Cl、239/240Pu、238U等核素進行了分析。
（4）放射性核素的分離分析技術(shù)
美國國家核取證溯源中心（NTNFC）在痕量核材料錒系及易裂變核素的快速分離分析技術(shù)處于世界領(lǐng)先水平。鈾、钚核材料主同位素分析精度達10-5，低豐度同位素分析精度＜0.1%，氧同位素分析精度＜0.01%。美國勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室（LLNL）研發(fā)了加速器質(zhì)譜及激光共振電離質(zhì)譜等先進設(shè)備，分析靈敏度已達108原子水平，可實現(xiàn)天然鈾中236U探測（10-12），63Ni中＜10-11的63Cu探測，Pu的探測靈敏度達10-15g。該實驗室建立了10-12钚的熱表面電離同位素質(zhì)譜分析技術(shù)，相對標準偏差≤0.4%，與標稱值偏差≤0.7%。
目前，分離功能材料和放化快速分析方法也有了新的突破。國外近年報道的有機金屬框架結(jié)構(gòu)的放化分離新材料的比表面積高達6240m2/g，有望在惰性氣體裂片核素分離得到廣泛應(yīng)用。（作者單位：中國核科技信息與經(jīng)濟研究院情報研究三室 中國核學(xué)會核情報研究分會）
