■蔣絢/文
■來源：《現代物理知識》
提起輻射,人們很自然地聯想到手機、電腦的電磁輻射,對電離輻射則比較陌生。其實,這種電磁輻射就是電離輻射的一種。電離輻射還包括電子、質子、中子及較重粒子的粒子源,微波輻射,光輻射,同步輻射等。我們的生活環境中存在著天然電離輻射和人工電離輻射,可以說,電離輻射就在我們身邊。電離輻射可以造福於人類,它在工業、醫學、農業上有著廣泛的應用;電離輻射也可以給人類帶來巨大的災難,特別是核武器和輻射事故的發生。因此,我們對待電離輻射這把雙刃劍時,既要充分利用它來造福人類,又要嚴防它的危害。
人們一般很難躲避自然界的輻射源,如宇宙射線、陸地γ輻射、食入或吸入的長壽命放射性核素和氡同位素。宇宙射線來自地球以外的宇宙空間,能量高、穿透力強。影響宇宙射線劑量的主要因素有高度(隨高度增加而增大) 、緯度(隨緯度增大而增大) 、屏蔽(如因房屋阻擋而減少) 。所以機組人員和居住在高海拔的人會受到更多的輻射,室內的射線強度要比室外低20 %。陸地γ 輻射是由土壤、巖石、路面材料和建材等所含的放射性核素所致。比如土壤和巖石中的釷和鉀在蛻變時會釋放γ射線,而建築材料是由地表物質製造出來的,故也含有放射性。我們不可避免地會食入或吸入放射性核素,因為日常生活中的飲用水、菜餚和空氣中的塵埃中都含有一定量的放射性核素。在某些食物中的放射性核素中,鉀40 的放射性最強,若大量食用這些物質,所受的輻射量將大大超過平均值。比如每周吃
80 克貽貝,就會增加50 %的食物輻射量。氡同位素來源於土壤、巖石,建材中的鐳逸入空氣中,會被我們吸入肺內造成輻射。室外的氡會飄散開來,但室內的氡濃度只會疊加。研究發現,室內的氡含量與肺癌密切關係。幸運的是,氡很容易被排除掉,只要打開排氣扇,就可以將室內的氡吹走。
人類社會的發展產生了人工輻射源,人工輻射源包括X 射線裝置、電子加速器和核反應堆等。人工輻射源的運行,人工放射性核素的生產和使用均引起人工電離輻射。但它們與天然輻射源比較,對人體的危害性相對較低。這裡只介紹最常用的人工輻射源之一———電子加速器。
電子加速器是由加速裝置和電源兩個基本部件組成。自由粒子在加速裝置中可被電場直接或間接加速到很高能量,形成高能電子束。直接加速需與加速電子最終能量相當的高壓,而間接加速則通過隨時間不斷變化的電磁場將電子加速到高能量,直接加速主要運用於低、中能電子束,當需要5MeV 以上能量電子束時使用間接加速技術則更為經濟。根據結構、運作模式和連接方式的變化,電子加速器可分為許多類型,主要有靜電加速器、倍壓加速器、電子感應加速器、回旋加速器、對撞機和直線加速器等。目前,運用相對論原理的對撞機技術仍在蓬勃發展,特別是超導技術的研究和應用,為超高能加速器的發展注入了新的活力。
1945 年美國人在日本廣島上空投下一顆原子彈,使廣島近10 萬無辜者命喪黃泉。那時,人們開始意識到這種可怕的能量———輻射,而這種威力巨大的輻射就是電離輻射的一種。電離輻射的殺傷性和破壞力使我們恐懼,但是隨著不斷的研究,我們漸漸地摸透了它的脾氣,使輻射技術廣泛應用於工業、農業、醫學、環保等領域。
在工業探傷中,射線探傷技術已經取得了廣泛的應用。這類技術是通過射線透射受試對象來獲取物體內部結構或加工缺損等信息。隨著計算機技術的發展,工業射線DR(數字照相技術) 和工業CT 技術的開發,使得射線無損探傷技術達到了一個全能水平。從而保證了高新技術的質量控制,例如航空航天等工業中的許多關鍵部件(如阿波羅登月計劃中的太空梭中,幾乎每個關鍵部件) 都要經過中子或其他射線的控制,才能投入使用。
在工業生產過程中,質量、密度、水分、料位、厚度都是要控制的信息,往往要求非接觸式地進行測控。工業用核測量系統就是利用電離輻射與物質間的相互作用原理,將入射粒子的全部或部分能量轉化為可觀測的信號,從而解決了這一難題。
輻射加工是用於工業的實用技術,它是通過電離輻射與物質相互作用產生的物理,化學與生物效應來實現的。例如對寶石進行中子輻照,寶石就會變得晶瑩剔透,光彩奪目;在印刷、紡織業中,通過輻照改變介質的導電性從而達到消除靜電的目的,有效地防止了火災或爆炸事故的發生;在化學加工中,利用輻射方法改善高分子材料的性質或合成新型產品;醫療上通過輻照藥物和醫療用品進行消毒等。這種加工方式在實現傳統產業的技術改造,特別是高分子材料合成方面顯示了強勁的技術活力。
1927 年在玉米育種工作中,人們首先發現X 射線能誘發植物突變,開創了人工誘發研究及其在作物育種上的應用。輻射育種利用電離輻射誘發生物基因突變,在較短時間內獲得新的有利用價值的突變體,育成優良品種直接利用或作為種子資源間接利用。我國輻射突變育種的成就突出,育成的新品種佔世界總數的四分之一,特別是糧、棉、油等作物的推廣,取得了顯著的增產效益。
昆蟲輻射不育是一種先進的生物防治療法,不存在農藥的環境汙染。昆蟲受到電離輻射就會喪失生殖能力,從而降低了害蟲的數量,進一步達到防治甚至根除害蟲的目的。目前,國內外已經廣泛採用這種技術。墨西哥採用該技術根除了果蠅,每年可以避免15 億美元的蟲害損失。我國用此方法對玉米螟、小菜蛾、柑橘大實蠅等害蟲得到了較好的防治效果。
食品輻照保藏是利用某種電離輻射源(γ射線、X射線或電子束射線) 發出的射線對食品進行照射,從而引起食品中一系列化學或生物化學反應,達到抑止發芽、推遲後熟、延長貨架期、殺蟲或滅菌的效果。經輻照徹底殺菌的食品是太空人和特種病人最為理想的食品。現這種技術已經作為預防食源性疾病和開展國際農產品檢疫的一種有效的手段。
在醫學研究、臨床診斷和治療上,放射性核素及射線的應用已取得巨大成就,形成了現代醫學的一個重要分支,即核醫學。核醫學是通過一些放射性物質的特性,對病人的病灶部位進行顯像來診斷疾病。例如用碘131 來觀測甲狀腺的功能狀態;用鉻51 來測定紅細胞壽命;用PET(正電子斷層照相) 和載有18F 的藥物進行腦代謝的顯像觀測;用PET 和載有N13 的藥物來進行心肌的顯像觀測和對心肌血流量進行基礎研究。核醫學的診斷方法也為早期癌症的發現,挽救病人做出了巨大貢獻。
利用射線能在人機體內引起電離作用,從而破壞病變細胞的原理,放射性治療成為了治療惡性腫瘤的重要手段。目前,這種治療方法已在癌症治療中佔70 %。在與癌病的抗爭中,新的放射治療技術也在迅速成長。最近,一種叫BNCT(硼俘獲中子治療癌症) 的方法已在世界範圍內進行了臨床實驗。這種方法是利用含硼藥物的親癌性使硼進入癌細胞,再用中子進行轟擊,使在硼核內發生(n ,α) 核反應,產生α粒子,在癌細胞尺寸內把它殺死,具有殺傷範圍小、副作用小、易對準等優點。
從1895 年X射線被發現數月後首先在醫學上應用,產生了X 射線診斷學,使醫學診斷手段發生了質的飛躍,到現在放射治療、核醫學等新分支學科的相繼問世,不難看出,電離輻射技術的醫學應用正以方興未艾之勢蓬勃發展著。
日益增加的環境汙染,構成了人類和一切生物的嚴重威脅,成為人類和一切生物的公敵。當前,人類正面臨著一個治理環境和減少汙染的問題。電離輻射治理三廢便是其中最有效的方法之一。電離輻射能有效地降解三廢中的有機物,殺死廢物中的有害微生物,提高汙泥的沉降和過濾性能等,顯示出了相當強的生命力。近年來,我國已開展這方面的工作,在醫院汙水的輻射消毒、輻射處理含氰廢水和農藥廢水等方面取得了初步成效。相信,在保護環境的工作中,電離輻射會發揮越來越大的作用,為打造一個可持續發展的環境提供保障。
雖然電離輻射已被廣泛地應用於工業、農業、醫藥等許多行業,但它畢竟對人體有害。所以,對電離輻射的應用從一開始就和防護聯繫在一起。根據電離輻射的特點,人們一般採用以下三種方法進行防護。
時間防護 因人體接受電離輻射的量與照射時間成正比,所以減少接觸時間,就可以減少人體接受的劑量。比如在操作輻射源時,應熟練、準確、迅速,以減少受照時間。
距離防護 電離輻射的強度與距離平方成反比,所以增加人體與輻射源之間的距離,可以顯著地減少人體接受的劑量。比如使用機械手,自動化設備等增加工作人員與輻射源的距離。
屏蔽層防護 在輻射源與人體之間加入可以吸收電離輻射的物質,把電離輻射屏蔽起來。比如用鉛、鐵、石等屏蔽γ射線,用鉛、有機玻璃等屏蔽β射線。
針對輻射應用的不同領域,一般採取不同的防護手段。在醫用輻射防護中,主要是對放射工作人員以及患者的輻射劑量加以控制;在開放性放射場所,一般採用良好的通風設施;在輻射加工中,採用屏蔽的方法;對放射性廢棄物的處置,採用長期儲存的方式。
電離輻射防護現已成為一門多學科的綜合性應用科學。相信,隨著它的不斷完善,人類可以更加安全地駕馭電離輻射技術。
來源：《現代物理知識》 第15卷 第06期