第三章 放射性同位素示踪技术
应用核技术是对同位素以及电离辐射与物质相互作用所产生的物理、化学和生物效应进行应用研究与开发，因此其基础与基本手段就是同位素和电离辐射。
放射性同位素在工业、农业、医学、生物学以及其他血多科学领域中都有相当广泛的应用。最早的应用可追溯到1898年居里夫人发现镭放射性同位素以后不久。那时，镭就已在灭菌消毒、治疗某些疾病方面初露锋芒。
随着人工放射性同位素品种的不断出现，放射性同位素在诊断和治疗疾病，人体器官扫描造影和科学研究方面起到越来越重要的作用，目前已成为医学中不可缺少的现代方法。除了医学之外，放射性同位素在工业、农业、国防、建筑、交通、宇航甚至日常生活中也非常有用。根据其应用方式可分为三种。第一，它可作为示踪原子应用于各个学科；第二，它可作为辐射源去透视各种X射线不能透视的材料内部的特征和缺陷，并制成自动检查和测量仪器；第三，它可作为核能源和核监测仪器。如核能电池、火灾报警器等。目前放射性同位素已深入到各个科学技术领域，可以毫不夸张地说，放射性同位素与人类的生产、生活息息相关。
早在60年代，前苏联和美国等国家的放射性同位素应用产生的经济效益即已构成国民经济总收入的0.1-0.3%。到了80年代已达到0.5%。目前，西方发达国家每两个人就医，就有一个人要求助于核医学，放射性同位素在医学中已誉为“活体原子显微镜”。在工业生产中放射性同位素的应用也已占相当的比重。例如，世界上90%以上的电线电缆是经辐照加工处理过的；全世界石油总产量的三分之一是利用放射性测井勘探的。
我国放射性同位素应用的发展历史也是如此。60年代末，全国几乎所有的省市级医院都开展了放射性同位素的应用研究，个别省市发展到区县级医院。在农业方面，经辐射育成的良种已有数百种，推广面积达数千万亩，产生的经济效益十分可观。在工业方面，放射性同位素的参与，减轻了工人的劳动强度，节省了原材料，提高了产品质量和工作效率，具有巨大的经济效益和社会效益。然而就总体而言，我国放射性同位素应用无论从深度还是广度上看，尚有相当大的差距，目前只相当于发达国家80年代中期水平。
本章主要介绍放射性同位素示踪技术的基本原理及其在物质的鉴别、流速测定、物理和化学中的应用。
第一节 放射性同位素示踪技术基本原理
从“吃剩菜”谈示踪技术
1911年放射性同位素示踪技术的先驱——Hevisi包租了一套住房。几天后他发现女房东老是将上顿没吃完的剩菜改头换面一下，然后当作新菜给他吃，他想发作但又苦无证据。后来他暗中将放射性同位素放入他没吃完的剩菜中，吃饭时他先用仪器测一下。若没有放射性即为新菜，准确度十分高。经过 几次较量，女房东再也不敢给他吃剩菜了。这看起来像是一个笑话，其实这是世界第一个利用放射性同位素进行示踪的实验。
那么什么是放射性同位素示踪技术呢？
先举一个例子，是利用“标记”方法对世界珍贵动物大熊猫的研究，人工捕捉到大熊猫以后，在其身上安放一只小型信号发生器为标记，然后将它放回山里，研究人员利用接收器可以跟踪和寻找它的去向，沿哪条路
行走，以研究其生活习性。同样，对鸟类和鱼类“标记”可研究他们飞（游）向何处过冬或产卵，在何处死亡。水文科学工作者为了寻找地下河道，有时会将颜料放到河水中作为“标记”，根据距离放颜料地点若干公里外地下水流出的水是否掺有颜料，就可以证明两条河的相互关系。
科学家们早就幻想过像标记动物和河水那样标记原子，但有很大的困难。这是因为原子太小，我们不可能缩小几十亿倍变成很小很小的人，使原子和我们就像蜜蜂和我们那样可以看到它，并能对它进行标记。放射性同位素及探测技术的出现，使科学家的幻想成为现实。这种标记原子的方法就是“示踪技术”。通俗的说，示踪技术就是在被研究的样品中加入“示踪剂”（放射性同位素和标记化合物），由于同位素示踪所利用的放射性核素（或稳定性核素）及它们的化合物，与自然界存在的相应普通元素及其化合物之间的化学性质和生物学性质是相同的，只是具有不同的核物理性质，故可以通过测定示踪剂的位置和数量，追踪探测样品内部示踪原子放射性水平的变化及其活动情况来显示被研究样品的运动和变化规律，它能使我们在极复杂和隐蔽的化学和物理过程中来研究运动。放射性同位素示踪具有探测简单、灵敏度高、标记化合物种类较多便于选择的优点，故放射性同位素和标记化合物是标记原子最合适的示踪剂。当然，选择何种放射性同位素和标记化合物作为示踪剂也是十分重要的。它要根据待分析样品的不同（如动物、植物、介质、材料等）选择不同的核素，同时还要考虑这个核素的半衰期、辐射类型和能量、放射性比活度。若对人体或动物实验还要考虑毒性等方面的问题。
放射性同位素示踪技术的特点
（1）特异性。放射性同位素衰变时放出的射线是这类示踪物质特有的性质，它不受系统中其他物质与条件的影响和干扰。
（2）灵敏性。放射性示踪具有较高的灵敏度。目前最精确的化学分析很少能检出10-12 g以下的物质，但核仪器的检测灵敏度可达到10-14～10-15g，有的同位素探测灵敏度甚至可达到10-18g。由此可见，放射性示踪技术灵敏度极高，即使在高稀释度的系统中也可应用。
（3）简便性。放射性示踪不需经过繁杂的分离纯化步骤可直接获得示踪信息。这一特点在工业现场示踪尤其显示出优越性。因为采用发射γ射线的放射性同位素作示踪物质时，核探测器可在容器壁外或管道外探测得到内部示踪物质的信息。
（4）安全性。虽然放射性示踪是一种涉及放射性物质开放操作的活动，但只要严格遵守有关辐射防护规程，可确保人员与环境的安全。
二、研究准备
示踪研究准备包括标记放射性同位素的选择和测量方法（亦即所需同位素的活度测定及人身安全监测计划）的精选。这些步骤不能决然分开，因为它们不是独立的。最后的计划必定是一个研究了所有上述因素后得到的最佳折中方案。
1.示踪同位素的选择
标记用的同位素应适合所研究的过程特性和物质性质。最根本的是，用这种方法研究取决于固有性质（溶解度、吸附、扩散等）的反应机理，代谢过程、物理过程时，化学标记的和不标记的物质应该在化学上是同一的。这种同一性不限于原子序数，还要限制含该同位素的化合物。在这里，
示踪同位素的选择就是在同种元素不同同位素之间进行挑选。决定用哪个同位素，要根据测量的可能性以及保健物理问题，还要考虑经济性。例如，钠化合物的标记可以用放射γ射线的22Na和24Na来进行。就放出的γ量子的频率和它们的可探测性来说，22Na是更优越的，但安全防护规定允许使用25倍的24Na。两个同位素半衰期（24Na：15h；22Na：2.6a）和它们的价格（24Na比22Na贵100倍）之间有根本的不同。为此原因，如果所研究的过程速率容许，就选用24Na，在慢过程（如钠从搪瓷中溶蚀）情况下，应用22Na是合适的。其它一些元素提供同样的可能性，例如，54Mn或55Mn，55Co或60Co，113Sn或121Sn，125I或131I。
对同一化学形式的应用，常常需要制定合成标记化合物的方法或进行已知的合成。
无机物和金属的标记，也可以在反应堆中活化合适的非放射性化合物或金属。如果示踪研究是用被活化的化合物或合金的给定成分来进行，那么被活化的其它同位素就必须在使用前衰变掉，或者其辐射必须具有可被γ谱测定选用的一给定能量。
对于物理标记，也可应用化学性质不同的示踪剂。液体和气体的运动、流量、混合不取决于它们的化学性质，而取决于物理性质（密度、粘度等）；溶解的示踪剂不改变这些性质，因为它们的量小。所用示踪剂应满足以上在这种测量中讨论的要求，因为如果所研究的示踪剂和物质的浓度比是变化的（例如，由于示踪剂的吸附、冷凝、沉淀），那就要得到错误的结果。在 有大量非放射性载体存在的情况下，由于吸附造成的损失可能被减至最小。
对气体、水、水溶液、固体无机物和有机系统推荐的一些示踪剂和它们合适的化学形式一起被概括在表3.2中。
对标记水和水溶液的情况，水溶性的同位素盐（表3.2示出的）是有利的。在比较困难的情况下，例如对标记地下水（其中可能存在相当大吸附能力的矿物质）可以应用强的金属络合物，乳51CrNa2-EDTA（乙二胺四乙酸钠）络合物或60Co－氰络合物。更多的可能性是用氚化水，它是一种好的示踪剂，但它具有两个缺点：它的半衰期长，而且它的探测需要用软β计数器。
固体的运动和混合用它的颗粒大小和形状以及密度来测定。因此，为了这个目的，大多数适合的示踪剂是参与该过程的物质的活化样品。如果
直接活化是不可能的，例如对有机物或（n,γ）反应截面低的元素，那么可以采用表面标记。这可以通过电解，把放射性胶体吸附到颗粒表面上或把微量贵金属（110Agm或198Au）还原到表面上来实现。
应用容易活化的典型物质模拟所研究物质的物理性质不是理想的解决办法，但在某些情况下是可接受的，例如具有与赛璐珞小微丝同一尺寸的活化玻璃纤维可以用在造纸业中，或如，在磨损研究中，60Co铆钉可以被嵌入发动机气缸的磨损表面。
以上例子说明，在物理标记中通常有几种同位素可以得到基本相同的解决方法。鉴于在同位素实验室外使用放射性的严格防护规定，对野外或工业测量，同位素的选择是重要的。如果有几种基本相同的同位素可以使用，那么选择具有下面特点的同位素是合理的：
―――毒性较低，并由于其半衰期小于60d而能以较高浓度被使用； ―――γ辐射，因此可以通过容器壁测量较大的样品；
―――γ辐射强度（γ量子数/衰变）较高；因为在这种情况下具有同一放射性活度的样品给出较大的每单位时间计数。
2．测量准备，同位素需要量的计算
由于放射性衰变的随机特性，示踪剂比活度的增加，不仅提高测量的灵敏度，而且提高它的统计精确度。当然反过来说也是对的，如果确定了给定同位素的测量偏差，那么就不能采用比相应给定值低的活度。提高精确度的最合理方法是应用高比活度。但这受到保健物理规程的限制，特别在工业和野外测量的情况下。代替增加比活度，可以找到这样一种同位素，发展这样一种测量设备，甚至在相对低的活度下也可以保证合适的灵敏度。
在工厂实验中，通常应用γ辐射进行示踪。γ辐射吸收和自吸收损失比β辐射低得多。这种进一步的限制限定了测量设备。因为用闪烁计数器测量δ量子效率最佳，所以闪烁计数器是最广泛用于工厂或野外示踪测量的探测器类型。
下式（3.3）表示计数率I相对（它的常用单位是计数/s）和活度A（国际
单位制单位是衰变/s，单位符号Bq，1Bq＝2.7×10-11Ci）的关系：
I相对＝δηA （3.3）
其中δ――每次衰变放出的γ量子数
η――测量效率
η的值由几个因数确定：
η＝fεG （3.4）
其中f――源本身对γ的自吸收率加上源与探测器之间的吸收和散射， ε――计数效率，即在探测器灵敏度体积中一个光子产生可探测到的相互作用的概率，
G――几何因子，表示进入探测器的辐射与向4π立体角发射的总辐射量之比。
下面的例子有助于找到I相对和A之间的关系。假设用闪烁探测器测量
体积为V的管子的一部分，计数效率为ε，设备的几何因子为G，吸收和散射系数为f，示踪同位素具有活度A和每次衰变发射γ量子数为δ，那么就可估计计数率I相对有多大。放射性浓度为C=A/V MBq/dm3。根据式（3.3）
和（3.4）有
I相对＝6×107cVδfεG 脉冲/min （3.5）
I相对＝6×107AδfεG 脉冲/min （3.6）
要求的意图是显而易见的;c和A应保持在低值情况下，确定I相对值的其它一切因数应该在计数率尽可能高的范围内选择。但这将产生非常复杂的问题。
δ、f和ε是独立的；所有这三个值都密切地与示踪同位素的性质相联系；δ是由同位素的衰变纲图确定的，随着γ量子能量的增加，f上升而ε降低。
――V值的增加不能超过一定的极限，因为这涉及到f和G二者的降低。
――通过改变样品对探测器的相对位置，可以改善G值，但这也涉及到f的变化。
考虑到这些因素，在保证预先规定的准确度条件下给定的I相对，可以部
分通过选择对探测有利的同位素（增加δ、f和
ε），和部分通过保证有利的几何条件（增加G
值）获得。V值应根据研究目的和其它可能因素
来调节。如果这些都不加任何限制，通常体积的
增加虽然使f和G同时增加，但对获得较高计数
率是有利的。
即使V，δ、f、ε和G值都选择在最佳状态，也可能出现这种情况：给定测量准确度所需要的最小I相对计数率，只有在高的放射性浓度C下才
能获得，而这不符合安全操作，而且可能是危险的。在这种情况下该示踪
研究必须放弃――在初步计算或初步实验室实验的基础上――应该用另一
种方法如随后活化来解决问题。
δ、f的值和测定f的吸收系数值可以在不同手册中找到。
下面用几个简单的例子说明几何因子G的计算。
在点源的情况下，令源离半径为R的探测器窗口的距离是l，令源和灵敏体积之间的距离为r＝l+m。进入探测器的辐射与发射出的总辐射之比应该是相应的球帽罩与总球体面积（图3.1）之比：
（3.7）
对线源（例如充满比活度均匀的液体的薄管），图3.3给出了说明。如果源长度为2L，由单位源长发射的γ量子数为n，探测器半径为R，那么到达探测器表面的γ量子数（n’）应是：
（3.8）
而几何效率将是：
（3.9）
图3.3 线源
对于井形闪烁晶体（图3.4），根据在每个方向上发出的辐射进行计算；向下辐射部分也通过晶体，并且可能与晶体相互作用。向上辐射的部分由
RL来测量，并且可以根据式（3.7）进行计算，尽管在任何探测情况下总有一部分辐射损失掉。
假设有个小试管源，半径RK，高L，每cm3和单位时间发射的γ量子数n，用放射性液体将它充满到刻度线L-b，将此源装入半径为RL的空穴内，那么穿过晶体的γ量子数（n’）将是：
几何效率如下：
（3.11）
对于计数率ε，是有公式进行直接计算的，但是它的直接计算方程式很困难求出，所以并不适合直接计算。但有曲线图可用于所谓总效率，即εG乘积。用计算机计算了这些结果，同时也考虑到诸如晶体大小、源和晶体之间的距离等参数，从而给出εG乘积与辐射能量的函数关系。上述的曲线图可以由几种手册中查到。
通过以上计算，就可以用式（3.5）求出I相对，或者对于一定的可I相对计算出所需要的放射性浓度。工厂和野外实验证明，这些数据提供了有用
的资料，但由于个别因数估计中的误差，它们不能被看做优于工艺计算，如果就保健物理而论，这种计算有意义的话，这是特别重要的，并且必须加以认真考虑。（放射性同位素的工业应用105页）
例题3.1
为了证明放射性示踪技术的灵敏度，让我们来计算下列条件下所需的放射性物质的量m（以mol表示）；放射性物质的半衰期t1/2（以min表示），计数率I相对＝40脉冲/min，β辐射用GM计数管测量并且计数效率为4%。
每分钟衰变数为：
样品中的放射性原子数（n）可根据衰变常数（λ）或半衰期（t1/2）进行计算：
以摩尔表示的示踪剂的量为：
对半衰期t1/2＝1h、1d、1月、1a和10a的虚拟同位素进行了计算，结果概括在表3.3中。
表3.3用4%的GM计数管测量β辐射时，可在40脉冲/min的计数率下探测出的同位素量
三、辐射加工
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。
辐射物理过程涉及在α，β，γ及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(例如形成缺陷构造)。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。
辐射生物学涉及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。被用于农业、食品工业以及药物和医疗器械(消毒)。
辐射化学是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。
辐射化学工业化应用的可能性在50年代曾有争议，但随着高分子辐射化学的发展，到70年代一个新兴工业领域----辐射加工逐渐形成。辐射加工是利用电离辐射作用于物质使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、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；
• 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。
辐射加工工业在60-70年代发展很快，据估计，目前辐射加工全球产值已超过100亿美元，并以10—15％的速度发展，并且美国、日本、前苏联处领先地位，美国Raychem公司以生产、销售辐射产品为主，它始创于1957年，1988年年产值为7亿美元，1995年增至17亿美元，已在45个国家设立分公司，拥有约8500名职工，成为美国300家大型企业之一。
50年代来，我国辐射化学研究已有一定基础，高分子辐射化学研究也有一批令人瞩目的成果，改革开放以后我国辐射化学与辐射加工艺也有较快发展，相关机构、院校、厂家、中心等已达100多家，从队业人员近2000人，1995年产值约9亿元人民币。
热收缩材料，电线电缆等10余种辐射加工产品和土豆、洋葱等8种辐照食品已开发并投放市场，开始获得可观的经济效益。可以说，一个新兴的辐射加工产业在我国已初具规模，前景很好。
辐射加工技术与常规方法相比其最大的优点就是节能和环境保护，这对经常发生能源危机和经受环境污染困扰的现代工业社会无疑是很值得欢
迎的新技术。
1、高分子材料的辐射聚合
辐射聚合与常规的化学加工方法引发聚合相比，有以下几个优点 ：
①所得聚合体的纯度高，不存在引发剂、催化剂代入的杂质。 ②聚合能够均匀进行，因为射线穿透性强，这避免了聚合时的过热现象和不均匀反应 。
③辐射聚合可在低温下进行 。
④聚合条件可以随辐射源和聚合系统的条件广泛地变化，控制分子量分布比较容易。
⑤应用面广。它不但可以用于单体的本体聚合、共聚合，而且也能用于复合材料的制备、涂料的固化等。
用 途
丙烯酰胺（AM）是一种性能优异、用途广泛、经济意义很大的高分子材料。它可以作为絮凝剂、增稠剂、减阻剂等，广泛用于石油、煤炭、冶金、造纸、制糖、制药、纺织等领域。我国在六十年代用化学聚合法进行生产，产品是固含量为9%的凝胶体，但在包装、运输、贮藏及使用上还存在一些问题。因此，需要先进的生产工艺来制得粉末状PAM。 γ辐射引发聚合PAM的方法有以下三种。
①把丙烯酰胺（AM）晶体加入NaOH水溶液中，加热溶解进行反应、冷至室温，可得固体反应物。在反应器中通过纯氮出去氧之后，用钴－60γ射线辐照，则得固体PAM。
②把AM溶液经离子交换除去其中杂质后，加入添加剂在空气保护下减压浓缩，配成所需浓度，通氮气除去氧后，用钴－60γ射线辐照，则得胶状PAM，然后切片、干燥、粉碎
③采用氯仿、四氯化碳或无水乙醇为溶剂，进行辐射聚合，能直接得到无定型粉末的聚合体，水溶速度相当快。
辐射聚合制备的PAM已在我国实际应用，效果很好。例如，某油田钻井中应用后，钻井速度提高25%-35%，节约重晶石1/3-1/4，并能防止卡钻和井壁倒塌等事故的发生。此外，由于PAM遇水膨胀，遇油不膨胀，故可用于油井堵水。PAM在选矿和废水处理中作絮凝剂，在造纸中作增强剂，纺织中作浆剂，在舰艇上作减阻剂都很好。
2、复合材料的辐射制备
塑料－木材、塑料－玻璃纤维、塑料－混凝土、塑料－无机物粉末（如石膏、亚硫酸氰）、塑料－金属等复合材料，在使用性能上具有很多优点，因此发展很快。
采用辐射法制备复合材料时，射线在引发单体本身聚合的同时，也产生接枝共聚，使两种材料之间的化学键相互联结，因而性能优异。
塑料－木材复合。将原木加工成板、条、块，放进浸渍罐内，用真空泵减压至660mmHg，除去木材微孔内的空气，然后用高压氮气把塑料单体压入木材微孔。浸渍完成后，排去罐内剩余的单体，然后移进辐射场进行辐照，同时散热（若在辐射源水井中辐照，则井水可散热）。完成辐射后，再冷却、打磨、抛光。这种材料的硬度、耐磨性、压缩强度、弯曲强度、耐火性、吸潮速度、抗霉耐蚀性、耐酸碱性、热稳定性等均大为改善，而
且美丽悦目，适用于高级建筑和家具、用具。
塑料－混凝土。将混凝土预制件中的水分、空气抽走后，把单体压入预制件中，用化学引发剂或辐射 均可引发单体聚合，制备塑料－混凝土复合材料。用辐射法制备这种复合材料，可在低温狭隘进行，两种材料的化学键结合得好，产品机械强度比化学法高10-30%。这种材料的抗压缩、抗弯曲、抗冻化、抗冲击、抗腐蚀等性能指标比混凝土高两倍以上，是高级建筑材料。
3、辐射交联聚乙烯热收缩材料
聚乙烯经电子辐照交联后，除了提高机械强度和使用温度之外，最重要的是产品记忆效应。所谓记忆效应，是指结晶型聚合物，在其结晶熔融温度以上具有一定强度而呈弹性者，在其熔点或更高温度条件下施加外力（如拉伸吹胀）产生形变；在外力存在下使形成试样冷却、结晶，让形变固定下来；以后，当无外力作用，而又加热到熔融温度以上，则试样恢复原始状态，形变消失。利用这一特性，可制备热收缩薄膜和热收缩管。
辐射交联聚乙烯热收缩薄膜广泛用于绕包电缆接头，潜水电机主绝缘层等。热收缩管则用作电线，电缆接头的护套，电子元件的包覆材料。这种护套和包覆材料，防潮、防腐、美观。我国长春应用化学所、吉林辐射化学所、上海科技大学、成都电缆厂和四川大学等单位研制的热收缩薄膜和热收缩管都已实际应用。
国产2MeV电子静电加速器即可用于此项辐射加工。
4、辐射接枝
在辐照作用下，把单体接枝到聚合物上，谓之辐射接枝。通过辐射接枝
已制备上百种有意义的材料，其中一些是工业规模的。
如棉纤维辐射接枝改性。棉纤维具有吸湿性、容易染色、手感好等优良性能，但易皱、易腐烂。美国、埃及、印度等产棉大国作了许多研究，取得相当成果。例如，在棉纤维上辐射接枝N－羟甲基丙烯酰胺，达到不皱、永久挺括的效果。把8%的丙烯腈接枝到棉纤维上，大大提高抗霉菌腐烂的能力：埋在土中100天无任何变化，而未经辐射接枝的，15天就腐烂了。把甲基丙烯酸甲酯接枝到纤维上，使之斥水并增加韧性。
此外，对羊毛、蚕丝。纸张等也作过辐射接枝研究。
又如羊皮辐射接枝改性。四川省原子核应用技术研究所和成都科技大学，开展辐射引发皮胶原与丙烯酸及其酯类单体接枝改性研究，取得成果，大大改善了羊皮质量，并有显著的径迹效益。
5、辐射裂解
辐射交联和辐射接枝都是辐射聚合，使分子量增大、改变分子结构，达到改性的目的。辐射裂解则是使分子量减小，破坏分子结构，达到改性的目的。裂解也称降解，辐射裂解也叫辐解。下面举例来说明辐解的作用。 辐解废聚四氟乙烯。聚四氟乙烯是性能优异的工程塑料，用量很大。每年需要回收处理、利用的废聚四氟乙烯，多达几千吨。出于它的机械强度好，所以机械粉碎十分困难。由于它的耐热性好，加热到400℃以上也要足够长时间才开始裂解，而且还放出大量含烯的毒气，所以，加热裂解和焚烧处理都不好。由于它耐酸碱，也没有一种溶剂和微生物能使它分解，所以非常难办。研究表明，聚四氟乙烯是一种辐射裂解的塑料。经辐射裂解后，聚四氟乙烯废料可以制成高级润滑剂、脱模剂、抗静电剂、耐化学腐
蚀剂，变废为宝了。
在室温下空气中照射，效果很好；在辐解过程中，每公斤废料产生10毫升裂解气体，主要是CO2、CO及少量CF2O，也需要妥善处理。办法是，在辐照容器中放置浸有NaOH水溶液的棉球，吸收含氟气体。
此外，辐射处理工业废水，如印染废水、造纸废水，也是一种辐射降解过程，使其达到废水排放的国家标准，可入河流、可灌农田。
第二节 物质的鉴别和探伤以及流速测定
物质的鉴别和探伤
大部分工业示踪应用的目的是得到物质品质方面的资料。这样的工作可能是鉴别物质或物体，测定它们的位置，确定它们的存在或不存在、跟踪它们的运动，或发现破损和泄漏。
一、物质的鉴别及其运动的跟踪
特殊用途或特殊性质的产品可用放射性同位素标记，以便于它们的鉴别或识别。例如，用于核反应堆热交换器的特殊不锈钢合金管可用182Ta或192Ir进行标记，其比活度约为40MBq/t。机器零件或钢绞线封闭接合的状态，可在它们的焊接期间通过含有192Ir的焊接电极进行标记。
所谓的堵塞检查器用来清洁石油和气体管道，如果它们只用于区分两种不同的液体，那么它们就叫做菲利普斯电离计。特别是在 焊接不完好的新管道中，或在形成许多沉淀之后，堵塞检查器可能被阻塞，因而它们的研究就成为麻烦而代价高的事。然而如果在设备被阻塞之后用60Co同位素标记的堵塞检查器进行工作，那么就可在沿管道的探测位置上观察到它的通过，这样就可定出设备阻塞的界限，在地表面用灵敏的辐射探测器测量
出关键部分，它的确切位置也可以被确定。由于管道通常埋在地表面以下约1－1.5m深，因此所需60Co活度大约为7－20GBq。
高炉耐火衬里的破损可以通过将源（如60Co源）装入衬里不同深度适当的地方来检验。通过判别源的隐现可以指出，当炉衬薄到威胁工厂的安全时，那就是该翻修高炉的时候了。其它派生的方法就是检查铸铁或铁渣的放射性，放射性的出现就表明，破损达到了嵌置在炉衬中的辐射源。只有在不同深度嵌置不同类型同位素时，这后一方法才能得出破损程度的结论。这些可以通过测量γ谱来判断。
河流和海洋里的泥沙和砂浆运动也可以用放射性示踪剂跟踪。这方面可以应用的示踪剂是含有大约5%比活度为1.5GBq/g的46Sc2O3（三氧化二钪）的玻璃粉末。示踪剂的散布可由小舟拖引的探测器跟随。这样就可以确定泥沙的来源。
例题3.3
特殊合金制成的特种钢管，可以用放射性同位素标记，以便有助于后来鉴定。所选的同位素是192Ir，它的半衰期t1/2＝74.2d，测量条件是给定的。目的是计算加到10t铁锭中所需要的192Ir活度，以确保t＝1a之后仍有99.99%的鉴定概率。
所需活度可由式（3.3）和（3.4）计算：
（3.17）
按照图3.3（线源示意图）绘出的装置测定计数率，用2.5×2.5cm的NaI晶体，本底为2000脉冲/min，实验进行30s。式（3.9）可用来确定装置的几何因子。
计算G所需要的数据如下：R=1.25cm，2L=20cm以及l＝5cm。
计算A所需要的系数数值如下：δ＝2.5（由192Ir的衰变图而来），f＝1，ε＝0.55（对给定的闪烁计数器，根据刻度定），G＝8.65×10-5
99.99%的概率意味着，净计数率（扣除本底之后）至少应比标准偏差高4倍。对2000脉冲/min的本底和30s长的测量时间，计算公式可表示如下：
现在我们具有计算A所需要的每一个数据的数值，
活度A是外径2cm、壁厚1mm、20cm长一段管子的总活度。已知铁的密度（7800kg/m3＝7.8g/cm3），我们可以算出活度测量时所需要的合金比活度a：
一年前，即在刚标记的瞬间，比活度a0为：
这样，为了能够在一年后以99.99%的概率鉴别出铁锭作的管子，10t铁锭要用2.2GBq（60mCi）的192Ir来标记。
二、破裂和泄漏的探测
在原理上，用放射性示踪剂进行气体管道破裂的探测是没有问题的，但从实践的观点看，这仍是非常困难的工作。如果将气态同位素引入几百或几千立方米体积的气体中，即使很小的泄漏也可能引起大量放射性气体不可控制的逸散。这样，此法只限制在小体积系统中应用。
一个典型的应用场合是探测充氮高压电缆的泄漏。较早期应用镭的衰变产物氡作为示踪剂，并测量了它的固体子体元素的活度。85Kr也可以很好地用作示踪剂。
充气电话电缆的泄漏也能探测。地下电缆通常置于诸如陶瓷的管子里，为的是防止它们被腐蚀以及便于故障部分的撤换。比如可以用82Br标记的溴乙烷来进行检测。包围电缆的陶瓷管中的空气，连续不断地通过活性炭过滤器被吸收。被检验的电缆与含有标记过的溴乙烷的压力容器相接。如果有泄漏，放射性蒸汽就进入陶瓷管并进而进入过滤器，活性炭吸附溴化物效率高，因此放射性溴化物在此出现就可以被探测。随后对管子每部分逐段进行检验，就完全可以发现泄漏的地方。
液体管道和贮槽的破裂和泄漏，可通过标记其中的液体进行检测，这样就可节省一部分由于拆卸整个系统而付出的大量费用。
例如，用放射性钠或放射性碘来检查水道的泄漏情况。将含有24Na的水，流经检查的水管，然后用普通水将水管冲洗干净，再用计数管沿水管探测，在水管漏的地方，因放射性已渗入地下，所以很容易就可以找到它（如图所示）。此法的特点：①无需把大部分地面剖开；②用费较少，且便利；③半衰期较短，残余放射性较弱。
利用放射性钠－24检查水道漏洞
又如，如果内部具有沥青涂层的混凝土槽发生破裂，那么在容器外表面出现液体之前，通过沥青涂层泄漏的液体相当之多。因此表面滴漏的位置给不出关于沥青涂层破裂位置的确切信息。如果用示踪技术解决这一个问题，混凝土槽就用水充满，并将24Na标记的碳酸氢钠大约100MBq（3mci）剂量溶于其中。使溶液在槽内过一整夜后，将槽放空，并用强大水流喷射器冲洗内壁，以便清除吸附的24Na，然后灵敏的探测器可以跟踪沥青涂层下面放射性溶液的路径，如此就可以明显地确定出破裂的位置。 流速测定
放射性示踪剂常常用来测定气体、液体和用气力或水力输送的固体之流速。由于该法首先应用于示踪液体流，所以我们后来的讨论直到有关定量研究都将与标记的液体物质流有关，但此法稍加改变也可推广应用到气体 和测定固体物质流速。
用示踪剂测定流速的原理如下：将示踪剂脉冲式或连续式注入液体流，在距注入部位不同距离测量液体的活度变化，进而确定流速。选择混合距离时要使示踪剂在那个距离内与液体完全混合，也就是说活度分布的相对标准偏差应不超过2-5%。混合距离用相对比值L/D表示，此处L表示注入部位和测量部位之间的距离，D是管子直径。混合距离是液体流动特性（雷诺数）和示踪剂注入方法的函数。
下面学习下示踪剂测定流速的两种注入方式。
一、脉冲式示踪剂注入：是把具有活度A的示踪剂，在t＝0时刻注入到流动液体中去。遍及整个截面均匀分布的放射性同位素，以与液体相同的速度流动，但由于轴向的混合，它在所研究介质中散布的体积越来越大。距注入部位越远的测量点，探测器前示踪剂通过的脉冲状就越差。在图4.3.2中说明了这种情况。
增加距注入点的距离时测量的放射性浓度与时间的关系
如果几台探测器在距注入点不同距离上，以便测量放射性浓度（c），那么脉冲将随着轴向混合的增加而在时间上越来越扩散。如果没有活度损失，那么峰面积彼此相等，这样可以得到体积流量（uv）使用的方程：
uv=A
⎰∞=Irel
0c(t)dt⎰∞0i(t)dt
3Irel（脉冲/min）和i(t)(脉冲/min.cm)
那么，公式中积分的计算又由于技术不同而不同。脉冲式注入方法可根据下面这些技术分类：
取样技术：在检测点以短时间的时间间隔取几个相邻的样品，根据他们的放射性浓度建立i(t)函数。该函数用图解法积分。取一等分示踪剂样品，在和确定i(t)相同的测量条件下测定Irel。
全样技术：在放射性示踪剂流动期间，系统以vvm
体；收集液体样品并测定它的放射性浓度（表示为脉冲/min.cm3），得到的是一个积分平均值i，由此可计算出 -
⎰t2
t1i(t)dt=i(t2-t1) 故： uv=-I相对- i(t2-t1)
t1和t2分别是最初和最终排出液体的时刻。
总计数技术：如果介质经过管道流动，则与安装在管道上的探测器相连的脉冲计数器可用作积分器，如果注入的总放射性活度较大且流速较小，那么记录的计数n就较高。
n=AQuv
AQ n如果测得n，那么就可计算uv： uv=
二、连续示踪剂注入
这个方法就是把放射性浓度cj的示踪剂以体积速度Vv,j连续地输入到具有体积流速Vv和放射性浓度c0的被测液流中去。在完全混合所需要的距离上测得放射性浓度cv的。除了再循环系统外，通常c0值为零。另一方面，cj>>cv，这样
uv=uv,j(cj
cv-1)=uv,jcjcv
三、应用实例
放射性示踪技术，正如它在广泛应用中所证明的那样，特别适用于对液体流速的测量。总计数技术可以确定石油精炼厂冷却水的需要量。可用连续示踪技术研究热电厂的冷却水消耗量，涡轮机的水需要量。工厂污水排出管的检查，在某些情况下需要连续示踪技术结合脉冲速度法的测量进行，在另外一些情况下，全样技术是有利的。该法不限于水溶液，如果又提供
具有适当溶解度的示踪剂，则它们很适合测定石油或其它有机液体的流速。 如果液体不完全充满管子的横截面或液流在敞开的系统中流动，在该系统中液流横截面在很大范围内波动，那么放射性示踪技术就差不多是测定流率和速度的唯一方法。这是测量河流、小溪、山洞水和污水管道或在地表沟渠中流动的灌溉水的情况。
放射性同位素已经成为用于研究地表水、地下水系统的示踪剂染料或盐溶液的竞争者，其优点是放射性同位素的探测灵敏度极高。
下面讲一个具体的用放射性同位素示踪技术测定流速的例子。
题目：应用放射性同位素示踪法研究地下水的实验
1 实验方法及仪器
应用江苏省农科院原子能所研制的核萤地下水流向流速仪。在单井测定各含水层流向、流速，在均衡场中进行试验。
1.1仪器的构造
NF-1型核型地下水流向流速仪的结构如图1所示。它是由重锤， 内筒， 洗耳球、Ic、TLD、涂萤光索的指南针等部分组成。
1．2 基本原理
仪器的基本原理及过程如下：示踪同位素在洗耳球中， 将探头投放到井中测量位置， 然后将重锤沿绳投下落在探头的活动内筒上。洗耳球受到重锤压力产生的形变将同位素由1 2个喷源孔均匀喷出，在井中均匀与水混台稀释， 随水流一起运动，此时示踪剂的运动便可认为是代表了水的运动， 根据示踪原理和稀释原理，根据探头中各处的浓度(同位素活度)变化量来确定地下水的流向、流速。
1．3 探测与定位的方法
NF-I型核萤地下水流向流速仪采用12组探测元件对称排列同时探测1 2个方向上的浓度变化积分值。1 2组探测器中有6支IC和6组TLD。两种探测器交错排列，IC与TLD 相邻夹角为30度。IC与TLD 都是测量累积照射量的积分型探测器，不用后接电子仪器及电缆传输部分， 从而大大简化了探头。
定位采用萤光照相定位法。它是由有机玻璃制成的透明盒。该盒装在探头的底部，盒内装有一个指南针，在磁北针端上和暗盒座标参考点上涂有萤光素。 测量前只要将相纸紧帖在有机玻璃盒面上，探头稳定后，经过l小时以上的测量，北极与参考点的萤光就会对相纸曝光而产生感光点。相纸取出冲洗后，基准方位便被准确记录在相纸上。
1．4 测流速原理
根据稀释定理， 井水中示踪浓度的变化与井中流速ve有如下关系：
式中：C。为初始浓度值；K1为稀释因子。
通过对井中同位素活度变化的的累积测量可导出总照射量xi与vc之间
的函数关系，在柱座标下建立微分方程并求解得到下式：
式中：K 为待定系数：n为探测器数：h为示踪剂充满井柱的半高；R为井半径：Jr为投放同位素活度。
1．5 特点及主要技术指标
适用井径：63-200毫米；
测量深度： 大于500米；
工作环境： 井水温度0—60℃ ；
井中测量时间： I小时以上(与流速有关)；
同位素I-131用量： 每次0.2-2毫居(与流速、井径有关)：
流向精度：不大于±10°；
适用于流速范围(仅适用于测流向)： 0．03-300米／ 日；
仪器重量：12公斤。
2 试验
整个试验区为开口的盆地。从钻孔揭露初步划分，地下有三层主要含水层，埋深分别为2．5-10米，34-75米， 130-160米。10m以下为深水层。
对试验区内10几口井进行了同位素单孔示踪试验，共取到29个数据，其中25个数据比较理想，这里拿出其中一口井的数据进行分析，其测试结果，浅层水向北西方向流，流速5米／天，深层水向北，流速4米／天。
这是在水文地质方面的应用。
对于固体物质的流速，除了应用放射性示踪剂之外，几乎没有其它方法。 可以用这个方法测量水泥厂转窑中物质的流速，一般用140La同位素。在给定研究中，通过用探测器沿窑测量示踪剂就可以发现，在炉子的前30m物质流是非常慢的，这大概是由于在这里设置的链条引起的减速。成粒作用是这部分的特点，作为此过程的结果，沿炉较远部分（约90m）流速加倍。在炉的最后部分，物质流又减慢，这可能是由形成的熔块聚集物被软化所致。
第三章 放射性同位素示踪技术
应用核技术是对同位素以及电离辐射与物质相互作用所产生的物理、化学和生物效应进行应用研究与开发，因此其基础与基本手段就是同位素和电离辐射。
放射性同位素在工业、农业、医学、生物学以及其他血多科学领域中都有相当广泛的应用。最早的应用可追溯到1898年居里夫人发现镭放射性同位素以后不久。那时，镭就已在灭菌消毒、治疗某些疾病方面初露锋芒。
随着人工放射性同位素品种的不断出现，放射性同位素在诊断和治疗疾病，人体器官扫描造影和科学研究方面起到越来越重要的作用，目前已成为医学中不可缺少的现代方法。除了医学之外，放射性同位素在工业、农业、国防、建筑、交通、宇航甚至日常生活中也非常有用。根据其应用方式可分为三种。第一，它可作为示踪原子应用于各个学科；第二，它可作为辐射源去透视各种X射线不能透视的材料内部的特征和缺陷，并制成自动检查和测量仪器；第三，它可作为核能源和核监测仪器。如核能电池、火灾报警器等。目前放射性同位素已深入到各个科学技术领域，可以毫不夸张地说，放射性同位素与人类的生产、生活息息相关。
早在60年代，前苏联和美国等国家的放射性同位素应用产生的经济效益即已构成国民经济总收入的0.1-0.3%。到了80年代已达到0.5%。目前，西方发达国家每两个人就医，就有一个人要求助于核医学，放射性同位素在医学中已誉为“活体原子显微镜”。在工业生产中放射性同位素的应用也已占相当的比重。例如，世界上90%以上的电线电缆是经辐照加工处理过的；全世界石油总产量的三分之一是利用放射性测井勘探的。
我国放射性同位素应用的发展历史也是如此。60年代末，全国几乎所有的省市级医院都开展了放射性同位素的应用研究，个别省市发展到区县级医院。在农业方面，经辐射育成的良种已有数百种，推广面积达数千万亩，产生的经济效益十分可观。在工业方面，放射性同位素的参与，减轻了工人的劳动强度，节省了原材料，提高了产品质量和工作效率，具有巨大的经济效益和社会效益。然而就总体而言，我国放射性同位素应用无论从深度还是广度上看，尚有相当大的差距，目前只相当于发达国家80年代中期水平。
本章主要介绍放射性同位素示踪技术的基本原理及其在物质的鉴别、流速测定、物理和化学中的应用。
第一节 放射性同位素示踪技术基本原理
从“吃剩菜”谈示踪技术
1911年放射性同位素示踪技术的先驱——Hevisi包租了一套住房。几天后他发现女房东老是将上顿没吃完的剩菜改头换面一下，然后当作新菜给他吃，他想发作但又苦无证据。后来他暗中将放射性同位素放入他没吃完的剩菜中，吃饭时他先用仪器测一下。若没有放射性即为新菜，准确度十分高。经过 几次较量，女房东再也不敢给他吃剩菜了。这看起来像是一个笑话，其实这是世界第一个利用放射性同位素进行示踪的实验。
那么什么是放射性同位素示踪技术呢？
先举一个例子，是利用“标记”方法对世界珍贵动物大熊猫的研究，人工捕捉到大熊猫以后，在其身上安放一只小型信号发生器为标记，然后将它放回山里，研究人员利用接收器可以跟踪和寻找它的去向，沿哪条路
行走，以研究其生活习性。同样，对鸟类和鱼类“标记”可研究他们飞（游）向何处过冬或产卵，在何处死亡。水文科学工作者为了寻找地下河道，有时会将颜料放到河水中作为“标记”，根据距离放颜料地点若干公里外地下水流出的水是否掺有颜料，就可以证明两条河的相互关系。
科学家们早就幻想过像标记动物和河水那样标记原子，但有很大的困难。这是因为原子太小，我们不可能缩小几十亿倍变成很小很小的人，使原子和我们就像蜜蜂和我们那样可以看到它，并能对它进行标记。放射性同位素及探测技术的出现，使科学家的幻想成为现实。这种标记原子的方法就是“示踪技术”。通俗的说，示踪技术就是在被研究的样品中加入“示踪剂”（放射性同位素和标记化合物），由于同位素示踪所利用的放射性核素（或稳定性核素）及它们的化合物，与自然界存在的相应普通元素及其化合物之间的化学性质和生物学性质是相同的，只是具有不同的核物理性质，故可以通过测定示踪剂的位置和数量，追踪探测样品内部示踪原子放射性水平的变化及其活动情况来显示被研究样品的运动和变化规律，它能使我们在极复杂和隐蔽的化学和物理过程中来研究运动。放射性同位素示踪具有探测简单、灵敏度高、标记化合物种类较多便于选择的优点，故放射性同位素和标记化合物是标记原子最合适的示踪剂。当然，选择何种放射性同位素和标记化合物作为示踪剂也是十分重要的。它要根据待分析样品的不同（如动物、植物、介质、材料等）选择不同的核素，同时还要考虑这个核素的半衰期、辐射类型和能量、放射性比活度。若对人体或动物实验还要考虑毒性等方面的问题。
放射性同位素示踪技术的特点
（1）特异性。放射性同位素衰变时放出的射线是这类示踪物质特有的性质，它不受系统中其他物质与条件的影响和干扰。
（2）灵敏性。放射性示踪具有较高的灵敏度。目前最精确的化学分析很少能检出10-12 g以下的物质，但核仪器的检测灵敏度可达到10-14～10-15g，有的同位素探测灵敏度甚至可达到10-18g。由此可见，放射性示踪技术灵敏度极高，即使在高稀释度的系统中也可应用。
（3）简便性。放射性示踪不需经过繁杂的分离纯化步骤可直接获得示踪信息。这一特点在工业现场示踪尤其显示出优越性。因为采用发射γ射线的放射性同位素作示踪物质时，核探测器可在容器壁外或管道外探测得到内部示踪物质的信息。
（4）安全性。虽然放射性示踪是一种涉及放射性物质开放操作的活动，但只要严格遵守有关辐射防护规程，可确保人员与环境的安全。
二、研究准备
示踪研究准备包括标记放射性同位素的选择和测量方法（亦即所需同位素的活度测定及人身安全监测计划）的精选。这些步骤不能决然分开，因为它们不是独立的。最后的计划必定是一个研究了所有上述因素后得到的最佳折中方案。
1.示踪同位素的选择
标记用的同位素应适合所研究的过程特性和物质性质。最根本的是，用这种方法研究取决于固有性质（溶解度、吸附、扩散等）的反应机理，代谢过程、物理过程时，化学标记的和不标记的物质应该在化学上是同一的。这种同一性不限于原子序数，还要限制含该同位素的化合物。在这里，
示踪同位素的选择就是在同种元素不同同位素之间进行挑选。决定用哪个同位素，要根据测量的可能性以及保健物理问题，还要考虑经济性。例如，钠化合物的标记可以用放射γ射线的22Na和24Na来进行。就放出的γ量子的频率和它们的可探测性来说，22Na是更优越的，但安全防护规定允许使用25倍的24Na。两个同位素半衰期（24Na：15h；22Na：2.6a）和它们的价格（24Na比22Na贵100倍）之间有根本的不同。为此原因，如果所研究的过程速率容许，就选用24Na，在慢过程（如钠从搪瓷中溶蚀）情况下，应用22Na是合适的。其它一些元素提供同样的可能性，例如，54Mn或55Mn，55Co或60Co，113Sn或121Sn，125I或131I。
对同一化学形式的应用，常常需要制定合成标记化合物的方法或进行已知的合成。
无机物和金属的标记，也可以在反应堆中活化合适的非放射性化合物或金属。如果示踪研究是用被活化的化合物或合金的给定成分来进行，那么被活化的其它同位素就必须在使用前衰变掉，或者其辐射必须具有可被γ谱测定选用的一给定能量。
对于物理标记，也可应用化学性质不同的示踪剂。液体和气体的运动、流量、混合不取决于它们的化学性质，而取决于物理性质（密度、粘度等）；溶解的示踪剂不改变这些性质，因为它们的量小。所用示踪剂应满足以上在这种测量中讨论的要求，因为如果所研究的示踪剂和物质的浓度比是变化的（例如，由于示踪剂的吸附、冷凝、沉淀），那就要得到错误的结果。在 有大量非放射性载体存在的情况下，由于吸附造成的损失可能被减至最小。
对气体、水、水溶液、固体无机物和有机系统推荐的一些示踪剂和它们合适的化学形式一起被概括在表3.2中。
对标记水和水溶液的情况，水溶性的同位素盐（表3.2示出的）是有利的。在比较困难的情况下，例如对标记地下水（其中可能存在相当大吸附能力的矿物质）可以应用强的金属络合物，乳51CrNa2-EDTA（乙二胺四乙酸钠）络合物或60Co－氰络合物。更多的可能性是用氚化水，它是一种好的示踪剂，但它具有两个缺点：它的半衰期长，而且它的探测需要用软β计数器。
固体的运动和混合用它的颗粒大小和形状以及密度来测定。因此，为了这个目的，大多数适合的示踪剂是参与该过程的物质的活化样品。如果
直接活化是不可能的，例如对有机物或（n,γ）反应截面低的元素，那么可以采用表面标记。这可以通过电解，把放射性胶体吸附到颗粒表面上或把微量贵金属（110Agm或198Au）还原到表面上来实现。
应用容易活化的典型物质模拟所研究物质的物理性质不是理想的解决办法，但在某些情况下是可接受的，例如具有与赛璐珞小微丝同一尺寸的活化玻璃纤维可以用在造纸业中，或如，在磨损研究中，60Co铆钉可以被嵌入发动机气缸的磨损表面。
以上例子说明，在物理标记中通常有几种同位素可以得到基本相同的解决方法。鉴于在同位素实验室外使用放射性的严格防护规定，对野外或工业测量，同位素的选择是重要的。如果有几种基本相同的同位素可以使用，那么选择具有下面特点的同位素是合理的：
―――毒性较低，并由于其半衰期小于60d而能以较高浓度被使用； ―――γ辐射，因此可以通过容器壁测量较大的样品；
―――γ辐射强度（γ量子数/衰变）较高；因为在这种情况下具有同一放射性活度的样品给出较大的每单位时间计数。
2．测量准备，同位素需要量的计算
由于放射性衰变的随机特性，示踪剂比活度的增加，不仅提高测量的灵敏度，而且提高它的统计精确度。当然反过来说也是对的，如果确定了给定同位素的测量偏差，那么就不能采用比相应给定值低的活度。提高精确度的最合理方法是应用高比活度。但这受到保健物理规程的限制，特别在工业和野外测量的情况下。代替增加比活度，可以找到这样一种同位素，发展这样一种测量设备，甚至在相对低的活度下也可以保证合适的灵敏度。
在工厂实验中，通常应用γ辐射进行示踪。γ辐射吸收和自吸收损失比β辐射低得多。这种进一步的限制限定了测量设备。因为用闪烁计数器测量δ量子效率最佳，所以闪烁计数器是最广泛用于工厂或野外示踪测量的探测器类型。
下式（3.3）表示计数率I相对（它的常用单位是计数/s）和活度A（国际
单位制单位是衰变/s，单位符号Bq，1Bq＝2.7×10-11Ci）的关系：
I相对＝δηA （3.3）
其中δ――每次衰变放出的γ量子数
η――测量效率
η的值由几个因数确定：
η＝fεG （3.4）
其中f――源本身对γ的自吸收率加上源与探测器之间的吸收和散射， ε――计数效率，即在探测器灵敏度体积中一个光子产生可探测到的相互作用的概率，
G――几何因子，表示进入探测器的辐射与向4π立体角发射的总辐射量之比。
下面的例子有助于找到I相对和A之间的关系。假设用闪烁探测器测量
体积为V的管子的一部分，计数效率为ε，设备的几何因子为G，吸收和散射系数为f，示踪同位素具有活度A和每次衰变发射γ量子数为δ，那么就可估计计数率I相对有多大。放射性浓度为C=A/V MBq/dm3。根据式（3.3）
和（3.4）有
I相对＝6×107cVδfεG 脉冲/min （3.5）
I相对＝6×107AδfεG 脉冲/min （3.6）
要求的意图是显而易见的;c和A应保持在低值情况下，确定I相对值的其它一切因数应该在计数率尽可能高的范围内选择。但这将产生非常复杂的问题。
δ、f和ε是独立的；所有这三个值都密切地与示踪同位素的性质相联系；δ是由同位素的衰变纲图确定的，随着γ量子能量的增加，f上升而ε降低。
――V值的增加不能超过一定的极限，因为这涉及到f和G二者的降低。
――通过改变样品对探测器的相对位置，可以改善G值，但这也涉及到f的变化。
考虑到这些因素，在保证预先规定的准确度条件下给定的I相对，可以部
分通过选择对探测有利的同位素（增加δ、f和
ε），和部分通过保证有利的几何条件（增加G
值）获得。V值应根据研究目的和其它可能因素
来调节。如果这些都不加任何限制，通常体积的
增加虽然使f和G同时增加，但对获得较高计数
率是有利的。
即使V，δ、f、ε和G值都选择在最佳状态，也可能出现这种情况：给定测量准确度所需要的最小I相对计数率，只有在高的放射性浓度C下才
能获得，而这不符合安全操作，而且可能是危险的。在这种情况下该示踪
研究必须放弃――在初步计算或初步实验室实验的基础上――应该用另一
种方法如随后活化来解决问题。
δ、f的值和测定f的吸收系数值可以在不同手册中找到。
下面用几个简单的例子说明几何因子G的计算。
在点源的情况下，令源离半径为R的探测器窗口的距离是l，令源和灵敏体积之间的距离为r＝l+m。进入探测器的辐射与发射出的总辐射之比应该是相应的球帽罩与总球体面积（图3.1）之比：
（3.7）
对线源（例如充满比活度均匀的液体的薄管），图3.3给出了说明。如果源长度为2L，由单位源长发射的γ量子数为n，探测器半径为R，那么到达探测器表面的γ量子数（n’）应是：
（3.8）
而几何效率将是：
（3.9）
图3.3 线源
对于井形闪烁晶体（图3.4），根据在每个方向上发出的辐射进行计算；向下辐射部分也通过晶体，并且可能与晶体相互作用。向上辐射的部分由
RL来测量，并且可以根据式（3.7）进行计算，尽管在任何探测情况下总有一部分辐射损失掉。
假设有个小试管源，半径RK，高L，每cm3和单位时间发射的γ量子数n，用放射性液体将它充满到刻度线L-b，将此源装入半径为RL的空穴内，那么穿过晶体的γ量子数（n’）将是：
几何效率如下：
（3.11）
对于计数率ε，是有公式进行直接计算的，但是它的直接计算方程式很困难求出，所以并不适合直接计算。但有曲线图可用于所谓总效率，即εG乘积。用计算机计算了这些结果，同时也考虑到诸如晶体大小、源和晶体之间的距离等参数，从而给出εG乘积与辐射能量的函数关系。上述的曲线图可以由几种手册中查到。
通过以上计算，就可以用式（3.5）求出I相对，或者对于一定的可I相对计算出所需要的放射性浓度。工厂和野外实验证明，这些数据提供了有用
的资料，但由于个别因数估计中的误差，它们不能被看做优于工艺计算，如果就保健物理而论，这种计算有意义的话，这是特别重要的，并且必须加以认真考虑。（放射性同位素的工业应用105页）
例题3.1
为了证明放射性示踪技术的灵敏度，让我们来计算下列条件下所需的放射性物质的量m（以mol表示）；放射性物质的半衰期t1/2（以min表示），计数率I相对＝40脉冲/min，β辐射用GM计数管测量并且计数效率为4%。
每分钟衰变数为：
样品中的放射性原子数（n）可根据衰变常数（λ）或半衰期（t1/2）进行计算：
以摩尔表示的示踪剂的量为：
对半衰期t1/2＝1h、1d、1月、1a和10a的虚拟同位素进行了计算，结果概括在表3.3中。
表3.3用4%的GM计数管测量β辐射时，可在40脉冲/min的计数率下探测出的同位素量
三、辐射加工
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。
辐射物理过程涉及在α，β，γ及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(例如形成缺陷构造)。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。
辐射生物学涉及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。被用于农业、食品工业以及药物和医疗器械(消毒)。
辐射化学是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。
辐射化学工业化应用的可能性在50年代曾有争议，但随着高分子辐射化学的发展，到70年代一个新兴工业领域----辐射加工逐渐形成。辐射加工是利用电离辐射作用于物质使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、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；
• 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。
辐射加工工业在60-70年代发展很快，据估计，目前辐射加工全球产值已超过100亿美元，并以10—15％的速度发展，并且美国、日本、前苏联处领先地位，美国Raychem公司以生产、销售辐射产品为主，它始创于1957年，1988年年产值为7亿美元，1995年增至17亿美元，已在45个国家设立分公司，拥有约8500名职工，成为美国300家大型企业之一。
50年代来，我国辐射化学研究已有一定基础，高分子辐射化学研究也有一批令人瞩目的成果，改革开放以后我国辐射化学与辐射加工艺也有较快发展，相关机构、院校、厂家、中心等已达100多家，从队业人员近2000人，1995年产值约9亿元人民币。
热收缩材料，电线电缆等10余种辐射加工产品和土豆、洋葱等8种辐照食品已开发并投放市场，开始获得可观的经济效益。可以说，一个新兴的辐射加工产业在我国已初具规模，前景很好。
辐射加工技术与常规方法相比其最大的优点就是节能和环境保护，这对经常发生能源危机和经受环境污染困扰的现代工业社会无疑是很值得欢
迎的新技术。
1、高分子材料的辐射聚合
辐射聚合与常规的化学加工方法引发聚合相比，有以下几个优点 ：
①所得聚合体的纯度高，不存在引发剂、催化剂代入的杂质。 ②聚合能够均匀进行，因为射线穿透性强，这避免了聚合时的过热现象和不均匀反应 。
③辐射聚合可在低温下进行 。
④聚合条件可以随辐射源和聚合系统的条件广泛地变化，控制分子量分布比较容易。
⑤应用面广。它不但可以用于单体的本体聚合、共聚合，而且也能用于复合材料的制备、涂料的固化等。
用 途
丙烯酰胺（AM）是一种性能优异、用途广泛、经济意义很大的高分子材料。它可以作为絮凝剂、增稠剂、减阻剂等，广泛用于石油、煤炭、冶金、造纸、制糖、制药、纺织等领域。我国在六十年代用化学聚合法进行生产，产品是固含量为9%的凝胶体，但在包装、运输、贮藏及使用上还存在一些问题。因此，需要先进的生产工艺来制得粉末状PAM。 γ辐射引发聚合PAM的方法有以下三种。
①把丙烯酰胺（AM）晶体加入NaOH水溶液中，加热溶解进行反应、冷至室温，可得固体反应物。在反应器中通过纯氮出去氧之后，用钴－60γ射线辐照，则得固体PAM。
②把AM溶液经离子交换除去其中杂质后，加入添加剂在空气保护下减压浓缩，配成所需浓度，通氮气除去氧后，用钴－60γ射线辐照，则得胶状PAM，然后切片、干燥、粉碎
③采用氯仿、四氯化碳或无水乙醇为溶剂，进行辐射聚合，能直接得到无定型粉末的聚合体，水溶速度相当快。
辐射聚合制备的PAM已在我国实际应用，效果很好。例如，某油田钻井中应用后，钻井速度提高25%-35%，节约重晶石1/3-1/4，并能防止卡钻和井壁倒塌等事故的发生。此外，由于PAM遇水膨胀，遇油不膨胀，故可用于油井堵水。PAM在选矿和废水处理中作絮凝剂，在造纸中作增强剂，纺织中作浆剂，在舰艇上作减阻剂都很好。
2、复合材料的辐射制备
塑料－木材、塑料－玻璃纤维、塑料－混凝土、塑料－无机物粉末（如石膏、亚硫酸氰）、塑料－金属等复合材料，在使用性能上具有很多优点，因此发展很快。
采用辐射法制备复合材料时，射线在引发单体本身聚合的同时，也产生接枝共聚，使两种材料之间的化学键相互联结，因而性能优异。
塑料－木材复合。将原木加工成板、条、块，放进浸渍罐内，用真空泵减压至660mmHg，除去木材微孔内的空气，然后用高压氮气把塑料单体压入木材微孔。浸渍完成后，排去罐内剩余的单体，然后移进辐射场进行辐照，同时散热（若在辐射源水井中辐照，则井水可散热）。完成辐射后，再冷却、打磨、抛光。这种材料的硬度、耐磨性、压缩强度、弯曲强度、耐火性、吸潮速度、抗霉耐蚀性、耐酸碱性、热稳定性等均大为改善，而
且美丽悦目，适用于高级建筑和家具、用具。
塑料－混凝土。将混凝土预制件中的水分、空气抽走后，把单体压入预制件中，用化学引发剂或辐射 均可引发单体聚合，制备塑料－混凝土复合材料。用辐射法制备这种复合材料，可在低温狭隘进行，两种材料的化学键结合得好，产品机械强度比化学法高10-30%。这种材料的抗压缩、抗弯曲、抗冻化、抗冲击、抗腐蚀等性能指标比混凝土高两倍以上，是高级建筑材料。
3、辐射交联聚乙烯热收缩材料
聚乙烯经电子辐照交联后，除了提高机械强度和使用温度之外，最重要的是产品记忆效应。所谓记忆效应，是指结晶型聚合物，在其结晶熔融温度以上具有一定强度而呈弹性者，在其熔点或更高温度条件下施加外力（如拉伸吹胀）产生形变；在外力存在下使形成试样冷却、结晶，让形变固定下来；以后，当无外力作用，而又加热到熔融温度以上，则试样恢复原始状态，形变消失。利用这一特性，可制备热收缩薄膜和热收缩管。
辐射交联聚乙烯热收缩薄膜广泛用于绕包电缆接头，潜水电机主绝缘层等。热收缩管则用作电线，电缆接头的护套，电子元件的包覆材料。这种护套和包覆材料，防潮、防腐、美观。我国长春应用化学所、吉林辐射化学所、上海科技大学、成都电缆厂和四川大学等单位研制的热收缩薄膜和热收缩管都已实际应用。
国产2MeV电子静电加速器即可用于此项辐射加工。
4、辐射接枝
在辐照作用下，把单体接枝到聚合物上，谓之辐射接枝。通过辐射接枝
已制备上百种有意义的材料，其中一些是工业规模的。
如棉纤维辐射接枝改性。棉纤维具有吸湿性、容易染色、手感好等优良性能，但易皱、易腐烂。美国、埃及、印度等产棉大国作了许多研究，取得相当成果。例如，在棉纤维上辐射接枝N－羟甲基丙烯酰胺，达到不皱、永久挺括的效果。把8%的丙烯腈接枝到棉纤维上，大大提高抗霉菌腐烂的能力：埋在土中100天无任何变化，而未经辐射接枝的，15天就腐烂了。把甲基丙烯酸甲酯接枝到纤维上，使之斥水并增加韧性。
此外，对羊毛、蚕丝。纸张等也作过辐射接枝研究。
又如羊皮辐射接枝改性。四川省原子核应用技术研究所和成都科技大学，开展辐射引发皮胶原与丙烯酸及其酯类单体接枝改性研究，取得成果，大大改善了羊皮质量，并有显著的径迹效益。
5、辐射裂解
辐射交联和辐射接枝都是辐射聚合，使分子量增大、改变分子结构，达到改性的目的。辐射裂解则是使分子量减小，破坏分子结构，达到改性的目的。裂解也称降解，辐射裂解也叫辐解。下面举例来说明辐解的作用。 辐解废聚四氟乙烯。聚四氟乙烯是性能优异的工程塑料，用量很大。每年需要回收处理、利用的废聚四氟乙烯，多达几千吨。出于它的机械强度好，所以机械粉碎十分困难。由于它的耐热性好，加热到400℃以上也要足够长时间才开始裂解，而且还放出大量含烯的毒气，所以，加热裂解和焚烧处理都不好。由于它耐酸碱，也没有一种溶剂和微生物能使它分解，所以非常难办。研究表明，聚四氟乙烯是一种辐射裂解的塑料。经辐射裂解后，聚四氟乙烯废料可以制成高级润滑剂、脱模剂、抗静电剂、耐化学腐
蚀剂，变废为宝了。
在室温下空气中照射，效果很好；在辐解过程中，每公斤废料产生10毫升裂解气体，主要是CO2、CO及少量CF2O，也需要妥善处理。办法是，在辐照容器中放置浸有NaOH水溶液的棉球，吸收含氟气体。
此外，辐射处理工业废水，如印染废水、造纸废水，也是一种辐射降解过程，使其达到废水排放的国家标准，可入河流、可灌农田。
第二节 物质的鉴别和探伤以及流速测定
物质的鉴别和探伤
大部分工业示踪应用的目的是得到物质品质方面的资料。这样的工作可能是鉴别物质或物体，测定它们的位置，确定它们的存在或不存在、跟踪它们的运动，或发现破损和泄漏。
一、物质的鉴别及其运动的跟踪
特殊用途或特殊性质的产品可用放射性同位素标记，以便于它们的鉴别或识别。例如，用于核反应堆热交换器的特殊不锈钢合金管可用182Ta或192Ir进行标记，其比活度约为40MBq/t。机器零件或钢绞线封闭接合的状态，可在它们的焊接期间通过含有192Ir的焊接电极进行标记。
所谓的堵塞检查器用来清洁石油和气体管道，如果它们只用于区分两种不同的液体，那么它们就叫做菲利普斯电离计。特别是在 焊接不完好的新管道中，或在形成许多沉淀之后，堵塞检查器可能被阻塞，因而它们的研究就成为麻烦而代价高的事。然而如果在设备被阻塞之后用60Co同位素标记的堵塞检查器进行工作，那么就可在沿管道的探测位置上观察到它的通过，这样就可定出设备阻塞的界限，在地表面用灵敏的辐射探测器测量
出关键部分，它的确切位置也可以被确定。由于管道通常埋在地表面以下约1－1.5m深，因此所需60Co活度大约为7－20GBq。
高炉耐火衬里的破损可以通过将源（如60Co源）装入衬里不同深度适当的地方来检验。通过判别源的隐现可以指出，当炉衬薄到威胁工厂的安全时，那就是该翻修高炉的时候了。其它派生的方法就是检查铸铁或铁渣的放射性，放射性的出现就表明，破损达到了嵌置在炉衬中的辐射源。只有在不同深度嵌置不同类型同位素时，这后一方法才能得出破损程度的结论。这些可以通过测量γ谱来判断。
河流和海洋里的泥沙和砂浆运动也可以用放射性示踪剂跟踪。这方面可以应用的示踪剂是含有大约5%比活度为1.5GBq/g的46Sc2O3（三氧化二钪）的玻璃粉末。示踪剂的散布可由小舟拖引的探测器跟随。这样就可以确定泥沙的来源。
例题3.3
特殊合金制成的特种钢管，可以用放射性同位素标记，以便有助于后来鉴定。所选的同位素是192Ir，它的半衰期t1/2＝74.2d，测量条件是给定的。目的是计算加到10t铁锭中所需要的192Ir活度，以确保t＝1a之后仍有99.99%的鉴定概率。
所需活度可由式（3.3）和（3.4）计算：
（3.17）
按照图3.3（线源示意图）绘出的装置测定计数率，用2.5×2.5cm的NaI晶体，本底为2000脉冲/min，实验进行30s。式（3.9）可用来确定装置的几何因子。
计算G所需要的数据如下：R=1.25cm，2L=20cm以及l＝5cm。
计算A所需要的系数数值如下：δ＝2.5（由192Ir的衰变图而来），f＝1，ε＝0.55（对给定的闪烁计数器，根据刻度定），G＝8.65×10-5
99.99%的概率意味着，净计数率（扣除本底之后）至少应比标准偏差高4倍。对2000脉冲/min的本底和30s长的测量时间，计算公式可表示如下：
现在我们具有计算A所需要的每一个数据的数值，
活度A是外径2cm、壁厚1mm、20cm长一段管子的总活度。已知铁的密度（7800kg/m3＝7.8g/cm3），我们可以算出活度测量时所需要的合金比活度a：
一年前，即在刚标记的瞬间，比活度a0为：
这样，为了能够在一年后以99.99%的概率鉴别出铁锭作的管子，10t铁锭要用2.2GBq（60mCi）的192Ir来标记。
二、破裂和泄漏的探测
在原理上，用放射性示踪剂进行气体管道破裂的探测是没有问题的，但从实践的观点看，这仍是非常困难的工作。如果将气态同位素引入几百或几千立方米体积的气体中，即使很小的泄漏也可能引起大量放射性气体不可控制的逸散。这样，此法只限制在小体积系统中应用。
一个典型的应用场合是探测充氮高压电缆的泄漏。较早期应用镭的衰变产物氡作为示踪剂，并测量了它的固体子体元素的活度。85Kr也可以很好地用作示踪剂。
充气电话电缆的泄漏也能探测。地下电缆通常置于诸如陶瓷的管子里，为的是防止它们被腐蚀以及便于故障部分的撤换。比如可以用82Br标记的溴乙烷来进行检测。包围电缆的陶瓷管中的空气，连续不断地通过活性炭过滤器被吸收。被检验的电缆与含有标记过的溴乙烷的压力容器相接。如果有泄漏，放射性蒸汽就进入陶瓷管并进而进入过滤器，活性炭吸附溴化物效率高，因此放射性溴化物在此出现就可以被探测。随后对管子每部分逐段进行检验，就完全可以发现泄漏的地方。
液体管道和贮槽的破裂和泄漏，可通过标记其中的液体进行检测，这样就可节省一部分由于拆卸整个系统而付出的大量费用。
例如，用放射性钠或放射性碘来检查水道的泄漏情况。将含有24Na的水，流经检查的水管，然后用普通水将水管冲洗干净，再用计数管沿水管探测，在水管漏的地方，因放射性已渗入地下，所以很容易就可以找到它（如图所示）。此法的特点：①无需把大部分地面剖开；②用费较少，且便利；③半衰期较短，残余放射性较弱。
利用放射性钠－24检查水道漏洞
又如，如果内部具有沥青涂层的混凝土槽发生破裂，那么在容器外表面出现液体之前，通过沥青涂层泄漏的液体相当之多。因此表面滴漏的位置给不出关于沥青涂层破裂位置的确切信息。如果用示踪技术解决这一个问题，混凝土槽就用水充满，并将24Na标记的碳酸氢钠大约100MBq（3mci）剂量溶于其中。使溶液在槽内过一整夜后，将槽放空，并用强大水流喷射器冲洗内壁，以便清除吸附的24Na，然后灵敏的探测器可以跟踪沥青涂层下面放射性溶液的路径，如此就可以明显地确定出破裂的位置。 流速测定
放射性示踪剂常常用来测定气体、液体和用气力或水力输送的固体之流速。由于该法首先应用于示踪液体流，所以我们后来的讨论直到有关定量研究都将与标记的液体物质流有关，但此法稍加改变也可推广应用到气体 和测定固体物质流速。
用示踪剂测定流速的原理如下：将示踪剂脉冲式或连续式注入液体流，在距注入部位不同距离测量液体的活度变化，进而确定流速。选择混合距离时要使示踪剂在那个距离内与液体完全混合，也就是说活度分布的相对标准偏差应不超过2-5%。混合距离用相对比值L/D表示，此处L表示注入部位和测量部位之间的距离，D是管子直径。混合距离是液体流动特性（雷诺数）和示踪剂注入方法的函数。
下面学习下示踪剂测定流速的两种注入方式。
一、脉冲式示踪剂注入：是把具有活度A的示踪剂，在t＝0时刻注入到流动液体中去。遍及整个截面均匀分布的放射性同位素，以与液体相同的速度流动，但由于轴向的混合，它在所研究介质中散布的体积越来越大。距注入部位越远的测量点，探测器前示踪剂通过的脉冲状就越差。在图4.3.2中说明了这种情况。
增加距注入点的距离时测量的放射性浓度与时间的关系
如果几台探测器在距注入点不同距离上，以便测量放射性浓度（c），那么脉冲将随着轴向混合的增加而在时间上越来越扩散。如果没有活度损失，那么峰面积彼此相等，这样可以得到体积流量（uv）使用的方程：
uv=A
⎰∞=Irel
0c(t)dt⎰∞0i(t)dt
3Irel（脉冲/min）和i(t)(脉冲/min.cm)
那么，公式中积分的计算又由于技术不同而不同。脉冲式注入方法可根据下面这些技术分类：
取样技术：在检测点以短时间的时间间隔取几个相邻的样品，根据他们的放射性浓度建立i(t)函数。该函数用图解法积分。取一等分示踪剂样品，在和确定i(t)相同的测量条件下测定Irel。
全样技术：在放射性示踪剂流动期间，系统以vvm
体；收集液体样品并测定它的放射性浓度（表示为脉冲/min.cm3），得到的是一个积分平均值i，由此可计算出 -
⎰t2
t1i(t)dt=i(t2-t1) 故： uv=-I相对- i(t2-t1)
t1和t2分别是最初和最终排出液体的时刻。
总计数技术：如果介质经过管道流动，则与安装在管道上的探测器相连的脉冲计数器可用作积分器，如果注入的总放射性活度较大且流速较小，那么记录的计数n就较高。
n=AQuv
AQ n如果测得n，那么就可计算uv： uv=
二、连续示踪剂注入
这个方法就是把放射性浓度cj的示踪剂以体积速度Vv,j连续地输入到具有体积流速Vv和放射性浓度c0的被测液流中去。在完全混合所需要的距离上测得放射性浓度cv的。除了再循环系统外，通常c0值为零。另一方面，cj>>cv，这样
uv=uv,j(cj
cv-1)=uv,jcjcv
三、应用实例
放射性示踪技术，正如它在广泛应用中所证明的那样，特别适用于对液体流速的测量。总计数技术可以确定石油精炼厂冷却水的需要量。可用连续示踪技术研究热电厂的冷却水消耗量，涡轮机的水需要量。工厂污水排出管的检查，在某些情况下需要连续示踪技术结合脉冲速度法的测量进行，在另外一些情况下，全样技术是有利的。该法不限于水溶液，如果又提供
具有适当溶解度的示踪剂，则它们很适合测定石油或其它有机液体的流速。 如果液体不完全充满管子的横截面或液流在敞开的系统中流动，在该系统中液流横截面在很大范围内波动，那么放射性示踪技术就差不多是测定流率和速度的唯一方法。这是测量河流、小溪、山洞水和污水管道或在地表沟渠中流动的灌溉水的情况。
放射性同位素已经成为用于研究地表水、地下水系统的示踪剂染料或盐溶液的竞争者，其优点是放射性同位素的探测灵敏度极高。
下面讲一个具体的用放射性同位素示踪技术测定流速的例子。
题目：应用放射性同位素示踪法研究地下水的实验
1 实验方法及仪器
应用江苏省农科院原子能所研制的核萤地下水流向流速仪。在单井测定各含水层流向、流速，在均衡场中进行试验。
1.1仪器的构造
NF-1型核型地下水流向流速仪的结构如图1所示。它是由重锤， 内筒， 洗耳球、Ic、TLD、涂萤光索的指南针等部分组成。
1．2 基本原理
仪器的基本原理及过程如下：示踪同位素在洗耳球中， 将探头投放到井中测量位置， 然后将重锤沿绳投下落在探头的活动内筒上。洗耳球受到重锤压力产生的形变将同位素由1 2个喷源孔均匀喷出，在井中均匀与水混台稀释， 随水流一起运动，此时示踪剂的运动便可认为是代表了水的运动， 根据示踪原理和稀释原理，根据探头中各处的浓度(同位素活度)变化量来确定地下水的流向、流速。
1．3 探测与定位的方法
NF-I型核萤地下水流向流速仪采用12组探测元件对称排列同时探测1 2个方向上的浓度变化积分值。1 2组探测器中有6支IC和6组TLD。两种探测器交错排列，IC与TLD 相邻夹角为30度。IC与TLD 都是测量累积照射量的积分型探测器，不用后接电子仪器及电缆传输部分， 从而大大简化了探头。
定位采用萤光照相定位法。它是由有机玻璃制成的透明盒。该盒装在探头的底部，盒内装有一个指南针，在磁北针端上和暗盒座标参考点上涂有萤光素。 测量前只要将相纸紧帖在有机玻璃盒面上，探头稳定后，经过l小时以上的测量，北极与参考点的萤光就会对相纸曝光而产生感光点。相纸取出冲洗后，基准方位便被准确记录在相纸上。
1．4 测流速原理
根据稀释定理， 井水中示踪浓度的变化与井中流速ve有如下关系：
式中：C。为初始浓度值；K1为稀释因子。
通过对井中同位素活度变化的的累积测量可导出总照射量xi与vc之间
的函数关系，在柱座标下建立微分方程并求解得到下式：
式中：K 为待定系数：n为探测器数：h为示踪剂充满井柱的半高；R为井半径：Jr为投放同位素活度。
1．5 特点及主要技术指标
适用井径：63-200毫米；
测量深度： 大于500米；
工作环境： 井水温度0—60℃ ；
井中测量时间： I小时以上(与流速有关)；
同位素I-131用量： 每次0.2-2毫居(与流速、井径有关)：
流向精度：不大于±10°；
适用于流速范围(仅适用于测流向)： 0．03-300米／ 日；
仪器重量：12公斤。
2 试验
整个试验区为开口的盆地。从钻孔揭露初步划分，地下有三层主要含水层，埋深分别为2．5-10米，34-75米， 130-160米。10m以下为深水层。
对试验区内10几口井进行了同位素单孔示踪试验，共取到29个数据，其中25个数据比较理想，这里拿出其中一口井的数据进行分析，其测试结果，浅层水向北西方向流，流速5米／天，深层水向北，流速4米／天。
这是在水文地质方面的应用。
对于固体物质的流速，除了应用放射性示踪剂之外，几乎没有其它方法。 可以用这个方法测量水泥厂转窑中物质的流速，一般用140La同位素。在给定研究中，通过用探测器沿窑测量示踪剂就可以发现，在炉子的前30m物质流是非常慢的，这大概是由于在这里设置的链条引起的减速。成粒作用是这部分的特点，作为此过程的结果，沿炉较远部分（约90m）流速加倍。在炉的最后部分，物质流又减慢，这可能是由形成的熔块聚集物被软化所致。