现代探测技术概述

现代探测技术概述

一、新型的探测分析技术

在人类发展史上，曾经有过关于“耶稣裹尸布”的真伪之争。但是现代科技靠着有说服力的测试手段证实它不是真品而是一件赝品。科学家们运用核分析，揭开了这个几世纪以来的不解之谜。事情的经过是这样的，在意大利都灵大教堂里，有一个用防弹玻璃保护的银制灵枢，里面珍藏着一件黄色的寿衣。在这块长4．36米、宽1．1米的手织亚麻布上，依稀可辨出一个高1．83米、留着胡子的裸体男子的正面及背面的淡棕色图像，他的双手交叉于下腹部，头部两侧、双手及脚部位置还留有血滴溢出的斑痕。这显然是耶稣受难后的情景。

都灵尸衣是教徒们最为崇拜的圣物，400年来一直珍藏在银制小箱中，每隔50年才展示一次。每逢此时，几百万教徒从世界各地涌向都灵，排队朝觐这块圣布。

但是与此同时，也有相当多的人对它的真实性持怀疑态度，因为没有确凿的历史证据能够证实它在14世纪以前已经存在，而在14世纪时欧洲和巴勒斯坦等地伪造宗教遗物的风气很盛。关于这块圣布的真假之争一直持续了几个世纪，它引起了科学家、历史学家和宗教界的浓厚兴趣，而教会对此讳莫如深。直到1978年最后一次展示后，天主教都灵总主教终于同意对它进行科学测试。

由40名科学家和专家组成的小组使用紫外线、红外线、X射线和显微镜等多种手段仔细分析，但未能得出明确的结论。于是，有人提出用“碳－14”年代测定法检测，但因要剪下手帕大小的样品而遭到拒绝。进入20世纪80年代以后，新型的核分析技术——加速器质谱学开始兴起并迅速发展，它的超高灵敏度和只需微量样品等优点终于说动了“都灵裹尸布协会”及红衣大主教同意用这种方法检测。从1986年起，教皇科学院组织人员进行了两年的准备工作。从裹尸布上取样，由大主教亲自主持极其秘密地进行，由伦敦大不列颠博物馆负责标记后分成三份，加起来仅邮票一般大小，同时被测量的还有公元1世纪、11世纪和14世纪的产物对照样品。测试在美国亚利桑那大学、英国牛津大学和瑞士苏黎士工学院的加速器质谱学实验室同时进行，每个实验室都收到只有编号、没有其他任何标识的样品。这些样品经技术处理后送入加速器进行测量，最后通过计算而得到每种样品的年代。三个国家的不同实验室的独立测量达到了惊人的一致性，测量表明：所谓耶稣裹尸布制成的年份在公元1260—1380年的可能性为95%，决不会早于公元1200年。真相大白于天下：这件几个世纪以来被尊为圣物的“耶稣裹尸布”是中古时期生产的赝品！教会宣称他们相信科学的鉴定，但他们不动摇信仰，他们崇拜的是圣布上的图像。这一划时代的事件一时间引起了举世轰动，也引起了人们深深的思考。大家对新型检测技术——核分析刮目相看，口服心服，认为核分析确实是一种新型可靠的检测手段。

当然，核分析的应用远远不止于此，它正在向社会的各个领域，工业、农业、医学、军事、科技等方面展示着它不可替代的重要作用。

二、当代科学技术的要求

第二次世界大战以后，特别是20世纪60年代以来，随着科学技术飞速发展，多种核分析技术应运而生。人们的研究对象不再局限于在赖以生存了几千年的地球上活动，而是把目光头像太空，现代航天技术把人类的代表——宇航员和人们制造的各式仪器装备送到了月球、火星及太空中。

在20世纪60年代，前苏联和美国先后把“阿波罗11号”和“探险者V号”宇宙飞船发射到了月球，并带回来许多前所未闻的月球珍贵资料。全世界人民为这一伟大的科学成果而欢呼雀跃；那股兴奋的喜悦至今还在影响这人类，那么是什么样的仪器能够经历从地球到太空到月球的旅行，继而能探测分析和记录下这些珍贵资料呢？是核探测仪器和核分析技术！

曾经在1997年《科学》杂志上发表了美国飞船“火星探路者”的考察结果：火星地质构造在复杂性方面可与地球媲美。这个结论就是对探测器发回的大量数据信息进行处理、分析后得出的。可以想象，离开了核如果仪器和核分析手段，火星探测将如何进行，科学的脚步就会放慢。

航天器的芯片及计算机等在太空中由于受到宇宙射线的辐射作用，会发生突然反转或闭锁等所谓“单粒子效应”，即软错误。如何监测这种事情的发生，分析其产生的原因，排除故障，研制出抗辐射的适用芯片及仪器。也需要核分析手段及核技术来完成。当代运输业都是采用集装箱封装货物，将其停靠在港口码头或机场。几年前，曾出现过这样一件事：据可靠情报，在我国某港口的5万只外运货物集装箱中，有一只箱内藏有爆炸物。当时离第一艘货轮的开船时间只有数小时了，怎么办？不检查是绝对不行的，否则造成的国际影响是不可估量的。如果人工检查几万只集装箱，如同大海捞针，旷日持久，这显然不可取。普通的检测方法要做到快捷、准确，也是办不到的。于是，有关人员使用了核分析手段，用核探测器很快找准了方位，查出了爆炸物，使国家的尊严和荣誉没有受到丝毫损伤和侵犯。

传统的地质矿产、石油等勘探工作，往往是用一把铁锹、一柄榔头，装一书包矿石回实验室化验分析，费力费时。随着X荧光分析仪、γ源或中子源测井仪等已被广泛应用，地质勘探则进入了现代化阶段，当粒子进入地层后，粒子与地层核素发生核反应或者各种相互作用，γ射线或中子束被探测接收，这些信息经处理后可以反映地层的岩性、孔隙度、密度和矿化度等物理特性，为地质矿产、石油等的勘探、开发和地层评价提供了准确、可靠的评价依据。核探测分析技术在这些行业也成了不可替代的有力分析手段。

采煤、炼钢、水泥、化肥、橡胶等大规模的现代化工业的生产过程中，以核子秤、料位计为代表的先进核分析、监测手段已越来越显示出无损、快捷、方便、准确等优越性，正在取代电子秤等笨重落后的设备和手段。

21世纪是信息科学、生命科学和材料科学兴旺发达的时代，而这三大科学的发展都离不开核分析技术的支持。计算机科学与技术、信息工程的发展是以大规模集成电路的发展和改进为硬件支柱的，而核分析手段之一——背散射分析成为半导体工业最便利的分析手段。生物进化的分析、地球灾变的研究也同样需要核分析技术。另外，恐龙的灭绝之谜一直是科学家们研究的课题，有人不仅会问：“这些庞然大物怎么一下子就会在地球上完全消失呢？”

根据对相当于6500万年的地下富含铱的黏土的核分析测定，科学家推断当时有一颗半径为10千米的外星陨石落地时造成相当于10¹⁰万吨级大爆炸，使得大气烟云长时期完全遮住了太阳光，由此破坏了生物圈，造成了恐龙等生物的毁灭。在材料科学中，稀土材料、超导材料和半导体材料的生成过程、性能结构的检测都与核分析技术密不可分。

近年来发展的环境科学，对大气、土壤、水质和粉尘的测试分析都要求有很高的精确度，其中以中子活化分析为代表的核分析是最常用、最有效的分析手段。

三、促进边缘科学的兴起

一项新科技的出台必然会带动社会和经济的发展；同样核分析技术的应用与推广，也带动和促进了相关学科的发展，也促成了一些边缘学科的悄然兴起。如粒子进入固体中，使得各种固体材料的结构、性质法身变化，进而使得粒子在固体中的射程、径迹、运动规律、造成的损伤等各不相同。由此产生了一门新型的边缘交叉学科——核固体学，对粒子与固体相互作用的研究更加深入。把核科学、核分析运用到天体物理中，形成了核天体物理学。把核分析、核技术广泛运用到医学中，发挥其探测、成像、消毒、治疗等作用，形成了核科学的重要分支——核医学。与离子束分析、离子束辐照、离子束改性等技术综合发展起来的核材料学近十几年以锐不可当之势迅速发展壮大。核科学不再只是围绕核物理尖端发展的学科，而是具有丰富内涵和广泛应用前景，与人类生存发展密切相关的新兴学科。

四、核分析技术的特点与分类

核分析技术具有很多特点和优点，如：灵敏度高（加速器质谱计可分析10^－6克样品，中子活化分析亦可分析每克样品中微克的杂质含量，背散射分析可达到样品表面层1纳米深度附近的结构）；准确度好，误差小，不破坏样品的宏观结构；多元素同时分析（中子活化分析可以同时对几十种元素进行分析）；易于实现自动化分析。每一种核分析技术都有其独特的优点和适用的分析范围，可供选择的余地大，在国民经济、国防建设和科学研究各领域中，无一不显示出强大的生命力。

核分析方法是一种利用中子、光子、离子和正电子与物质的原子或原子核相互作用，采用核科学实验技术，研究物质成分和结构的分析方法，包括活化分析、离子束分析、核效应分析。活化分析是最早发展的核分析技术，又可分为中子活化分析、光子活化分析和带电粒子活化分析。前两者主要用来分析测定物质体内痕量杂质元素的平均浓度。在20世纪60～70年代蓬勃发展的半导体工业中，离子注入工艺和各种薄膜技术的使用，导致以低能加速器为基础的离子束分析技术应运而生。其中瞬发核反应分析、卢瑟福背散射分析和沟道技术是最常用的离子束分析技术，已成为固体表面研究不可缺少与不可替代的分析手段。质子激发X射线分析广泛应用于生物医学、环境保护研究中的高灵敏度元素分析。20世纪70年代发展起来的加速器质谱计，能对稀有核素进行超灵敏分析，为采用毫克乃至微克重量级样品进行放射性断代等研究开辟了道路。利用核效应的各种核分析技术，如穆斯堡尔效应、正电子湮没、扰动角关联、核磁共振等，是研究物质微观结构的有效分析技术。