[科普中国]-核电子学

发展简史

核辐射现象（天然放射性）发现于1896年。1926年，H.盖革等发明GM计数管，单次辐射通过时发出一个电脉冲，经电子管放大后，可驱动电话发出声响。声响的疏密反映辐射源的强弱，还可用示波仪进行记录，或触发闸流管而驱动机械计数器。这项发明使核物理实验得到了电子技术的支持，从而促成了30年代以来核物理学和高能物理学上一系列重要的发现。1930年，B.罗西用三重符合电路发现了宇宙线在东西方向上的不对称性。1932年，P.M.布莱克特等人又用此电路启动云室拍照，大大提高了云室的效率。C.D.安德森用这样的云室研究宇宙射线时发现了正电子（1932年）和μ介子(1936年)，获得了1936年诺贝尔奖金物理学奖。这些成就加深了人类对原子核的认识，也使物理学家对电子学方法的优越性的认识逐步提高。30年代初，人们就致力于为核物理实验研制专用的成套电子仪器。1931年，卢瑟福实验室制成包括放大器、计数器和电源的成套电子仪器，成为核物理实验中早期的有力工具。

第二次世界大战开始后，核电子学围绕核武器的研究得到更大的发展，逐渐形成了一门学科。1945年，第一颗原子弹的爆炸，又向核电子学提出很多新课题，如怎样探测核爆炸的各种机制和核爆炸产生的强电磁脉冲对电子设备的影响、损坏机制以及如何将电子设备加固以抗核脉冲的冲击等。

1949年，R.L.霍夫斯塔特发明了用碘化钠（铊）晶体制成的闪烁计数器。这是辐射探测器的一次重大发展。它推动了核γ谱学和相应的测量仪器γ谱仪的发展。γ谱仪的电子学部分，是一个对闪烁探测器输出的电脉冲进行幅度分析的仪器。

50年代初，由于闪烁探测器的快速时间响应，核电子学已开拓了纳秒脉冲技术，应用在放大、甄别、计数、符合、时间测量等技术上。同一时期，对核探测器的噪声问题也进行了理论分析，并开展了低噪声谱仪放大器的研究，使核能谱的测量工作在速度上和精度上大为提高。

50年代中、后期，高能加速器出现，物理学家开始寻找新的基本粒子。他们利用各种闪烁探测器和核电子学方法，取得了许多重要的物理学成就。1958年，第一次国际核电子学会议在贝尔格莱德召开，此后，核电子学的名称正式为国际有关学术界采用。

进入60年代时，已研制出各种半导体探测器，特别是锗（锂）漂移半导体探测器。其γ能量的分辨能力比闪烁探测器约高两个数量级，时间分辨和本底也优于闪耀体。不足之处是它必须在77K的低温下工作，要用液氮来保持，不太方便。60年代末，已研制出能在常温下保存的高纯锗探测器。

到60年代中期，核电子仪器的晶体管化几乎已全部实现。晶体管化还促进了核电子仪器的标准化。1968年，卡尔帕克发明了多丝室探测器。当粒子通过密布在不同层上、数目众多的某些丝时，这些丝便发出电信号。如果读出丝的编号，就可以判定粒子通过的位置。1970年，他又研究出漂移室，比多丝室定位更准。因此，要求有庞大的快、准、稳的电子读出电路。这种由大型快速电子电路、计算机组成的系统只是在70年代中出现大规模集成电路、混合集成电路和发射极耦合逻辑电路等器件后才得以实现。这种全电子式探测器在高能物理实验中逐步取代了1952年发明的汽泡室。

1974年，丁肇中和B.里克特分别用全电子学方法发现J/Ψ粒子，间接地证实了第四种夸克的存在，打破了粒子物理界近10年的停滞状态，因而同获1976年诺贝尔奖金物理学奖。

到70年代末，以微型计算机为基础的成套核电子仪器系统，如核能谱测量系统，在核科学技术各领域中得到广泛的应用，而大型的核信息获取与处理系统已成为高能物理前沿实验中的必要手段。

1983年初，欧洲核子研究中心的UA-1、UA-2实验组在SPS质子－反质子对撞机上观察到中间玻色子W+、W-和Z0的衰变现象。它们是电磁作用和弱作用力统一理论所预言的粒子。其中的两个关键是：①用电子学反馈方法实现反质子环中的随机冷却；②实验所用的探测设备重达2000吨，除磁铁重800吨外，其余皆为探测器电子学系统，其中使用了数百个微处理器。

进入80年代后，核电子学本身也伴随其他科学技术的发展而得到发展。新的探测器件和材料(如锗酸铋、氟化钡BaF2)相继出现，使核电子仪器的性能指标不断刷新。

核电子学是在不断满足迅速发展的核科学技术的需要而发展起来的，它也不断吸收其他科学技术的成就，特别是各电子学分支学科的成就。同时它也不断地向其他领域扩散自己的知识。核电子学中对脉冲幅度和时间间隔的精密测量和甄别等技术，对40年代雷达和电子计算机的迅速发展提供了有用的经验。纳秒脉冲技术也是在核电子学中领先得到发展的。现代的高速模－数转换技术起源于核电子学中多道脉冲幅度分析技术。核电子学与其他学科相互渗透而出现了一些边缘学科。1

研究对象核电子学的研究对象包括：

①各种辐射探测器及与之相应的电子电路或系统。

②针对核信息的随机性、统计性或单次性等特点的各种精密的电子学测量技术；时间间隔（微秒到皮秒）、空间分辨（毫米到微米）。

③配有在线电子计算机的核电子系统，用于在核科学技术和高能物理实验中实时获取并处理巨量核信息，在实验全过程中不间断地对整个系统工作的监测和控制。

④电子原材料、电子元件、器件和电子设备或系统在核辐射、核电磁场下的辐射效应和相应的抗辐射加固技术。

⑤核技术在工业、农业、军事、医学、生物研究等方面应用时所需的各种辐射探测技术和电子技术。

应用领域核技术逐渐更多地从军事转向民用领域，因而对核电子学也提出了更广泛而深入的要求。如在电子器件和电路的发展过程中，尤其是在半导体时代，核电子学对元件、器件和电路都有某些特殊要求，如高可靠性、高稳定性、辐射环境下的生存和应用等。这些特殊要求是许多电子系统必需考虑的，因而也促进了电子工业的发展。至于核能应用和航天电子设备的抗辐射加固，更需要抗辐射电子学作出贡献。

核信息获取和处理系统的实时性强、速度快和功能灵活，为其他领域提供了许多有用的经验。例如，核电子学中的 CAMAC标准也在国防和工业上得到应用。70年代以后，核医学诊断吸收了核电子学方法，使同位素扫描技术发展成γ照相机技术，又进而发展成断层照相技术。

一种高速模数转换电路在核电子学中的应用高速模数转换电路是采用AVR单片机ATmega128作为主控制器，取代C51系列单片机，选用高速模数芯片AD9220(10MSPS)代替原来的ADl674(100KsPS)作为模数转换器，转换速率高，可以达到5Ms/s。实验证明，该电路应用到γ射线探测系统中，将整个系统探测通道的采集速率提高了几十倍。

在核探测领域中，需要高速数据采集，其探测通道必须具有高速模数转换电路，对探测器输出信号进行采集。以探测γ射线为例，γ射线探测器输出信号多为1～2微秒的脉宽，若要对其峰值进行采集，探测通道的采集速率必须大于1MS/s。典型的模数转换电路大部分是采用C51系列单片机作为控制器，选用AD574、AD674、AD774、ADl674作为模数转换器，这种电路的模数转换速率最高为100Ks/s。如果采用上述方法，根本不能满足要求。

γ射线探测系统主要用来测量4MeV正离子静电加速器在运转过程中产生的γ射线强度及吸收剂量率，以为加速器防辐射安全提供了确切依据。主要由γ射线探测器、放大电路、峰值保持电路、高速模数转换电路、USB接口电路和PC机组成。

探测器输出与γ射线能量成正比的电压脉冲经过放大后进入峰值保持电路，ATmega128控制AD9220对其峰值进行模数转换，最后由PC机发出读取数据的命令，将采集到的数据通过USB接口电路传输给上位机，并进行数据处理显示。利用γ射线探测系统探测Cs得到的全能峰中可以看出Cs的半高宽为174，能量分辨率为7.73%。2

分频电路在核电子学中的应用在数字逻辑电路设计中，分频电路是电子设备和电子系统中常用的一种基本电路，通常用来对某个给定频率进行分频，以得到所需的频率。分频电路不仅广泛应用于数字系统特别是无线通信系统中，如载波恢复、上下变频，比特同步、时隙同步等等，在核电子学中也有着重要应用。例如在基于慢正电子束流的正电子寿命谱仪中，随时间连续分布的慢正电子束流经微束团化系统后转化为了频率为37.4275MHz、脉冲宽度为200～300ps的脉冲束流。而聚束器的谐振频率为149.89MHz，为保持信号源的一致性需要一个分频模块将149.89MHz的谐振频率转化为37.4275MHz的脉冲束流，才可以利用慢正电子束流装置进行正电子寿命的测量。

电路数字分频器一般有两类：一类是脉冲波形均匀分布的分频器，即常规分频器；另一类是脉冲波形不均匀分布的分频器。常规分频器一般只能进行整数分频，且分频倍数须为偶数。但在某些场合，时钟源与所需的频率不成偶数倍数关系，此时就需要波形不均匀的分频器。3