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核電子學(xué)
核電子學(xué)所屬現(xiàn)代詞，指的是在核輻射探測技術(shù)和電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的電子學(xué)與核科學(xué)間的一門交叉學(xué)科。
基本信息
| 外文名 | nuclear electronics |
| 類別 | 電子學(xué)與核科學(xué)間的一門交叉學(xué)科 |
| 所需技術(shù) | 核電子技術(shù) |
概述
發(fā)展簡史
核輻射現(xiàn)象（天然放射性）發(fā)現(xiàn)于1896年。1926年，H.蓋革等發(fā)明GM計(jì)數(shù)管，單次輻射通過時發(fā)出一個電脈沖，經(jīng)電子管放大后，可驅(qū)動電話發(fā)出聲響。聲響的疏密反映輻射源的強(qiáng)弱，還可用示波儀進(jìn)行記錄，或觸發(fā)閘流管而驅(qū)動機(jī)械計(jì)數(shù)器。這項(xiàng)發(fā)明使核物理實(shí)驗(yàn)得到了電子技術(shù)的支持，從而促成了30年代以來核物理學(xué)和高能物理學(xué)上一系列重要的發(fā)現(xiàn)。1930年，B.羅西用三重符合電路發(fā)現(xiàn)了宇宙線在東西方向上的不對稱性。1932年，P.M.布萊克特等人又用此電路啟動云室拍照，大大提高了云室的效率。C.D.安德森用這樣的云室研究宇宙射線時發(fā)現(xiàn)了正電子（1932年）和μ介子(1936年)，獲得了1936年諾貝爾獎金物理學(xué)獎。這些成就加深了人類對原子核的認(rèn)識，也使物理學(xué)家對電子學(xué)方法的優(yōu)越性的認(rèn)識逐步提高。30年代初，人們就致力于為核物理實(shí)驗(yàn)研制專用的成套電子儀器。1931年，盧瑟福實(shí)驗(yàn)室制成包括放大器、甄別器、計(jì)數(shù)器和電源的成套電子儀器，成為核物理實(shí)驗(yàn)中早期的有力工具。
第二次世界大戰(zhàn)開始后，核電子學(xué)圍繞核武器的研究得到更大的發(fā)展，逐漸形成了一門學(xué)科。1945年，第一顆原子彈的爆炸，又向核電子學(xué)提出很多新課題，如怎樣探測核爆炸的各種機(jī)制和核爆炸產(chǎn)生的強(qiáng)電磁脈沖對電子設(shè)備的影響、損壞機(jī)制以及如何將電子設(shè)備加固以抗核脈沖的沖擊等。
1949年，R.L.霍夫斯塔特發(fā)明了用碘化鈉（鉈）晶體制成的閃爍計(jì)數(shù)器。這是輻射探測器的一次重大發(fā)展。它推動了核γ譜學(xué)和相應(yīng)的測量儀器γ譜儀的發(fā)展。γ譜儀的電子學(xué)部分，是一個對閃爍探測器輸出的電脈沖進(jìn)行幅度分析的儀器。
50年代初，由于閃爍探測器的快速時間響應(yīng)，核電子學(xué)已開拓了納秒脈沖技術(shù)，應(yīng)用在放大、甄別、計(jì)數(shù)、符合、時間測量等技術(shù)上。同一時期，對核探測器的噪聲問題也進(jìn)行了理論分析，并開展了低噪聲譜儀放大器的研究，使核能譜的測量工作在速度上和精度上大為提高。
50年代中、后期，高能加速器出現(xiàn)，物理學(xué)家開始尋找新的基本粒子。他們利用各種閃爍探測器和核電子學(xué)方法，取得了許多重要的物理學(xué)成就。1958年，第一次國際核電子學(xué)會議在貝爾格萊德召開，此后，核電子學(xué)的名稱正式為國際有關(guān)學(xué)術(shù)界采用。
進(jìn)入60年代時，已研制出各種半導(dǎo)體探測器，特別是鍺（鋰）漂移半導(dǎo)體探測器。其γ能量的分辨能力比閃爍探測器約高兩個數(shù)量級，時間分辨和本底也優(yōu)于閃耀體。不足之處是它必須在77K的低溫下工作，要用液氮來保持，不太方便。60年代末，已研制出能在常溫下保存的高純鍺探測器。
到60年代中期，核電子儀器的晶體管化幾乎已全部實(shí)現(xiàn)。晶體管化還促進(jìn)了核電子儀器的標(biāo)準(zhǔn)化。1968年，卡爾帕克發(fā)明了多絲室探測器。當(dāng)粒子通過密布在不同層上、數(shù)目眾多的某些絲時，這些絲便發(fā)出電信號。如果讀出絲的編號，就可以判定粒子通過的位置。1970年，他又研究出漂移室，比多絲室定位更準(zhǔn)。這兩種絲室的尺寸已可做到6×6米2,信號絲數(shù)可達(dá)數(shù)萬。因此，要求有龐大的快、準(zhǔn)、穩(wěn)的電子讀出電路。這種由大型快速電子電路、計(jì)算機(jī)組成的系統(tǒng)只是在70年代中出現(xiàn)大規(guī)模集成電路、混合集成電路和發(fā)射極耦合邏輯電路等器件后才得以實(shí)現(xiàn)。這種全電子式探測器在高能物理實(shí)驗(yàn)中逐步取代了1952年發(fā)明的汽泡室。
1974年，丁肇中和B.里克特分別用全電子學(xué)方法發(fā)現(xiàn)J/Ψ粒子，間接地證實(shí)了第四種夸克(桀)的存在，打破了粒子物理界近10年的停滯狀態(tài)，因而同獲1976年諾貝爾獎金物理學(xué)獎。
到70年代末，以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的成套核電子儀器系統(tǒng)，如核能譜測量系統(tǒng)，在核科學(xué)技術(shù)各領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用，而大型的核信息獲取與處理系統(tǒng)已成為高能物理前沿實(shí)驗(yàn)中的必要手段。
1983年初，歐洲核子研究中心的UA-1、UA-2實(shí)驗(yàn)組在SPS質(zhì)子－反質(zhì)子對撞機(jī)上觀察到中間玻色子W+、W-和Z0的衰變現(xiàn)象。它們是電磁作用和弱作用力統(tǒng)一理論所預(yù)言的粒子。其中的兩個關(guān)鍵是：①用電子學(xué)反饋方法實(shí)現(xiàn)反質(zhì)子環(huán)中的隨機(jī)冷卻；②實(shí)驗(yàn)所用的探測設(shè)備重達(dá)2000噸，除磁鐵重800噸外，其余皆為探測器電子學(xué)系統(tǒng)，其中使用了數(shù)百個微處理器。
進(jìn)入80年代后，核電子學(xué)本身也伴隨其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而得到發(fā)展。新的探測器件和材料(如鍺酸鉍BGO、氟化鋇BaF2)相繼出現(xiàn)，使核電子儀器的性能指標(biāo)不斷刷新。
核電子學(xué)是在不斷滿足迅速發(fā)展的核科學(xué)技術(shù)的需要而發(fā)展起來的，它也不斷吸收其他科學(xué)技術(shù)的成就，特別是各電子學(xué)分支學(xué)科的成就。同時它也不斷地向其他領(lǐng)域擴(kuò)散自己的知識。核電子學(xué)中對脈沖幅度和時間間隔的精密測量和甄別等技術(shù)，對40年代雷達(dá)和電子計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展提供了有用的經(jīng)驗(yàn)。納秒脈沖技術(shù)也是在核電子學(xué)中領(lǐng)先得到發(fā)展的?，F(xiàn)代的高速模－數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)起源于核電子學(xué)中多道脈沖幅度分析技術(shù)。核電子學(xué)與其他學(xué)科相互滲透而出現(xiàn)了一些邊緣學(xué)科。
基本研究對象
核電子學(xué)的研究對象包括：
①各種輻射探測器及與之相應(yīng)的電子電路或系統(tǒng)。
③配有在線電子計(jì)算機(jī)的核電子系統(tǒng)，用于在核科學(xué)技術(shù)和高能物理實(shí)驗(yàn)中實(shí)時獲取并處理巨量核信息，在實(shí)驗(yàn)全過程中不間斷地對整個系統(tǒng)工作的監(jiān)測和控制。
⑤核技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、醫(yī)學(xué)、生物研究等方面應(yīng)用時所需的各種輻射探測技術(shù)和電子技術(shù)。
應(yīng)用
核技術(shù)逐漸更多地從軍事轉(zhuǎn)向民用領(lǐng)域，因而對核電子學(xué)也提出了更廣泛而深入的要求。如在電子器件和電路的發(fā)展過程中，尤其是在半導(dǎo)體時代，核電子學(xué)對元件、器件和電路都有某些特殊要求，如高可靠性、高穩(wěn)定性、輻射環(huán)境下的生存和應(yīng)用等。這些特殊要求是許多電子系統(tǒng)必需考慮的，因而也促進(jìn)了電子工業(yè)的發(fā)展。至于核能應(yīng)用和航天電子設(shè)備的抗輻射加固，更需要抗輻射電子學(xué)作出貢獻(xiàn)。
核信息獲取和處理系統(tǒng)的實(shí)時性強(qiáng)、速度快和功能靈活，為其他領(lǐng)域提供了許多有用的經(jīng)驗(yàn)。例如，核電子學(xué)中的 CAMAC標(biāo)準(zhǔn)也在國防和工業(yè)上得到應(yīng)用。70年代以后，核醫(yī)學(xué)診斷吸收了核電子學(xué)方法，使同位素掃描技術(shù)發(fā)展成γ照相機(jī)技術(shù)，又進(jìn)而發(fā)展成斷層照相技術(shù)。
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