核电子学的发展简史

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发现核辐射现象

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、甄别器、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。

原子弹爆炸

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。

辐射探测器发展

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。

闪烁探测器发展

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。

核电子学名称诞生

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。

半导体探测器研制

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。

全电子式探测器发明

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。这两种丝室的尺寸已可做到6×6米^2，信号丝数可达数万。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。

打破停滞

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(桀)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。

计算机的应用

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BGO、氟化钡BaF2)相继出现,使核电子仪器的性能指标不断刷新。

相互促进

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。

γ能谱分析方法

功能性核磁共振是在病变尚未出现形态变化之前，利用功能变化来形成图像，以达到早期诊断的目的。

包括：1、弥散成像（diffusion imaging DI）；

2、灌注成像（perfusion imaging，PI）；

3、磁共振波谱分析(magnetic resonance spectroscopy,MRS)

4、皮层激发功能定位成像，等。

主要对于脑血管、神经功能方面的疾病在早期诊断方面比普通MRI更有优势

这种大型医疗器械属于医院专用，大一点的城市三级医院都有，不过更新换代很快，尤其是3级医院1-2年更换一次，造价在几十万到百万以上，检查费也不等，普通的在四百元左右，强化核磁共振检查费是1600元左右。

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探测器种类不同，γ能谱分析方法常常不同，下面主要介绍NaI(Tl)γ谱仪能谱法和高纯锗γ谱仪能谱法。

66.6.2.1 NaI(Tl)γ谱仪能谱法

主要仪器BH1936低本底多道γ能谱仪。对137Cs点源γ射线的能量(661.661keV)分辨率应小于9%，系统能量线性≤1%(50keV～2.0MeV)，核素比活度分析不确定度≤20%。

(1)试样的采集和制备

高纯锗(HPGe)或碘化钠［NaI(Tl)］γ能谱仪能够对地质、水、土壤、环境和生物试样进行放射性γ核素(Ra、Th、K)分析。试样的采集应根据统计抽样的原则，充分考虑到试样的代表性。试样的采集和制备应根据不同的试样采取不同方法的原则，具体试样的采样量和制备如下:

A.地质试样和环境试样的制备。采样用随机抽样的方法，采样点应注意土壤或环境试样的空间分布。对一个测区而言，采样点越多，试样重量越大，越具有代表性。

每一采样点上采集试样的体积和质量对测量结果的平均值和变异性有直接的影响，试样量越多，平均值的变异越小。决定试样采样量时，应考虑采样对象的粒度、成分、部位、时间、放射性水平和监测仪器的最低探测限。

原则上，最小采样量由监测分析样量MAmin和备用量M0min两部分构成，即:

M=MAmin+M0min

若仪器的最低探测限为LD，则单次分析所需最小试样量为:

岩石矿物分析第三分册有色、稀有、分散、稀土、贵金属矿石及铀钍矿石分析

式中:MAmin为单样最小分析试样量，L或kg;LD为仪器最低探测限，Bq;Y为分析方法的化学回收率;η为仪器的探测效率，s-1·Bq-1;A为一试样中待测核素的浓度或比活度，Bq;λ为待测核素的衰变常数，s-1;t为从采样到测量之间的时间间隔，s。

按公式估计的单样监测分析最小试样量MAmin乘以所需试样容量n，即可求得最小采样总量MAmin。储存备用试样量一般可取MAmin的1～3倍，为事后重复测量、仲裁所需的试样量。

地质试样或环境试样采集后，应剔除杂质、碎石等异物。经烘干至恒量后，用粉碎机粉碎过筛(粒径不大于0.16mm)，称量后装入与刻度谱仪的体标准源相同形状和体积的试样盒中，称量(精确至1g)、密封、待测。

B.生物试样的制备。采集的试样必须具有代表性，试样的预处理详见GB/T16145—1995补充件，采集的试样量可根据下面的方程来估算:

岩石矿物分析第三分册有色、稀有、分散、稀土、贵金属矿石及铀钍矿石分析

式中:A为分析试样的放射性比活度，这是可定量分析的最小活度，Bq/kg(L);t为测量试样的时间，s;a为在时间t内，谱仪可测量到的最小计数率，s-1(通常指核素特征峰面积计数率);W为采集试样质量或体积，kg(L);ε为谱仪探测效率(通常指全能峰效率)，%;f为被测试样所占采样量份额(包括灰样比，详见GB/T16145—1995附件);P为被分析核素特征峰的γ发射概率;Y为化学分析回收率。

估算时因参数(ta)、W、f、ε、Y等值在很大范围内可有多种组合满足式(66.52)，故应根据测量的目的要求、现有条件和花费成本最低等原则，实行优化组合来确定采样量的多少。对一台测量装置固定的γ谱仪，可根据相对测量误差的要求，对(ta)值和特性指数(f、ε、P、Y、t)作出一些估计和假设，然后按A-W关系曲线确定W值。当试样可能出现多种核素时，应以估计的W值中最大者为确定的采样量。

A值可根据占有资料分析估计，或通过粗略预测来估计。当监测的目的是判断和记录核素浓度是否超过限值1/10或1/4以上浓度时，A值可用相应1/10或1/4限值浓度来代替。

根据试样放射性核素含量强弱，试样量(质量或体积)多少，谱仪类型和其系统的主要性能指标，以及现有条件，选择最合适的试样盒制备试样。制备试样应满足下列原则要求。

a.确保使用的试样盒未被放射性污染。

b.对可能引起放射性核素壁吸附的试样(如液体或呈流汁状态试样)，必须选择壁吸附小或经一定壁吸附预处理的试样盒装样。

c.装样密度尽可能均匀，并尽量保证与刻度源的质量、密度、体积一样。

d.对含有易挥发核素或伴有放射性气体生成的试样，以及需要使母子核素达到平衡后再测量的试样，在装样后必须密封。

e.对试样量充足，预测核素含量很低，装样密度又小于标准源的试样(通常可能是一些直接分析的试样)，可以选用特殊的工具和手段(如压缩机)，把试样尽可能压缩到试样盒中。

f.装样体积和试样质量应尽可能精确，前者误差应控制在5%以内，后者应小于1%。

C.水试样的制备。一次分析所需水样的量由下式计算:

岩石矿物分析第三分册有色、稀有、分散、稀土、贵金属矿石及铀钍矿石分析

式中:V为一次分析所需用水量，L;A(LLD)为γ能谱系统的探测下限，Bq;Q为试样中核素的预计浓度，Bq/L;r为预处理过程中核素的回收率。

如果要求做n个平行样，需要的总水样量为nV。

当水样中的放射性核素浓度大于1Bq/L时，可以直接量取体积大于400mL的试样置于测量容器内，密封待测，否则应进行必要的预处理。

水样预处理要在不损失原样中放射性核素的条件下均匀地浓缩以便制成γ能谱测量分析的试样。降水(雨水、雪水)，淡水(河水、湖水、饮用水等)和海水试样的预处理方法参见GB/T16140—1995附录A(补充件)。

(2)试样的测量

当低本底γ能谱分析系统(以下简称低本底γ谱仪)经过严格的能量刻度、探测效率和探测下限的确定后，在进行试样测量前用标准试样进行系统的稳定性和状态检查，以便及时发现问题，确保测量分析结果的准确有效。

A.测量的基本程序。

a.测量γ能谱仪的本底。一般情况下，由于本底计数很低。对于低含量试样来说，为了保证本底测量的结果满足一定的统计涨落要求，本底测量一般测量时间较长，需要测量8～10h，然后将本底谱存入计算机系统以备后用。

b.测量标准源。检查系统的状态与稳定性。每次正式测量开始时，都应首先进行标准源测量。

c.测量试样。将待测试样放入谱仪系统待测位置，使被测试样与标准源的测量状态保持一致。即试样盒、装样量、密封条件一样;放置的几何条件一样;测量时间一样。获得试样的γ能谱。

d.分析测量结果。对测得的γ能谱的分析主要是定性分析(即识别峰位，确定所含放射性核素)和定量分析(即确定所含放射性核素的比活度)。

e.测量结果的不确定度分析与对试样的评判。

B.试样核素活度的计算。当测量获取的试样谱存盘后，调用谱仪的谱分析程序进行核素的定性、定量分析。

首先，程序用指定的寻峰方法进行寻峰(也可以先对谱数据进行平滑)。程序常用的平滑方法有多项式最小二乘移动平滑法和多项式加权平滑公式。常用的寻峰方法有一、二、三阶导数法等。寻峰的结果确认谱中存在的全能峰并确定其峰位，计算峰位所对应的能量。然后，程序对每一个寻找到的峰计算其峰净峰面积(用TPA法或函数拟合法)，并于核素库中的谱数据进行比较，确认谱中存在的核素。对确认的核素计算其活度值。

a.效率曲线法。活度计算公式:

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式中:A为试样中核素的活度，Bq/L和Bq/kg;a为特征峰面积计数率，s-1;b为本底峰面积计数率，s-1;C符为符合相加修正因子;P为γ发射概率;ε为γ射线全能峰效率;Fa为相对自吸收修正系数;M为试样质量或体积，kg或L;t为核素衰变时间，即从采样到测量的时间间隔;λ为核素衰变常数，λ=ln2/T1/2，T1/2是半衰期，它和ta的单位一致;

Cd为核素在测量时间的衰变校正因子，按下面公式计算:

Cd=λtc/(1-e-λt)

这里，tc为测量试样的真实时间。如果分析的核素半衰期与测量的时间相比很长，Cd可取为1。

b.相对比较法。程序分析给出峰净面积以后，活度A可按下式计算:

岩石矿物分析第三分册有色、稀有、分散、稀土、贵金属矿石及铀钍矿石分析

其他符号含义与式(66.54)相同。

当使用几个γ射线全能峰测定某核素的活度A时，应首先由每个全能峰按上式分别计算出该核素的活度Ai及其第一类不确定度δA，然后由下式计算:

岩石矿物分析第三分册有色、稀有、分散、稀土、贵金属矿石及铀钍矿石分析

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可见，使用几个γ射线全能峰，可减小A的统计不确定度。

66.6.2.2 高纯锗γ能谱分析法

详见66.3.2高纯锗γ能谱分析法。

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