本章要解决的问题 谈“核”色变？核辐射到底是什么？ 核电子学研究的对象是什么？ 与普通电子学（模电）有何不同？ 难点：阻抗匹配

核电子学 Nuclear Electronics http://jpkc.fudan.edu.cn/s/336/main.htm 张雪梅 zhangxm@fudan.edu.cn

在核辐射探测技术和电子技术基础上发展起来的电子学与核科学间的一门交叉学科。形成于20世纪50年代。 　　在核辐射探测技术和电子技术基础上发展起来的电子学与核科学间的一门交叉学科。核电子学形成于20世纪50年代。其内容包括：核科学、高能物理和核技术中有关核辐射和粒子探测的电子技术；核爆炸和外层空间的辐射对电子系统的效应和抗辐射的加固技术；核技术应用中所需的核电子技术。核辐射现象（天然放射性）发现于1896年。1926年H.盖革等发明了能探测单次辐射的GM计数管，使核物理实验得到了电子技术的支持，从而促成了核物理学和高能物理学上一系列重要的发现。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，是核物理实验中早期的有力工具。第二次世界大战开始后，围绕核武器的研制，核电子学得到更大发展，逐渐形成了一门学科。1949年，R.L.霍夫斯塔特发明了闪烁计数器，推动了核γ谱学和相应测量仪器γ谱仪的发展。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。60年代中期，核电子仪器的晶体管化几乎已全部实现。1968年和1970年，卡尔帕克先后发明了多丝室和漂移室探射器，它们的信号丝数可达数万。因此要求有快、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在70年代中出现大规模集成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了J／Ψ粒子。1983年在欧洲核子研究中心的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。核电子学是在不断吸收其他科学技术特别是电子学各分支技术成就中发展的，同时也作出了自己的贡献。如核电子学中对脉冲幅度和时间间隔的精密测量和甄别技术，对40年代雷达和电子计算机的发展提供了有益的经验。在核电子学中还首先发展了纳秒脉冲技术，并在多道脉冲幅度分析技术基础上发展出高速模-数转换技术等。核电子学的研究对象包括：①各种辐射探测器和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，在实验全过程中对整个系统工作的监测和控制。④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。例如，20世纪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。 在核辐射探测技术和电子技术基础上发展起来的电子学与核科学间的一门交叉学科。形成于20世纪50年代。

辐射 辐射充满着整个空间 E.g. background radiation 2006年诺贝尔物理学奖 J. C. Mather and G. F. Smoot, USA

高能电磁波如：射线（X射线），属于核（电离）辐射范畴。 电磁波（电磁辐射） 高能电磁波如：射线（X射线），属于核（电离）辐射范畴。

核（电离）辐射 电离辐射：10 eV -10 MeV 主要来源于原子核或核外电子的某些过程 放射性

放射性 在人们发现的二千多种核素中，绝大多数都是不稳定的，它们会自发地蜕变，变成另一种核素，同时放出各种射线（核辐射）。这样的现象称为放射性衰变。 稳定核素：271种 放射性核素： 2500多种 其中，天然：仅60多种 人工：绝大部分 摘自杨福家《原子核物理》 核素：AX

放射性衰变的种类 中性核辐射 带电粒子核辐射 高能电磁辐射 (X射线, 射线) 中子 (各种能量的中子) 轻的带电粒子 (电子、正电子、β射线) 重的带电粒子 (α粒子、质子、重离子等)

核辐射（重点） 也称为电离辐射、射线，泛指原子或原子核的某些过程（如核衰变或核裂变等）放出的粒子，或由加速器加速的离子或核反应产生的各种粒子，包括（4He2+）、3He、p、d、t等重带电粒子，重离子和裂变碎片，e+、e-（射线）等轻带电粒子，X、射线，中子等。 包括：高能电磁波：X、射线； 粒子：带电粒子、中性粒子等。

核辐射无处不在 核辐射是双刃剑，既有其危害性，更有着无可替代的优越性，为人类的当代生活带来了便利。 核工程与核技术

核电 核裂变和核聚变 我们面临严峻的能源危机和环境危机! 核电是解决危机的重要出路 目前世界最先进的AP1000核电站 化石能源行将用完：（2002年探明储量） 煤炭： 可采218年 石油： 可采48年 天然气：可采67年 环境污染无法承受(全球每年CO2 排放200亿吨)！ 核电是解决危机的重要出路 核裂变和核聚变 过渡能源：铀钍资源——裂变能 热中子堆：可用50年 快中子堆：可用3000年 未来能源：氘氚资源——聚变能 可控聚变堆：可用200亿年 目前世界最先进的AP1000核电站

核技术应用 核成像技术 离子束分析 同位素示踪 检测用核技术 辐射工艺 等

X射线成像技术 地铁、机场等地的安全检查 X射线行李安检系统

医学影像学 核成像技术通过对射线的利用，探测物体的内部组成 和结构，获得物体的图像，而不必破坏该物体。

大型集装箱检测系统 大型集装箱检查系统的工作原理与医院里的Ｘ光检查设备类似，都是利用辐射成像技术来透视物体内部的结构。辐射成像是利用辐射源产生的放射线来对物体拍照，Ｘ射线是辐射成像中最常用的放射线。Ｘ射线比普通光的波长短，能量高，穿透力强。而且Ｘ射线的另一特点是它在透过物体时会吸收一部分，吸收量的大小与穿透物体的密度有关，根据这一大小差异，我们可用Ｘ射线直接拍摄到物体内部的图像。但是，医院或机场所使用的Ｘ射线透视检查无法用于大型集装箱的检查，因为集装箱所承载货物的体积从２０立方米到８６立方米，重量从２．５吨到３０吨不等，尺寸太大无法一次成像；集装箱是由２毫米厚的钢板焊接而成的，普通的Ｘ射线放射源无法穿透。为此，必须研制扫描成像技术和高强度的射线源，但又要保护周围环境和使用人员的安全。

检测用核技术用核物理方法测量地下的矿藏和工业规模 材料的厚度、密度、重量、成分以及测量界面等等。 工业在线测厚仪

同位素示踪技术成为生物、化工、医学 和地矿领域中必不可少的强有力的工具。

核技术应用已渗透到我们当代生活的方方面面，深化了农业的绿色革命，促进了工业的技术改造，推动了环保事业的发展，提高了人类征服疾病的能力。 核辐射探测与测量是核技术应用和开展 核相关实验研究的基础

核辐射探测与测量 核辐射探测与测量方法 核电子学 核辐射探测系统=核辐射探测器+核电子学仪器 探测器 核电子学系统

核电子学 核辐射现象（天然放射性）发现于1896年。 核电子学形成于20世纪50年代。 核电子学是在不断吸收其他科学技术特别是电子学各分支技术成就中发展的，同时也作出了自己的贡献。如核电子学中对脉冲幅度和时间间隔的精密测量和甄别技术，对40年代雷达和电子计算机的发展提供了有益的经验。在核电子学中还首先发展了纳秒脉冲技术，并在多道脉冲幅度分析技术基础上发展出高速模-数转换技术等。

核电子学范畴 广义讲，泛指核科学领域的各种电子学方法： 核辐射探测器电子学 核物理及核技术应用等 粒子电子学 高能基本粒子的基础研究 加速器电子学 高频振荡、磁场稳定、参数控制 核反应堆 自动控制、电子模拟与设计 同位素应用仪表 核医学电子仪器 计量测量仪表与安全防护 电子学的辐照损伤的研究 核心：对核信号进行测量与分析的电子技术，即大量常用的对核辐射探测器的信号作放大、处理、分析和记录所采用的各种电子仪器、装置以及与计算机相配合的实验测量系统。

核电子学的研究对象和内容（重点） 核电子学与普通的电子学到底有哪些不同？ 核辐射探测器的输出信号 处理和分析核辐射探测器给出的电信号。用电子学方法对信号脉冲的幅度、时间、波形和数目等参量的获取、处理和分析，可以获得核辐射的能量、电荷量、时间、空间等各种性质。 核电子学与普通的电子学到底有哪些不同？

核辐射探测器 气体探测器 半导体探测器 闪烁探测器 等

气体探测器 平行板电离室 iD 正比计数器 iD

半导体探测器

闪烁探测器

核辐射探测器的等效电路（重点） 探测器可以看作一个电流源，以气体探测器（电离室）为例： 测量仪器 当RD远大于外电路电阻时：

（第一打拿极上接收到一个光电子所损耗的入射粒子的能量） 电流脉冲中包含的时间特性和电荷信息与探测器种类有关 电离室 正比计数管 闪烁探测器 半导体探测器 平均电离能W 33 eV （不同气体20-40eV之间） 同左 300eV （第一打拿极上接收到一个光电子所损耗的入射粒子的能量） 3eV 倍增系数A 1 102-104 ~105 1MeV能量所产生的电荷对数 3×104 电子离子对 ~107电子离子对 108电子 3×105 电子空穴对 在10pF电容上输出幅度（V/MeV） 4.8×10-4 0.16 1.6 4.8×10-3 电流持续时间 s 0.1-1s 1-100ns 几十ns 电源电压 几百-几千伏 几百到几千伏 几十到一、二千伏 几百到一、二千伏 探测器可等效为一个电流源与CD并联， 电流脉冲中包含的时间特性和电荷信息与探测器种类有关

核辐射探测器的输出信号 核辐射探测器的输出信号是一系列幅度大小不一、波形不尽一致、前后间隔疏密不均匀出现的时间随机分布的电流脉冲（持续时间为ns-s），在体电容上建立的电压脉冲幅度多为mV量级。 电流脉冲由核辐射的性质及探测器的响应所决定，对这些脉冲进行测量，可以得到有关核辐射的信息。

对后续电路（输出回路）的选择，取决于物理参数的测量 RC>>0 RC<<0 测量仪器 输出回路 能谱测量 对后续电路（输出回路）的选择，取决于物理参数的测量 时间测量

核辐射探测器输出信号小结 更多的知识 可在《核辐射探测与测量方法》课中学习 电离辐射探测器都能产生相应的输出电流，持续时间在纳秒到微秒，在电路分析中，可把它等效为电流源； 该输出电流具有一定的形状，即有一定时间特性，所以可用于时间分析； 如在输出电容上取积分电压信号，电压幅度正比于E，可做入射粒子能量测量。 更多的知识 可在《核辐射探测与测量方法》课中学习

核电子学的特点 处理的对象是宽度从纳秒量级到微秒量级的电流脉冲信号。 电流脉冲信号在时间上和幅度上是随机变化的、即非周期的和非等值的。 测量的精度要求高。一般时间测量可达到100ps的量级，使得空间分辨率达到几十微米量级，幅度测量的精度能达到千分之一。

核电子学系统的组成 探测器输出脉冲幅度在mV-V之间，对于小的信号需要放大，是否选择放大器与所使用的探测器有关 探测器输出脉冲波形与输出回路的时间常数有关，对于不同实验目的的实验测量系统，如能量测量、计数测量或时间测量，电子学插件的选用也不同

典型的核电子学系统 核电子学系统 高压电源 探测器 主放大器 计数器 前置放大器 数据获取和处理 信号处理

核电子学系统组成框图 探测器 前置放大器 线性放大 滤波成形 堆积判弃 基线恢复 幅度甄别 模数变换 时幅变换 时间数字变换 时间甄别 时间检出 快放大器 幅度分析 时间分析 能量信息 时间信息 位置信息 至数据获取和处理系统

实验测量系统的组成 探测器 核电子学系统

实验测量系统的组成

核电子学课程安排 预备知识 信号处理 数据获取 数据处理 以PPT为主 核电子学讲义 周三 第一周 概述 同轴电缆的信号传输 第二周 信号分析基础 RC电路基础 模电相关知识回顾 第三周 前置放大器 第四周 脉冲放大器 第五周 第六周 堆积判弃和基线恢复 第七周 脉冲幅度分析 第八周 第九周 时间分析 第十周 第十一周 计数设备 第十二周 多道分析器 第十三周 核电子学中的标准、 典型核电子学系统介绍 第十四周～第十六周 实验课 预备知识 信号处理 数据获取 数据处理 以PPT为主 核电子学讲义

其他参考书： 核电子技术原理 王芝英 主编 原子能出版社 核电子学（上、下） 王经瑾等编著 清华大学核电子学专业讲义 核电子学概要 唐兆荣等编译 原子能出版社 核电子学基础（上、下） 周志成编著 原子能出版社 模拟电子技术基础（第三版） 童诗白等主编 高等教育出版社 数字电子技术基础（第三版） 童诗白等主编 高等教育出版社

成绩 平时 40% 作业20% 出勤情况5% 实验情况15% 期末 60% 不得无故缺课，违反者按学校教务处规定处理。

需要的基础知识 同轴电缆的信号传输 信号分析基础 RC电路基础 模拟电子技术基础 脉冲电路基础

同轴电缆的信号传输 同轴电缆构造图

同轴电缆的等效图 L C Vi Vo L：分布电感，单位长度电缆的电感 C：分布电容，单位长度电缆的电容

表征电缆的基本参量 传输时间d：为电压传播经过单位长度的电缆所需的时间 RG58、RG59传输时间约为5ns/m 特征阻抗Z：由单位长度电缆的电感和电容来求得

阻抗匹配 R=Z U K A IA B IL Z Ir RL= R=Z RLZ 设 IL=IA+Ir VL=VA+Vr

阻抗匹配(R=Z) 反射系数 RL=Z，K=0 RL=0，K=-1 RL=，K=1 vA U/2 U t vB td td 2td t

**为使电压或电流脉冲无形变地从电缆的一端传到另一端，需要信号源内阻、电缆阻抗和负载阻抗至少在一端匹配 。尤其在快信号的传输中。 阻抗匹配（重点、难点） **为使电压或电流脉冲无形变地从电缆的一端传到另一端，需要信号源内阻、电缆阻抗和负载阻抗至少在一端匹配 。尤其在快信号的传输中。

慢信号传输中的反射 1s

快信号传输中的反射 在快信号的传输中一定要注意阻抗匹配问题

小结（重点） 辐射、电磁辐射、核（电离）辐射 核电子学的研究对象和内容 核电子学的特点 核辐射探测器的等效电路 阻抗匹配 核辐射探测器的输出信号 处理和分析核辐射探测器给出的电信号。用电子学方法对信号脉冲的幅度、时间、波形和数目等参量的获取、处理和分析，可以获得核辐射的动量、能量、电荷量、时间、空间等各种性质。 核电子学的特点 处理的对象是宽度从纳秒量级到微秒量级的电流脉冲信号。 电流脉冲信号在时间上和幅度上是随机变化的、即非周期的和非等值的。 测量的精度要求高。一般时间测量可达到100ps的量级，使得空间分辨率达到几十微米量级，幅度测量的精度能达到千分之一。 核辐射探测器的等效电路 电流源：纳秒到微秒 电压脉冲：mV-V 阻抗匹配