核电子学

[拼音]：hedianzixue

[外文]：nuclear electronics

研究用于电子学技术探测核粒子及辐射的电子学技的核物理分支学科。核科学的发展从一开始就是与电子学技术的应用紧密相联、相互促进的，核电子学的发展已为核科学、核工业和核技术应用提供了各种放射性仪器、仪表和系统设备。

当前核电子学的研究工作主要是在脉冲幅度测量、时间测量、高能物理实验多参量谱的获取、标准化、电子计算机的应用几个方面进行的。

核脉冲谱仪是常用的测量核粒子能量的仪器。核脉冲谱仪一般由射线探测器、探测器供电电源、线性脉冲放大器和多道脉冲幅度分析器（见核物理中的脉冲幅度分析器）组成。射线探测器把核粒子的能量变换成电脉冲信号，用多道脉冲幅度分析器测量经放大后的脉冲的幅度分布，就可以得到核粒子的能谱。为了达到较高的能量分辨率，除了需要使用能量分辨率较高的探测器之外，最重要的问题是减少测量系统的电子噪声提高测量系统的信噪比。降低电子噪声的关键是研制低噪声前置放大器，采用低噪声结型场效应晶体管，并把它置于低温环境中可以有效地降低电子噪声。此外也研制了一些低噪声前置放大器类型的电路，如漏反馈前置放大器、脉冲光反馈前置放大器等。目前，虽然在降低电子噪声方面作了很大的努力，在测量低能核粒子的能量时，电子噪声仍然是引起测量误差的主要原因。在前置放大器一定的情况下，主要通过提高整个测量系统的信噪比，减少电子噪声对能量分辨率的影响。常用的方法是在测量系统的信号传输通道中加入成形电路以改善系统的传输特性。早期的成形电路采用CR-RC阻容滤波网络，信噪比仅为理论极限值的73.5％。以后出现了有源滤波器、时变滤波器、横向滤波器以及各种数字滤波的方法，使得整个测量系统的信噪比达到仅比理论极限值小1.9％。

脉冲幅度测量系统中的另外一个问题是如何提高在高计数率条件下的性能。一般当输入脉冲计数率提高时，测得的能谱中的峰位将产生移动；峰的宽度增加即能量分辨率变坏。这与在测量系统中产生的脉冲堆积效应和基线波动有关。为改善测量系统在高计数率条件下的工作性能，除采用适于高计数率工作的成形电路之外，必须采取其他措施减少在计数率增高时所产生的能谱畸变。

近年来脉冲幅度测量系统的自动化程度和数据处理能力有了很大的提高。以电子计算机为中心控制部件的数据获取和处理系统不仅提高了实验自动化程度，而且能够以实验者要求的形式输出最终的实验结果（见核物理实验数据获取和处理系统）。

时间测量系统用于测量各种事件之间的时间关系。时间符合测量系统可以记录同时发生的事件的数目；多道时间谱仪则用来测量事件在时间上的分布。被测量的事件的时间间隔常常小于10^-9秒，因而需要研究脉冲响应时间为10^-9秒到10^-12秒的电路技术，这种电路技术称为快电子学。

时间测量系统中的一个重要问题是时间拣出的方法。理想的时间拣出电路的输出脉冲出现时间应严格地与事件发生的时间相关。实际上却存在有三个主要的误差来源。即时散、时颤和时间漂移。时散是由输入脉冲的幅度和波形变化引起的时间拣出电路的输出脉冲在时间上的不确定；时颤是由于电子噪声和探测器的统计涨落在时间拣出电路中引起的时间误差；而时间漂移是由电子元件老化引起的误差。为减小这些误差所研制的很多类型的时间拣出电路，已广泛应用在时间测量系统中。

时间谱的测量大都是采用时间-数码变换器进行的。可以采用不同的原理把时间间隔直接变换成相应的数码，也可以把时间间隔正比地变换成脉冲高度，然后用脉冲幅度分析器测量脉冲幅度分布，从而得到时间谱。

指按高能粒子探测器特点和需要而发展的电子学线路、仪器和数据获取及处理系统。高能物理实验常用的方法是用高能粒子束流打靶或对撞，研究它们的相互作用方式，产生的次级粒子的各种表现，测定它们的数量、方向、角度、能量、动量和电荷等，这样的测量系统中要使用探测器的数量很大，常常需要使用几百几千个光电倍增管，几十层多丝正比室或漂移室，丝数可达几万至十万根，每根丝都要求有一个前端电子学电路。另外，要求有较高的时间分辨率和 10^-9秒甚至^-11秒的快速时间响应。再者对被测粒子的空间定位精度要求很高。由于上述特点，高能物理电子学系统很庞大，为了完成一个实验首先需要上千个或几千个仪器插件，而且运行时间很长，要求有极高的可靠性和稳定性。第二，要求仪器插件能够灵活地组合成不同功能的实验系统以达到不同的实验目的，这就要求仪器插件有很好的灵活性和互换性。为此必须实现核电子学仪器的标准化。第三，这些仪器系统都是在线计算机化的数据获取和处理系统。由于实验中获取的数据量比较大，其中有用的数据又比较少，需要在数据获取过程中进行实时地快速判选，以压缩数据量，这样的系统又常常是由若干台微型计算机或小型计算机构成的分布式处理系统。第四，由于系统庞大，可靠性要求高，为了减少功耗和造价，除了大量使用通用电子学器件外，还必须发展能满足特殊要求的专用电子学器件。例如混合集成电路，专用的单片集成电路等等。

多参量谱中记录的每一类事件都由二个以上的参量表征。由于参量场非常大，构成谱所需的信息量也非常大。常用的快速存储器容纳不下这样大的信息量，必须发展一些优选重要数据，舍弃其他数据的获取和存储方法。常用的多参量谱的数据获取方法有:道址-计数联合存储法、分区选址联合存储法、赝随机数字变换选址存储法等（见核物理实验多参量数据获取）。

是为了使核电子学仪器有极大的通用性、灵活性和互换性而制定的仪器设计、生产、测试和使用都必须遵循的规范。早在20世纪50年代，核电子学仪器标准化的研究就已经开始了，直到1974年才形成了第一个国际公认的核电子学仪器标准 ──NIM标准，它在仪器插件和机箱的机械结构、信号电平、电源等四个方面作了标准化的规定。但是没有考虑插件之间，尤其是插件和计算机之间的信息传输问题。1968年欧洲核电子学标准化委员会(ESONE)制定了CAMAC标准。它是计算机和与其在线连接的仪器插件之间的，用于交换数据、控制信息的硬件、软件的标准规范。CAMAC 在考虑到与 NIM兼容的条件下制定了插件、机箱、信号电平和电源的规范，此外对于各插件之间，插件和计算机之间的信息传输方式也作出了标准化的规定。1975年国际电工委员会和美国电气及电子工程师协会相继宣布接受CAMAC标准，从而使CAMAC标准在其他领域也迅速得到推广。

目前国际上已广泛使用NIM和CAMAC系列的仪器，特别是在高能物理实验中被大量使用，其中通用的插件均已商品化，品种数以百计，其功能仍在不断提高和发展。

核电子学仪器的测试方法也有了标准化的规定，进一步提高了核电子学仪器标准化的水平。

电子计算机除了作为科学计算工具之外，在原子核实验的设计、实验系统的调试、数据获取和数据处理等各个实验阶段中都有广泛的应用，没有电子计算机的参与，一些大型实验几乎是不可能进行的。电子计算机在原子核实验中主要用于数据获取和获取过程的实时控制、数据传输、数据处理、实验设备的运行监测和过程控制等。

电子计算机可以以离线方式处理获取的数据。例如用电子计算机判读核乳胶或气泡室照片中的粒子径迹，大大加快了照片的处理速度，使得一次实验中拍摄的成千上万张照片能够在短时间内处理完毕。更重要的是电子计算机可以作为实验系统的中心控制部件的在线工作，对数据获取过程进行实时控制，使整个实验过程在计算机的控制下自动进行。例如，γ谱、X射线和带电粒子谱的自动化获取和分析；高能物理实验系统的运行、数据获取和处理等。利用小型计算机或专用处理机可以对所获取的数据进行实时筛选、或对实验设备进行局部过程控制。若干台计算机还可以联成一个网络系统，使得各个实验系统或实验中心的硬、软件资源共享。在一些大型实验设备如核反应堆、加速器的运行过程中，运行情况的监测和控制也需要电子计算机来完成。此外，在一些小型核电子学仪器中装入微处理机构成“智能仪器”可以大大增加仪器的功能提高自动化程度。

核电子学技术不但在原子核实验技术中，而且在核医学、生物物理、固体物理等领域中也都有广泛的应用。