核輻射探測(cè)器的現(xiàn)狀及其展望

王偉+陽璞瓊+李港+王天文+徐琳珊+張瑩

摘 要：文章主要闡述了核輻射探測(cè)儀器的發(fā)展歷史和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，并介紹了幾款探測(cè)儀器及其相關(guān)技術(shù)，最后闡述了其技術(shù)的改進(jìn)與發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：核輻射探測(cè)；研究現(xiàn)狀；展望

中圖分類號(hào)：TL81文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A收稿日期：2017-04-19

一、核輻射探測(cè)器的發(fā)展歷史

核輻射探測(cè)器是通過使核輻射在氣體、液體或者固體中發(fā)生電離效應(yīng)、發(fā)光現(xiàn)象、物理變化或者化學(xué)變化來監(jiān)測(cè)核輻射的儀器。1896年法國科學(xué)家A.H.貝可勒爾研究含鈾礦物質(zhì)的熒光現(xiàn)象時(shí)，偶然發(fā)現(xiàn)鈾鹽能放射出穿透力很強(qiáng)可使照相底片感光的不可見射線。不久人們?cè)诩佑写艌?chǎng)的云室中研究這種射線時(shí)，證明它是由3種射線成分組成：α射線、β射線和γ射線。貝可勒爾在發(fā)現(xiàn)放射性現(xiàn)象的同時(shí)使用照相底片（最初的核乳膠）實(shí)現(xiàn)了人類歷史上的第一次核輻射探測(cè)。云室、核乳膠等成為了最早的核輻射探測(cè)方法。1908年，出現(xiàn)了氣體電離探測(cè)器，但是還存在快速計(jì)數(shù)的問題。而1931年由于脈沖計(jì)數(shù)器的出現(xiàn)，解決了快速計(jì)數(shù)問題。1947年出現(xiàn)的閃爍計(jì)數(shù)器，利用物質(zhì)密度遠(yuǎn)大于氣體而提高了對(duì)粒子的探測(cè)效率。例如使用的碘化鈉（鉈）閃爍體，對(duì)γ射線具有較高的能量分辨能力。到了60年代初，半導(dǎo)體探測(cè)器的發(fā)明，促使能譜測(cè)量技術(shù)的發(fā)展。對(duì)于現(xiàn)代用于核物理、高能物理等其他科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的各種探測(cè)器件和裝置，都是以上面三種類型探測(cè)器件為基礎(chǔ)經(jīng)過不斷改進(jìn)創(chuàng)新而實(shí)現(xiàn)的?，F(xiàn)如今人們對(duì)核能利用的日益廣泛，促進(jìn)核監(jiān)測(cè)能力不斷發(fā)展。

迄今為止，核輻射探測(cè)儀器衍生了很多種類，所運(yùn)用的原理也不盡相同，其與核輻射探測(cè)技術(shù)共同發(fā)展，相輔相成，都經(jīng)歷了計(jì)數(shù)、測(cè)譜以及圖像顯示等發(fā)展階段。能給出電信號(hào)的輻射探測(cè)器已不下百余種。

二、核輻射探測(cè)器的研究現(xiàn)狀

目前國內(nèi)外針對(duì)不同場(chǎng)合、不同輻射種類、不同能量范圍的輻射探測(cè)器有很多，其主要是利用粒子與物質(zhì)之間的相互作用來進(jìn)行工作，下面就對(duì)以下五大類探測(cè)器加以介紹。

（1）氣體探測(cè)器：氣體探測(cè)器作為一種核輻射探測(cè)器，其中最常用的比如有正比計(jì)數(shù)器（Proportional Counter）、蓋革-彌勒（G-M）計(jì)數(shù)管等。它的工作原理是通過電極將氣體分子原子產(chǎn)生電離電荷信息收集起來，用以探測(cè)粒子，獲取粒子信息，從而實(shí)現(xiàn)探測(cè)作用。

（2）閃爍探測(cè)器：應(yīng)用在脈沖輻射的測(cè)量當(dāng)中，某些透明物質(zhì)在帶電離子的電離、激發(fā)作用下會(huì)發(fā)光。這里先將電離輻射轉(zhuǎn)換成光輻射，在光敏層中由光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，打出光電子。由這些光電子形成的電脈沖獲得粒子信息。

（3）半導(dǎo)體探測(cè)器：將半導(dǎo)體材料電離產(chǎn)生電子和空穴，在外加電場(chǎng)的作用下，移向收集電極應(yīng)出電荷，產(chǎn)生輸出信息。例如現(xiàn)在的硅微條探測(cè)器SMD（Silicon MicrocStrip Detector）、像素探測(cè)器（Pixel Detector）和 CCD圖像探測(cè)器。

（4）基于CCD圖像傳感器的輻射探測(cè)器：例如CT（Computed Tomography）機(jī)，它利用了計(jì)算機(jī) X 射線斷層掃描技術(shù)，用X射線束對(duì)人體某部分具有一定厚度的層面進(jìn)行掃描。

（5）基于CMOS圖像傳感器的輻射探測(cè)器：CMOS圖像傳感器比CCD傳感器具有更好的抗輻射性能，所以在輻射相關(guān)的探測(cè)當(dāng)中應(yīng)用更加廣泛。如，2013年，Bo Kyung Cha等人提出，基于CMOS圖像傳感器的 X 射線的圖像傳感器。2014年，Joshua J.Cogliati等人提出，CMOS圖像的像素與γ射線的能量相關(guān)，并制造了能夠探測(cè)γ射線劑量的智能手機(jī)。

三、核輻射探測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域

核能作為一種新型能源，具有清潔、安全等特點(diǎn)，隨著的技術(shù)成熟，在工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域、醫(yī)療和衛(wèi)生領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛；由于核能巨量釋放的危險(xiǎn)性，核能在科學(xué)研究和國防等領(lǐng)域的應(yīng)用也十分廣泛?？傊四茈x我們的生活越來越近。然而，核能應(yīng)用過程中釋放的放射性物質(zhì)對(duì)人體危害很大，因此，我們需要及時(shí)有效地探測(cè)到核輻射，以進(jìn)一步作出防護(hù)措施。這樣一來，核輻射探測(cè)的應(yīng)用領(lǐng)域也就和核能的應(yīng)用鄰域一樣，十分廣闊，為我們的社會(huì)帶來便利。

四、核輻射探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)

經(jīng)歷了計(jì)數(shù)、測(cè)譜以及圖像顯示等發(fā)展階段，我們對(duì)核輻射探測(cè)器的研制呈現(xiàn)出以下幾個(gè)趨勢(shì)：

1.虛擬化

通過引入虛擬模型作為操控處理平臺(tái)，來對(duì)核輻射過程中的圖像進(jìn)行研究，避免實(shí)際探測(cè)過程中方法不正確而引起的數(shù)據(jù)結(jié)果錯(cuò)誤。研究具有多種信息組合的探測(cè)器或探測(cè)裝置，使其能夠同時(shí)給出入射粒子的能量、劑量、照射量率、放射性活度和位置等信息。

2.精確化

虛擬模型為用戶所提供的平臺(tái)，實(shí)質(zhì)上并不是正式的核輻射探測(cè)操作，而是在虛擬環(huán)境的條件下的圖像處理。所以，核輻射探測(cè)采用虛擬模型具有精確化的特點(diǎn)，防止在正式的操作中出現(xiàn)失誤，提高了核輻射圖像的質(zhì)量。

3.智能化

微電子技術(shù)的發(fā)展不斷促進(jìn)微型化探測(cè)器的進(jìn)步，使其更加智能。核輻射探測(cè)是我國在發(fā)展核能的過程中必不可少的一部分，必須要使用最高端的科學(xué)技術(shù)對(duì)核輻射進(jìn)行探測(cè)，才能保證工作能夠正常且安全的進(jìn)行下去。通過圖像模型來探測(cè)核輻射，可以得到更加清晰、形象的圖像結(jié)果，從根本上解決以前對(duì)核輻射探測(cè)的不足。尋求探索更為理想的探測(cè)介質(zhì)及探測(cè)機(jī)制，利用不同介質(zhì)的特性研制應(yīng)用于不同領(lǐng)域的、性能更優(yōu)良的輻射探測(cè)器，超導(dǎo)探測(cè)器的研制是今后努力的一個(gè)很重要的方向，不容忽視。

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