核輻射探測器的現狀及其展望

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儀器的發展歷史和國內外發展現狀，并介紹了幾款探測儀器及其相關技術，最后闡述了其技術的改進與發展趨勢。

關鍵詞：核輻射探測；研究現狀；展望

中圖分類號：TL81文獻標識碼：A收稿日期：2017-04-19

一、核輻射探測器的發展歷史

核輻射探測器是通過使核輻射在氣體、液體或者固體中發生電離效應、發光現象、物理變化或者化學變化來監測核輻射的儀器。1896年法國科學家A.H.貝可勒爾研究含鈾礦物質的熒光現象時，偶然發現鈾鹽能放射出穿透力很強可使照相底片感光的不可見射線。不久人們在加有磁場的云室中研究這種射線時，證明它是由3種射線成分組成：α射線、β射線和γ射線。貝可勒爾在發現放射性現象的同時使用照相底片（最初的核乳膠）實現了人類歷史上的第一次核輻射探測。云室、核乳膠等成為了最早的核輻射探測方法。1908年，出現了氣體電離探測器，但是還存在快速計數的問題。而1931年由于脈沖計數器的出現，解決了快速計數問題。1947年出現的閃爍計數器，利用物質密度遠大于氣體而提高了對粒子的探測效率。例如使用的碘化鈉（鉈）閃爍體，對γ射線具有較高的能量分辨能力。到了60年代初，半導體探測器的發明，促使能譜測量技術的發展。對于現代用于核物理、高能物理等其他科學技術領域的各種探測器件和裝置，都是以上面三種類型探測器件為基礎經過不斷改進創新而實現的。現如今人們對核能利用的日益廣泛，促進核監測能力不斷發展。

迄今為止，核輻射探測儀器衍生了很多種類，所運用的原理也不盡相同，其與核輻射探測技術共同發展，相輔相成，都經歷了計數、測譜以及圖像顯示等發展階段。能給出電信號的輻射探測器已不下百余種。

二、核輻射探測器的研究現狀

目前國內外針對不同場合、不同輻射種類、不同能量范圍的輻射探測器有很多，其主要是利用粒子與物質之間的相互作用來進行工作，下面就對以下五大類探測器加以介紹。

（1）氣體探測器：氣體探測器作為一種核輻射探測器，其中最常用的比如有正比計數器（Proportional Counter）、蓋革-彌勒（G-M）計數管等。它的工作原理是通過電極將氣體分子原子產生電離電荷信息收集起來，用以探測粒子，獲取粒子信息，從而實現探測作用。

（2）閃爍探測器：應用在脈沖輻射的測量當中，某些透明物質在帶電離子的電離、激發作用下會發光。這里先將電離輻射轉換成光輻射，在光敏層中由光轉換為電信號，打出光電子。由這些光電子形成的電脈沖獲得粒子信息。

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

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

（5）基于CMOS圖像傳感器的輻射探測器：CMOS圖像傳感器比CCD傳感器具有更好的抗輻射性能，所以在輻射相關的探測當中應用更加廣泛。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，并制造了能夠探測γ射線劑量的智能手機。

三、核輻射探測的應用領域

核能作為一種新型能源，具有清潔、安全等特點，隨著的技術成熟，在工業和農業生產領域、醫療和衛生領域的應用越來越廣泛；由于核能巨量釋放的危險性，核能在科學研究和國防等領域的應用也十分廣泛。總之，核能離我們的生活越來越近。然而，核能應用過程中釋放的放射性物質對人體危害很大，因此，我們需要及時有效地探測到核輻射，以進一步作出防護措施。這樣一來，核輻射探測的應用領域也就和核能的應用鄰域一樣，十分廣闊，為我們的社會帶來便利。

四、核輻射探測器的發展趨勢

經歷了計數、測譜以及圖像顯示等發展階段，我們對核輻射探測器的研制呈現出以下幾個趨勢：

1.虛擬化

通過引入虛擬模型作為操控處理平臺，來對核輻射過程中的圖像進行研究，避免實際探測過程中方法不正確而引起的數據結果錯誤。研究具有多種信息組合的探測器或探測裝置，使其能夠同時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，實質上并不是正式的核輻射探測操作，而是在虛擬環境的條件下的圖像處理。所以，核輻射探測采用虛擬模型具有精確化的特點，防止在正式的操作中出現失誤，提高了核輻射圖像的質量。

3.智能化

微電子技術的發展不斷促進微型化探測器的進步，使其更加智能。核輻射探測是我國在發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技術對核輻射進行探測，才能保證工作能夠正常且安全的進行下去。通過圖像模型來探測核輻射，可以得到更加清晰、形象的圖像結果，從根本上解決以前對核輻射探測的不足。尋求探索更為理想的探測介質及探測機制，利用不同介質的特性研制應用于不同領域的、性能更優良的輻射探測器，超導探測器的研制是今后努力的一個很重要的方向，不容忽視。

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