虛實(shí)結(jié)合的核物理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計與教學(xué)實(shí)踐

劉海林，吳奕初，楊智慧，王曉峰，段 琛，成 斌

(1.武漢大學(xué) 物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，湖北 武漢 430072；2.安徽核芯電子科技有限公司，安徽 合肥 230026)

近代物理實(shí)驗(yàn)是物理專業(yè)學(xué)生的重要基礎(chǔ)課，所涉及的物理知識面廣、綜合性和技術(shù)性強(qiáng)[1].核物理實(shí)驗(yàn)由于需要長期保存放射源，給高校實(shí)驗(yàn)室管理帶來了極大不便；此外，學(xué)生缺乏操作放射源及射線裝置的經(jīng)驗(yàn)和技能，對放射源的使用與管理也帶來一定的風(fēng)險和困難[2-3].根據(jù)最近北京大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)和武漢大學(xué)等41個物理國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心統(tǒng)計結(jié)果，目前開設(shè)核物理項目總數(shù)為13個，開設(shè)率最高的X射線標(biāo)識譜與吸收實(shí)驗(yàn)也只有1/3左右，閃爍體計數(shù)器及γ能譜測量、康普頓散射等5個實(shí)驗(yàn)開設(shè)率約1/4，其余實(shí)驗(yàn)的開設(shè)率不足1/10.多數(shù)開設(shè)核物理實(shí)驗(yàn)的高校，學(xué)時較少，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容單一，學(xué)生無法得到充分的訓(xùn)練.很多普通本科院校因沒有放射源和射線裝置使用資質(zhì)而停止開設(shè)近代核物理實(shí)驗(yàn).另外,對于學(xué)生而言，提到核物理，學(xué)生腦海中想到的常是一些核事故、核污染等可怕畫面，普遍對核物理實(shí)驗(yàn)存在顧忌心理.因此開發(fā)不含放射源的核物理實(shí)驗(yàn)是十分必要的.

近年來，國際上非常重視核物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項目建設(shè)，美國、歐洲一些大學(xué)研發(fā)仿真教學(xué)軟件[4]，學(xué)生使用復(fù)雜高危核儀器設(shè)備之前先做虛擬仿真實(shí)驗(yàn)[5]，意大利CAEN公司研制出了放射源模擬器[6].國內(nèi)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等建設(shè)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心，應(yīng)用虛擬放射源代替真實(shí)放射源，虛實(shí)結(jié)合開展核物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，取得了較好的教學(xué)效果[7].武漢大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心基于物理學(xué)院擁有湖北省核固體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研優(yōu)勢，通過引進(jìn)先進(jìn)的教學(xué)理念，對虛實(shí)結(jié)合的近代核物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行探索與實(shí)踐，取得了一定成效[8].

1 核物理虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的構(gòu)建

通過對近代物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不斷整合、優(yōu)化和更新，實(shí)驗(yàn)中心將信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合，構(gòu)建了核物理虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺.該平臺包括3部分：實(shí)體實(shí)驗(yàn)、虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)和虛擬仿真實(shí)驗(yàn).采用啟發(fā)式、開放式的教學(xué)方式，突破了傳統(tǒng)實(shí)體實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)模式，將虛擬仿真、虛實(shí)結(jié)合、校園實(shí)驗(yàn)等項目引入教學(xué)，基于虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)平臺如圖1所示.學(xué)生可以根據(jù)自己的需求及水平對設(shè)備進(jìn)行靈活搭配，可以進(jìn)行純虛擬的軟件仿真實(shí)驗(yàn)，也可以使用真實(shí)核探測器進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證或使用虛擬放射源進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn).學(xué)有余力的學(xué)生還可進(jìn)行自主設(shè)計虛實(shí)重構(gòu)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn).

圖1 核物理虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺的結(jié)構(gòu)圖

1.1 對傳統(tǒng)核物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行升級改造

對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中康普頓散射、相對論效應(yīng)驗(yàn)證和盧瑟福散射實(shí)體實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了升級改造，采用真實(shí)放射源，以多功能數(shù)字多道代替了傳統(tǒng)核物理的插件設(shè)備，提高實(shí)驗(yàn)效率的同時降低了實(shí)驗(yàn)成本.新購買X射線衍射儀，以科研與教學(xué)結(jié)合的方式開發(fā)了教學(xué)型正電子壽命測量系統(tǒng)及常規(guī)的NIM箱插件，為學(xué)生自主設(shè)計及開發(fā)新實(shí)驗(yàn)提供了條件.積極探索“無放射源”核物理實(shí)驗(yàn)的各種可行性方案[9-10]，增加了校園環(huán)境天然放射性的檢測與評價及40KCl γ能譜的測量等實(shí)驗(yàn)，供本科生進(jìn)行科研訓(xùn)練和做畢業(yè)設(shè)計.

1.2 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)

用放射源模擬器模擬產(chǎn)生了真實(shí)的仿真核信號，并附帶信號采集處理系統(tǒng)，無需放射源，為普通高校開設(shè)核物理實(shí)驗(yàn)提供新的解決方案.通過虛實(shí)結(jié)合——研制虛擬放射源及數(shù)字化多道，開展了“無放射源”的近代核物理實(shí)驗(yàn)，并將傳統(tǒng)的實(shí)體實(shí)驗(yàn)與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，設(shè)備先進(jìn)、功能齊全.引入國內(nèi)外先進(jìn)的教學(xué)理念，可以開展不受放射源和射線裝置限制的近代物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的有機(jī)結(jié)合，該實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式下既可以開設(shè)核物理實(shí)驗(yàn)課程，又能夠保留學(xué)生一定的動手能力，還可與真實(shí)核信號進(jìn)行對比，激發(fā)學(xué)生的求知欲.根據(jù)不同專業(yè)學(xué)生的需要，可以選取不同的實(shí)驗(yàn)方法對儀器虛實(shí)重構(gòu)，完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容豐富，時間靈活可控.

1.3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)

科教融合、校企聯(lián)合研究射線(粒子)與物質(zhì)相互作用，建設(shè)放射源庫、探測器庫、能譜測量、數(shù)量處理等模塊，開出與虛實(shí)結(jié)合核物理實(shí)驗(yàn)一一對應(yīng)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn).該類實(shí)驗(yàn)是實(shí)體實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充及拓展，既可以代替常規(guī)實(shí)驗(yàn)正常開設(shè)，也可以用作學(xué)生預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí).通過虛擬再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的所有實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生可以快速、全面地掌握實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，為虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)與真實(shí)核物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)提供重要的練習(xí)與輔助工具.

2 虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

虛實(shí)結(jié)合核物理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是基于以上平臺設(shè)計和開發(fā)的，放射源模擬器與多功能數(shù)字多道如圖2所示.系統(tǒng)主要包括放射源模擬器、教學(xué)通用型的多功能數(shù)字多道和實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)軟件.放射源模擬器模擬輸出的脈沖波形可任意調(diào)節(jié)，可合成任意放射源與探測器組合的信號；多功能數(shù)字多道模塊采用數(shù)字化技術(shù)，利用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(AD)與現(xiàn)場可編程邏輯門陣列(FPGA)，采用不同的工作固件，可以替代多種傳統(tǒng)核信號處理設(shè)備.本系統(tǒng)配套軟件使用C++語言配合Qt框架研發(fā)，除了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參量輸入，數(shù)據(jù)的傳輸、分析及展示外，還提供了虛擬實(shí)驗(yàn)的模型展示界面，在本界面中模擬了當(dāng)前實(shí)驗(yàn)所關(guān)心的粒子與物質(zhì)的相互作用過程，使得不可見的粒子與核變得直觀生動，使學(xué)生建立起一套科學(xué)的物理圖像.

(a)放射源模擬器

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)示波器、單道分析器+計數(shù)器、多道分析器、符合能譜測量、反符合能譜測量、時間數(shù)字轉(zhuǎn)換器等功能，能夠拓寬傳統(tǒng)核物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容，在同一套設(shè)備上能完成多項實(shí)驗(yàn)項目.各高?？筛鶕?jù)自身學(xué)科特點(diǎn)選擇若干實(shí)驗(yàn)，按真實(shí)實(shí)驗(yàn)要求開設(shè)，也可按射線與物質(zhì)相互作用規(guī)律開設(shè)綜合實(shí)驗(yàn).

2.2 可開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項目

綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可開設(shè)如下實(shí)驗(yàn)項目：

1)放射性探測的統(tǒng)計規(guī)律實(shí)驗(yàn)；

2)閃爍體探測器與γ射線吸收實(shí)驗(yàn)；

3)半導(dǎo)體探測器與α粒子的能損實(shí)驗(yàn);

4)β射線的吸收實(shí)驗(yàn)；

5)X射線吸收和特征譜實(shí)驗(yàn)；

6)中子活化元素半衰期測量實(shí)驗(yàn)；

7)康普頓散射實(shí)驗(yàn)；

8)盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)；

9)相對論效應(yīng)驗(yàn)證；

10)校園環(huán)境天然放射性測量；

11)正電子壽命譜測量；

12)穆斯堡爾效應(yīng).

此外，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求及水平對設(shè)備進(jìn)行靈活搭配，自主設(shè)計和開發(fā)新的核物理實(shí)驗(yàn)，或提出具體要求與公司合作研發(fā).

3 教學(xué)實(shí)踐

3.1 實(shí)驗(yàn)案例

以γ射線探測技術(shù)及應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)為例，該實(shí)驗(yàn)由淺入深分4部分內(nèi)容：

1)學(xué)習(xí)閃爍體探測器的使用及能譜分析方法，利用該探測器進(jìn)行γ射線的能譜測量；

2)了解物質(zhì)對γ射線的吸收規(guī)律，測量幾種典型物質(zhì)的吸收系數(shù)；

3)結(jié)合符合測量技術(shù)，驗(yàn)證康普頓效應(yīng)，證實(shí)光子假說的正確性；

4)使用真實(shí)探測器測量校園不同區(qū)域的放射性，學(xué)習(xí)低水平天然放射性的測量與分析方法.

通過學(xué)習(xí)γ射線探測技術(shù)及應(yīng)用綜合實(shí)驗(yàn)，學(xué)生除了學(xué)習(xí)核物理基本實(shí)驗(yàn)技能外，還可以了解天然放射性無處不在、無時不有.實(shí)驗(yàn)過程實(shí)施課程思政，立德樹人，幫助學(xué)生樹立正確的核科學(xué)觀.

圖3為虛實(shí)結(jié)合核物理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)——康普頓散射實(shí)驗(yàn)各部分連接示意圖(其他實(shí)驗(yàn)連接類似，如開設(shè)盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)只需將康普頓散射實(shí)驗(yàn)平臺更換為盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)平臺).

圖3 虛實(shí)結(jié)合核物理綜合實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的連線示意圖

經(jīng)典諾貝爾物理實(shí)驗(yàn)康普頓散射的實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖牵候?yàn)證康普頓散射的光子能量及微分截面與散射角的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)采用康普頓散射的次級γ光子與電子之間的符合測量技術(shù)，提高了實(shí)驗(yàn)的信噪比與測量精度.信號模擬器輸出的通道1信號(圖2)模擬了探測康普頓散射γ的NaI(Tl)閃爍體探測器的信號輸出，它符合康普頓散射能譜分布；而通道2模擬了作為散射體的塑料閃爍體探測器的信號經(jīng)過單道之后的輸出，所以它是1組方波信號.在示波器中，可以觀測到通道2有大量的隨機(jī)信號，而通道1信號只有少量的探測示例，兩通道在符合測量的情況下，即可得到康普頓散射能譜.通過測量不同角度下散射γ光子的能譜，根據(jù)能量刻度信息計算并驗(yàn)證康普頓散射能量公式和微分截面公式.

本綜合實(shí)驗(yàn)解決了放射源輻射安全難題，幫助學(xué)生深刻理解閃爍體探測器的原理，虛擬再現(xiàn)了經(jīng)典諾貝爾獎實(shí)驗(yàn)康普頓散射效應(yīng)，有效調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)近代核物理專業(yè)理論和實(shí)踐知識的積極性.學(xué)生在實(shí)驗(yàn)方法的思考、儀器的選擇和搭配、實(shí)驗(yàn)條件的確定以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理等方面得到了基本訓(xùn)練.校園環(huán)境放射性現(xiàn)場測量，讓學(xué)生了解放射性存在于日常生活中，拓寬了學(xué)生的知識面，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣.

3.2 應(yīng)用情況

近幾年來，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心在近代物理實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)物理IV、諾貝爾獎物理實(shí)驗(yàn)和核技術(shù)綜合實(shí)驗(yàn)等教學(xué)中采用理論與實(shí)驗(yàn)、虛擬與現(xiàn)實(shí)、線上與線下相結(jié)合的混合式教學(xué)模式，要求學(xué)生根據(jù)興趣愛好至少選做1個虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)題目.該教學(xué)模式取得了良好的教學(xué)效果，圖4和圖5分別為學(xué)生做虛實(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)和環(huán)境天然放射性測量的場景.

(a)

(a)

2019年申報了“康普頓散射虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”項目，并且通過“實(shí)驗(yàn)空間”——國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項目共享平臺向全國高校開放.該項目作為近代物理實(shí)驗(yàn)線上教學(xué)資源被中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、華中師范大學(xué)等23所高校的學(xué)生選做，總計2 134人次進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)教育資源共享.2020年春季新冠肺炎疫情期間，線上教學(xué)情況被《物理與工程》和國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺等微信平臺報道，受到全國高校的廣泛關(guān)注.2020年“康普頓散射虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”課程被認(rèn)定為“首批國家級一流本科課程”，被湖北電視臺教育頻道專題報道.

本系統(tǒng)已在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中山大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)和國防科技大學(xué)等近10所高校推廣使用，用戶反饋良好.本系統(tǒng)于2020年獲校級自制儀器評比二等獎和第6屆全國高等學(xué)校教師自制實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器設(shè)備創(chuàng)新大賽三等獎，相關(guān)成果獲得2021年武漢大學(xué)教學(xué)成果二等獎.

4 結(jié)束語

采用虛擬仿真、虛擬放射源等技術(shù)結(jié)合多功能數(shù)字多道，既可以使用虛擬的核脈沖信號，又可以使用真實(shí)探測器開展無源的核物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)，為普通高校開設(shè)核物理實(shí)驗(yàn)提供了新的解決方案.下一步，將以國家級實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心和湖北省核固體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為依托，將最新核科學(xué)及核技術(shù)成果快速轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容；通過校企合作研制小型化可手機(jī)操作的校園環(huán)境天然放射性測量儀，面向理工科非物理專業(yè)開設(shè)1～2個典型實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)大受益面.加強(qiáng)與科普教育基地和科技館等公眾平臺的合作交流，中心演示與開放實(shí)驗(yàn)室計劃籌建“生活中的放射性”展示廳，充分發(fā)揮示范中心在科普宣傳中的重要作用.