虚实重构的核物理实验

(中国科学技术大学 物理虚拟仿真实验教学中心)

虚实重构的核物理实验

(中国科学技术大学 物理虚拟仿真实验教学中心)

1 主要内容

核物理实验教学需要放射源，而放射源存在辐射，需要严格的防护措施，否则会对人体造成伤害，造成核物理与核技术教学实验的困境. 为了减少辐射对人体的伤害，在许多核物理教学实验、核科学人才的培养过程中，通常采用脉冲信号源来代替放射源进行实验. 而脉冲信号源无法给出具有放射源物理特征的核信号，很难满足核物理与核技术应用的需求. 我们在核电子学、数字信号处理等技术的基础上，利用可编程器件、高速数字化器件和模拟ASIC技术研制了核脉冲信号源——虚拟放射源，通过对基本硬件系统的编程和配置，产生具有特定放射源特征输出信号.

虚拟放射源具有以下功能：

1)仿真放射源的物理特征，给出指定放射源的物理信息，如能量分布信息、粒子信息、探测器的响应信息；

2)输出幅度上具有随机性的信号；

3)输出时间上具有随机性的信号；

4)可根据实验需求仿真实验过程，动态产生触发判选条件，产生多粒子符合输出.

针对核物理与核技术实验教学，研制了通用数据采集器和自动定标器，与计算机和探测器组合，经配置和重构、虚拟仿真、虚实重构，可以构成所需的核物理与核技术实验教学平台，开设“闪烁谱仪测γ射线能谱”、“测量高速运动电子的动量与能量间关系”、“卢瑟福散射实验”、“γ和β 射线的吸收实验”、“G-M计数管特性研究实验”等系列核物理与核技术教学实验.

通过虚实重构的核物理实验教学，使学生掌握射线与物质相互作用的物理机理、射线的探测原理和射线探测器的工作原理. 开设虚实重构的核物理实验，使学生感受到现代核科学与技术实验中的新理念与新技术.

图1为虚拟放射源基本原理框图.

图1 虚拟放射源基本原理框图

2 创新点

1)虚拟仿真技术用于核物理与核技术实验教学，解除了放射源辐射和管理的高危险性. 引入当今核物理与核技术实验的可重构理念和技术，学生可以现场重构实验系统，自主设计实验,研究射线与物质相互作用原理,并掌握相关的核技术和核应用知识.

2)采用先进的数字处理技术、硬件重构技术和FPGA技术进行设计，利用其构成的实验教学平台在功能上和性能上大大超过传统的核物理和核技术教学实验平台.

3 主要成效

虚实重构的核物理实验平台在我校已使用了4年，每年有千名学生受益.

(执笔：张宪锋)