高校《核辐射探测实验》课程实验教学条件建设探析

龚频

（南京航空航天大学核科学与技术系，江苏南京 210016）

“十一五”以来，我国核能与核技术利用产业发展迅速，高校核工程类专业人才培养数量不断增长。截至2019年6月，全国开办核工程类专业的大学共72 家，每年招收核工程类专业本科人数约3 000 人。学生总数的大幅增加对于高校的专业实验教学条件建设提出一定挑战。《核辐射探测实验》在高校核工程类本科专业的课程体系里是一门必修的专业基础实验课程。该实验课的开课学期一般安排在学生进入专业课学习的初期阶段，与核辐射探测理论课程相衔接。实验课教学目的是加深学生对于核辐射探测理论知识的理解，训练学生在核辐射探测方面的实验操作与数据分析能力。作为核工程类本科专业最基础的专业实验课程，《核辐射探测实验》对于学生后续的专业课学习以及毕业后的就业或读研十分重要，是各大核专业高校开展实验课程建设的重点。然而核辐射探测实验教学与其他实验教学相比有一定特殊性，一方面实验课需要用到放射源，放射源的采购与管理较为复杂；另一方面核辐射探测的教学仪器种类少、价格昂贵。这些因素造成高校《核辐射探测实验》课程往往投入了较高的教学建设经费，却面临着实验项目不全、实验教学仪器种类少和仪器台套数不足的困境。该文结合南京航空航天大学多年来建设《核辐射探测实验》课程的经验，提出一些实验条件建设方面的建议供高校同行参考。

1 实验教学条件建设的总体思路

《核辐射探测实验》 的主要目的是教会学生利用核辐射探测器与核电子学仪器对各种致电离辐射粒子的物理参数进行测量和分析。致电离辐射粒子的类型包括 α、β、γ、X 射线、中子等；核辐射探测器的类型包括气体、闪烁体、半导体等；需要测量的粒子参数主要有强度、能量和时间。高校可根据自己的专业培养目标和培养方案，确定该校核专业学生通过《核辐射探测实验》课程应了解和掌握的致电离辐射粒子类型、核辐射探测器类型和粒子参数类型。在此基础上进行市场调研，选择可以完成课程培养目标的实验教学仪器，合理编排实验项目。粒子类型对应的实验条件是放射源；核辐射探测器类型对应的实验条件是核辐射探测器；粒子参数类型对应的实验条件是核电子学仪器。下面从这3 个方面分别讨论如何进行实验教学条件建设。

1.1 放射源条件建设

实验教学用放射源需要长期为教学服务，应选用半衰期相对较长的核素。推荐用于《核辐射探测实验》教学的α放射源有241Am、238Pu、239Pu、244Cm、233U；β 放射源有 36Cl、60Co、137Cs、90Sr+90Y、99Tc、204Tl、134Cs、22Na、147Pm、89Sr；γ放射源有241Am、60Co、137Cs、88Y、109Cd+109mAg、139Ce、57Co、133Ba、152Eu、54Mn、22Na、113Sn+113mIn、65Zn；X 射线 源有55Fe、65Zn、109Cd+109mAg； 中 子 源 有 241Am+Be、252Cf。α、β、γ 粒子的认知对于核专业学生来说比较基础，相应类型的放射源应尽量配全。其中241Am、60Co、137Cs 可以同时放出多种类型的粒子，且半衰期长、应用广泛，在经费有限的情况下可以优先选择。X 射线源和中子源在核探测实验教学中的应用不似前几种放射源广泛，有条件的高校可以配备。

常用放射源根据活性区（放射性物质）形状不同分为点源和面源。点源活性区直径3mm 左右，在测量时可视为点状放射源，4π 方向发射放射性粒子。实验教学用放射源建议采用点源，塑料密封。如果实验内容需要做射线准直，可以将点源装入带准直的屏蔽罐使用，这样使用起来更为灵活。放射源活度的选择也十分重要。我国对放射源实行分类管理，根据放射源对人体健康和环境的潜在危害程度，从高到低分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类。对V 类以下的放射源采取豁免管理，即视为一般设备，不作为放射源管理。由于豁免级的放射源能够满足绝大多数核辐射探测的实验要求，为了减少实验室管理的安全风险和管理成本，建议所采购放射源的活度不要超过豁免水平。

1.2 核辐射探测器条件建设

核辐射探测实验教学应选用价格适中、应用广泛的核辐射探测器。推荐用于《核辐射探测实验》教学的α 探测器有金硅面垒探测器、PIPS 探测器；β 探测器有薄窗 GM 管、塑料闪烁体探测器；γ 探测器有 GM 管、NaI (Tl) 探测器、LaBr3 探测器、BGO 探测器、CZT 探测器、HPGe 探测器；X 射线探测器有Si(Li)探测器、正比计数管；中子探测器有BF3 探测器、H3 管。其中PIPS探测器、塑料闪烁体探测器、GM 管、NaI(Tl)探测器性价比较高，可以完成基本的α、β、γ 粒子测量，可以考虑批量购置。其他探测器在经费运行的情况下可少量配备，用于丰富实验项目内容。此外核辐射探测器灵敏体积越大，探测效率越高，测量时间越短，但是相应的价格也越高。实验教学应选用灵敏体积和价格都适中的探测器，如NaI(Tl)探测器选用1.5 英寸或2 英寸规格即可。闪烁体探测器购置时还要注意，如果厂家提供的探测器型号只包含晶体和光电倍增管，那么配套的管座（含分压和前放电路）需要另外购置，否则无法使用。对于α 探测器，金硅面垒或PIPS，由于要在真空环境测量，需要另外配备真空室和泵才能使用。

1.3 核电子学仪器条件建设

目前开设《核辐射探测实验》课程的高校大多采购针对特定实验项目定制的实验教学仪器系统，一套价格十几万的仪器只能完成一种实验项目。一般高校针对每个实验项目只能配备2～3 套教学仪器，分配给几十到上百名学生使用。这种配置方式是国内《核辐射探测实验》 课程普遍面临实验仪器台套数缺乏的主要原因。为了解决这一难题，建议尽量不采用高度集成的核电子学系统，而是以模块化的NIM 机箱和插件为主来配置实验教学所需要的核电子学仪器。一套完整通用的NIM 实验教学系统应包含1 个NIM 机箱、1 个后背式低压电源、1 个 0～300V 高压电源、2 个 0～3 KV 高压电源、1 个电荷灵敏前置放大器、1 个时辐变换器、2 个定时单道、2 个线性放大器、1 个符（反符）合、1 个精密脉冲产生器、1 个三路定标器、1 个多道分析器。这样一套核电子学系统匹配不同类型的探测器，可以测量不同类型的粒子参数，完成大多数基础的核探测实验项目。

2 展望

我国的辐射安全管理水平在不断提升，核辐射探测器及核电子学技术水平也在不断进步。在这样的时代背景下，《核辐射探测实验》 课程的实验教学条件配置，乃至实验项目的编排都需要进一步优化，以培养出更多、更好具备优秀核探测实践能力的核专业人才！