结合铀裂变瞬发中子测井的核电子学教学创新模式探索

赖毅辉，陈 锐，王海涛，周书民，蓝贤桂

（东华理工大学机械与电子工程学院，江西 南昌 330013）

近年来，随着我国核电产业的迅猛发展，我国面向铀矿资源勘探的井下核辐射探测技术正不断蓬勃发展，但现行与之配套的核电子学课程的教学知识老旧，已不能适应当前井下核辐射探测技术的需求。为了能将该课程适应时代需求，培养新型工科所需核技术人才[1-2]。本文在此背景下，将我校特色研究方向——铀裂变瞬发中子测井技术引入到核电子学的教学过程中，探索“以研代学”，“研学结合”的研究型教学创新模式。

1 铀裂变瞬发中子测井技术概述

铀裂变瞬发中子测井利用氘-氚核反应产生的脉冲中子源，在10～20μs时间内向钻孔周围的地层岩石注入14MeV的中子，在脉冲中子源周围约1m范围内源中子被慢化为热中子（0.025eV），热中子穿过不到10cm距离将被地层岩石中的核所吸收。当热中子遇到235U核时，大多数热中子将与235U发生裂变反应，并放出2～3个裂变中子（其中99%以上为瞬发裂变中子）。当瞬发裂变中子被慢化为热中子之前，可在钻孔中采用中子探测器（如3He正比计数管）进行测量，即可探测到经慢化而来的超热中子，通过探测超热中子与热中子数目（或二者比值关系E/T），可实现地层岩石中235U核素（或铀）的含量定量解释[3]。

理论上，源中子与地层岩石和井液中的核发生弹性碰撞而迅速损失能量，并在100μs以内被慢化为热中子（如图2中的虚线）。假设地层岩石不含铀，则只有源中子引发的超热中子，且这些超热中子在200μs以内将损失殆尽，如图2（a）所示；如果地层岩石含铀，因每个235U核裂变可产生2～3个瞬发裂变中子，从而增加了中子数，进一步使超热中子数及热中子数增多，同时使235U核裂变几率增大，如图2（b）所示。因此，可以通过获取超热中子与热中子的时间谱计数，求得当前地层的铀含量。

图1 铀裂变瞬发中子测井原理图

图2 中子时间谱示意图

2 结合铀裂变瞬发中子测井的核电子学教学模式探索

获取超热中子与热中子探测器的时间谱电路称为中子时间谱仪。它包括前置放大器、主放大器、多通道幅度分析、能谱处理等。涉及电路、模拟电路技术、数字电子线路、原子核物理、核辐射探测技术等多方向课程的交叉，该谱仪对核电子学课程的教学具有较好的代表性。

中子时间谱仪电路主要包括3He正比计数管型中子探测器（分别探测超热中子和热中子）、3He正比计数管高压驱动部分、前置放大电路、成形放大电路、极性变换电路、基线恢复电路、信号甄别电路、数据分析处理及通信部分、高压电源和低压电源等组成。具体的电路结构框图如图3所示：

图3 时间谱仪电路结构

3He正比计数管输出的是负脉冲形式的电流信号，且电流值很小，因此需要在紧靠探测器输出端接一个电流灵敏前置放大器，这里可以引出核电子学课程的有关前置放大器的相关章节内容，同时引出各类放大电路的区别。课堂还可利用Multisim软件等电子线路CAD仿真软件对各类前置放大电路进行模拟仿真，给出所见即所得的信号波形与实验数据，使学生能够直接以视觉冲击的形式接受课堂教学内容，并能够充分认识到可视化教学带来的好处，熟悉前置放大器的实际用途。

由于电流灵敏前置放大器所输出的脉冲信号较小，仍不适合后面分析测量系统的要求，需要对前置放大器输出信号进行成形放大与基线恢复、极性变换等处理，得到便于处理的正脉冲信号，便于后续电子学线路的处理。这里可以引出核电子学滤波和成形相关章节内容，使学生从实践中确实体会堆积判弃（死时间校正）、弹道亏损、基线恢复器的电路原理与适用场景。

经过成形放大和基线恢复后的信号为近似高斯形的正脉冲信号，为排除干扰，正确识别热中子和超热中子所产生的脉冲信号，需要在电路中加入脉冲信号的幅度甄别功能，并将模拟脉冲信号转化为方波脉冲信号才能由数字化处理芯片进行脉冲计数。这里可以引出核电子学关于核脉冲波形甄别与分析知识点，让学生熟悉剔除噪声干扰、幅度选择及前沿定时的原理与应用。

3 具体实施方案

本论文方法的核电子学教学的实施方案分为：

3.1 核辐射测量原理课堂教学

核电子学课程目前存在的主要问题在于学生不理解核辐射测量的基本原理，由于核辐射测量原理本身就是一门课程，如花大量时间进行讲授，将导致后续章节内容占时比大大减少，无法覆盖完整知识点；如不讲授核辐射测量原理，学生将难以理解该课程讲授的内容长此以往，导致学生对课程失去兴趣。

针对上述问题，教学可从瞬发裂变中子测井入手，实现“由点切入，由点到面，以点带面，点面结合”，从实际案例中讲授核电子学所需核辐射测量原理相关知识，从而加深学生的代入感。首先介绍射线与物质的相互作用，使学生对射线的衰减、通过物质时成分的变化等知识点有简单的理解；随后介绍核辐射测量过程中的统计学与误差分析，使学生能够对测量结果的准确性有合理的判断，并能够进行一定的偏差校正；最后介绍铀裂变瞬发中子测井方法，主要包括铀裂变瞬发中子测井的背景与意义、国内外目前的研究进展及我校当前的研究现状与以后的发展方向等。

3.2 基本放大电路课堂教学

接着讲授与核电子学相关的铀裂变瞬发中子测井井下探管电路部分，具体是指与前置放大器、滤波电路、幅度甑别等电路的设计。

前置放大电路是核电子学课程的基础，本教学案例中包括电流灵敏前置放大电路、成形放大电路等。教学时可以介绍入射到3He正比计数管的中子经过管内正比区的气体放大效应，根据照射中子的能量和数量，会在3He正比计数管的输出端产生不同幅度的电流信号，经过电流放大电路对信号放大，后续电路可记录被探测中子的相关信息。

除此之外，案例中还包括极性变换电路，它也是成形放大电路的一部分，其主要功能是对脉冲信号进行进一步放大，同时把负脉冲信号反相放大为正脉冲信号，便于后续电子学线路的处理。

利用电子线路CAD软件绘制电流灵敏前置放大、成形放大和极性变换电路如图4所示，课堂上可重点讲解，并用Multisim进行模拟演示。

图4 时间谱仪电流灵敏前置放大、成形放大和极性变换电路原理图

同时，可向学生阐述铀裂变瞬发中子测井由于采集的是中子的时间测量信号，故采用的是电流灵敏前置放大器，由于其噪声较大，后续需进行降噪处理。进一步地，可将该知识点进行进一步扩充：电压灵敏与电荷灵敏前置放大器主要用于能谱测量分析系统。

3.3 信号分析与处理课堂教学

为排除噪声干扰，正确识别热中子和超热中子所产生的脉冲信号，需要在电路中加入脉冲信号的幅度甑别功能，将模拟脉冲信号转化为方波脉冲信号。这里可以引出脉冲幅度选择章节内容，它是将幅度超过（或低于）某一设定电平的脉冲转换成幅度和宽度符合一定标准的脉冲输出，剔除该电平以下（或以上）的其他输入信号。利用电子线路CAD软件绘制该电路如下图所示：

图5 脉冲幅度甄别电路设计

课堂上可边用Multisim模拟演示，边讲解各元器件的作用，使学生进行可视化教学环境，便于学懂弄通。

4 结束语

核电子学在核工业中应用广泛，同时也综合了电子技术、电路、自动控制等多个学科，因此具有很强的工程性和综合性。但该课程的教学知识老旧，已不能适应当前井下核辐射探测技术的需求。本文在此背景下，结合铀裂变瞬发中子测井的核电子学教学创新模式探索。通过列举铀裂变瞬发中子测井井下探管的电路结构，引出核电子学课程的相关内容，探索该课程的“以研代学”，“研学结合”的研究型教学创新模式，借此期望能够激发学生的学习兴趣。用以推进新工科背景下创新工程教育对工程人才的培养，为核电子学教学提供新的思路。