虚实结合的核物理综合实验系统的设计与教学实践
2021-09-28刘海林吴奕初杨智慧王晓峰
刘海林,吴奕初,杨智慧,王晓峰,段 琛,成 斌
(1.武汉大学 物理实验教学中心,湖北 武汉 430072;2.安徽核芯电子科技有限公司,安徽 合肥 230026)
近代物理实验是物理专业学生的重要基础课,所涉及的物理知识面广、综合性和技术性强[1].核物理实验由于需要长期保存放射源,给高校实验室管理带来了极大不便;此外,学生缺乏操作放射源及射线装置的经验和技能,对放射源的使用与管理也带来一定的风险和困难[2-3].根据最近北京大学、复旦大学和武汉大学等41个物理国家级实验教学示范中心统计结果,目前开设核物理项目总数为13个,开设率最高的X射线标识谱与吸收实验也只有1/3左右,闪烁体计数器及γ能谱测量、康普顿散射等5个实验开设率约1/4,其余实验的开设率不足1/10.多数开设核物理实验的高校,学时较少,实验内容单一,学生无法得到充分的训练.很多普通本科院校因没有放射源和射线装置使用资质而停止开设近代核物理实验.另外,对于学生而言,提到核物理,学生脑海中想到的常是一些核事故、核污染等可怕画面,普遍对核物理实验存在顾忌心理.因此开发不含放射源的核物理实验是十分必要的.
近年来,国际上非常重视核物理虚拟仿真实验项目建设,美国、欧洲一些大学研发仿真教学软件[4],学生使用复杂高危核仪器设备之前先做虚拟仿真实验[5],意大利CAEN公司研制出了放射源模拟器[6].国内中国科学技术大学等建设了虚拟仿真实验中心,应用虚拟放射源代替真实放射源,虚实结合开展核物理实验教学,取得了较好的教学效果[7].武汉大学物理实验教学中心基于物理学院拥有湖北省核固体物理重点实验室的科研优势,通过引进先进的教学理念,对虚实结合的近代核物理实验教学进行探索与实践,取得了一定成效[8].
1 核物理虚实结合实验教学平台的构建
通过对近代物理实验教学资源不断整合、优化和更新,实验中心将信息技术与实验教学深度融合,构建了核物理虚实结合实验教学平台.该平台包括3部分:实体实验、虚实结合实验和虚拟仿真实验.采用启发式、开放式的教学方式,突破了传统实体实验为主的教学模式,将虚拟仿真、虚实结合、校园实验等项目引入教学,基于虚实结合的实验平台如图1所示.学生可以根据自己的需求及水平对设备进行灵活搭配,可以进行纯虚拟的软件仿真实验,也可以使用真实核探测器进行实物验证或使用虚拟放射源进行虚实结合实验.学有余力的学生还可进行自主设计虚实重构的创新实验.
图1 核物理虚实结合实验教学平台的结构图
1.1 对传统核物理实验进行升级改造
对传统实验中康普顿散射、相对论效应验证和卢瑟福散射实体实验进行了升级改造,采用真实放射源,以多功能数字多道代替了传统核物理的插件设备,提高实验效率的同时降低了实验成本.新购买X射线衍射仪,以科研与教学结合的方式开发了教学型正电子寿命测量系统及常规的NIM箱插件,为学生自主设计及开发新实验提供了条件.积极探索“无放射源”核物理实验的各种可行性方案[9-10],增加了校园环境天然放射性的检测与评价及40KCl γ能谱的测量等实验,供本科生进行科研训练和做毕业设计.
1.2 虚实结合实验
用放射源模拟器模拟产生了真实的仿真核信号,并附带信号采集处理系统,无需放射源,为普通高校开设核物理实验提供新的解决方案.通过虚实结合——研制虚拟放射源及数字化多道,开展了“无放射源”的近代核物理实验,并将传统的实体实验与虚拟仿真实验有机结合,设备先进、功能齐全.引入国内外先进的教学理念,可以开展不受放射源和射线装置限制的近代物理教学实验,实现虚拟与现实的有机结合,该实验教学方式下既可以开设核物理实验课程,又能够保留学生一定的动手能力,还可与真实核信号进行对比,激发学生的求知欲.根据不同专业学生的需要,可以选取不同的实验方法对仪器虚实重构,完成实验内容,教学内容丰富,时间灵活可控.
1.3 虚拟仿真实验
科教融合、校企联合研究射线(粒子)与物质相互作用,建设放射源库、探测器库、能谱测量、数量处理等模块,开出与虚实结合核物理实验一一对应的虚拟仿真实验.该类实验是实体实验的补充及拓展,既可以代替常规实验正常开设,也可以用作学生预习和复习.通过虚拟再现实验的所有实验环节,学生可以快速、全面地掌握实验内容,为虚实结合实验与真实核物理实验的学习提供重要的练习与辅助工具.
2 虚实结合实验系统的设计
2.1 系统的构成
虚实结合核物理综合实验系统是基于以上平台设计和开发的,放射源模拟器与多功能数字多道如图2所示.系统主要包括放射源模拟器、教学通用型的多功能数字多道和实验控制系统软件.放射源模拟器模拟输出的脉冲波形可任意调节,可合成任意放射源与探测器组合的信号;多功能数字多道模块采用数字化技术,利用高速模数转换器(AD)与现场可编程逻辑门阵列(FPGA),采用不同的工作固件,可以替代多种传统核信号处理设备.本系统配套软件使用C++语言配合Qt框架研发,除了实现系统的参量输入,数据的传输、分析及展示外,还提供了虚拟实验的模型展示界面,在本界面中模拟了当前实验所关心的粒子与物质的相互作用过程,使得不可见的粒子与核变得直观生动,使学生建立起一套科学的物理图像.
(a)放射源模拟器
系统可实现示波器、单道分析器+计数器、多道分析器、符合能谱测量、反符合能谱测量、时间数字转换器等功能,能够拓宽传统核物理实验教学的内容,在同一套设备上能完成多项实验项目.各高校可根据自身学科特点选择若干实验,按真实实验要求开设,也可按射线与物质相互作用规律开设综合实验.
2.2 可开设的实验项目
综合实验系统可开设如下实验项目:
1)放射性探测的统计规律实验;
2)闪烁体探测器与γ射线吸收实验;
3)半导体探测器与α粒子的能损实验;
4)β射线的吸收实验;
5)X射线吸收和特征谱实验;
6)中子活化元素半衰期测量实验;
7)康普顿散射实验;
8)卢瑟福散射实验;
9)相对论效应验证;
10)校园环境天然放射性测量;
11)正电子寿命谱测量;
12)穆斯堡尔效应.
此外,学生可以根据自己的需求及水平对设备进行灵活搭配,自主设计和开发新的核物理实验,或提出具体要求与公司合作研发.
3 教学实践
3.1 实验案例
以γ射线探测技术及应用综合实验为例,该实验由浅入深分4部分内容:
1)学习闪烁体探测器的使用及能谱分析方法,利用该探测器进行γ射线的能谱测量;
2)了解物质对γ射线的吸收规律,测量几种典型物质的吸收系数;
3)结合符合测量技术,验证康普顿效应,证实光子假说的正确性;
4)使用真实探测器测量校园不同区域的放射性,学习低水平天然放射性的测量与分析方法.
通过学习γ射线探测技术及应用综合实验,学生除了学习核物理基本实验技能外,还可以了解天然放射性无处不在、无时不有.实验过程实施课程思政,立德树人,帮助学生树立正确的核科学观.
图3为虚实结合核物理综合实验系统——康普顿散射实验各部分连接示意图(其他实验连接类似,如开设卢瑟福散射实验只需将康普顿散射实验平台更换为卢瑟福散射实验平台).
图3 虚实结合核物理综合实验系统的连线示意图
经典诺贝尔物理实验康普顿散射的实验目的是:验证康普顿散射的光子能量及微分截面与散射角的关系.实验采用康普顿散射的次级γ光子与电子之间的符合测量技术,提高了实验的信噪比与测量精度.信号模拟器输出的通道1信号(图2)模拟了探测康普顿散射γ的NaI(Tl)闪烁体探测器的信号输出,它符合康普顿散射能谱分布;而通道2模拟了作为散射体的塑料闪烁体探测器的信号经过单道之后的输出,所以它是1组方波信号.在示波器中,可以观测到通道2有大量的随机信号,而通道1信号只有少量的探测示例,两通道在符合测量的情况下,即可得到康普顿散射能谱.通过测量不同角度下散射γ光子的能谱,根据能量刻度信息计算并验证康普顿散射能量公式和微分截面公式.
本综合实验解决了放射源辐射安全难题,帮助学生深刻理解闪烁体探测器的原理,虚拟再现了经典诺贝尔奖实验康普顿散射效应,有效调动了学生学习近代核物理专业理论和实践知识的积极性.学生在实验方法的思考、仪器的选择和搭配、实验条件的确定以及实验数据的处理等方面得到了基本训练.校园环境放射性现场测量,让学生了解放射性存在于日常生活中,拓宽了学生的知识面,提高了学生的学习兴趣.
3.2 应用情况
近几年来,物理实验教学中心在近代物理实验、实验物理IV、诺贝尔奖物理实验和核技术综合实验等教学中采用理论与实验、虚拟与现实、线上与线下相结合的混合式教学模式,要求学生根据兴趣爱好至少选做1个虚实结合实验题目.该教学模式取得了良好的教学效果,图4和图5分别为学生做虚实结合实验和环境天然放射性测量的场景.
(a)
(a)
2019年申报了“康普顿散射虚拟仿真实验”项目,并且通过“实验空间”——国家虚拟仿真实验教学项目共享平台向全国高校开放.该项目作为近代物理实验线上教学资源被中国科学技术大学、华中师范大学等23所高校的学生选做,总计2 134人次进行了实验,实现了优质教育资源共享.2020年春季新冠肺炎疫情期间,线上教学情况被《物理与工程》和国家虚拟仿真实验教学平台等微信平台报道,受到全国高校的广泛关注.2020年“康普顿散射虚拟仿真实验”课程被认定为“首批国家级一流本科课程”,被湖北电视台教育频道专题报道.
本系统已在中国科学技术大学、中山大学、同济大学和国防科技大学等近10所高校推广使用,用户反馈良好.本系统于2020年获校级自制仪器评比二等奖和第6届全国高等学校教师自制实验教学仪器设备创新大赛三等奖,相关成果获得2021年武汉大学教学成果二等奖.
4 结束语
采用虚拟仿真、虚拟放射源等技术结合多功能数字多道,既可以使用虚拟的核脉冲信号,又可以使用真实探测器开展无源的核物理教学实验,为普通高校开设核物理实验提供了新的解决方案.下一步,将以国家级实验教学示范中心和湖北省核固体物理重点实验室为依托,将最新核科学及核技术成果快速转化为实验教学内容;通过校企合作研制小型化可手机操作的校园环境天然放射性测量仪,面向理工科非物理专业开设1~2个典型实验,扩大受益面.加强与科普教育基地和科技馆等公众平台的合作交流,中心演示与开放实验室计划筹建“生活中的放射性”展示厅,充分发挥示范中心在科普宣传中的重要作用.