(中國科學技術大學 物理虛擬仿真實驗教學中心)

虛實重構的核物理實驗

(中國科學技術大學 物理虛擬仿真實驗教學中心)

1 主要內容

核物理實驗教學需要放射源，而放射源存在輻射，需要嚴格的防護措施，否則會對人體造成傷害，造成核物理與核技術教學實驗的困境. 為了減少輻射對人體的傷害，在許多核物理教學實驗、核科學人才的培養(yǎng)過程中，通常采用脈沖信號源來代替放射源進行實驗. 而脈沖信號源無法給出具有放射源物理特征的核信號，很難滿足核物理與核技術應用的需求. 我們在核電子學、數(shù)字信號處理等技術的基礎上，利用可編程器件、高速數(shù)字化器件和模擬ASIC技術研制了核脈沖信號源——虛擬放射源，通過對基本硬件系統(tǒng)的編程和配置，產(chǎn)生具有特定放射源特征輸出信號.

虛擬放射源具有以下功能：

1)仿真放射源的物理特征，給出指定放射源的物理信息，如能量分布信息、粒子信息、探測器的響應信息；

2)輸出幅度上具有隨機性的信號；

3)輸出時間上具有隨機性的信號；

4)可根據(jù)實驗需求仿真實驗過程，動態(tài)產(chǎn)生觸發(fā)判選條件，產(chǎn)生多粒子符合輸出.

針對核物理與核技術實驗教學，研制了通用數(shù)據(jù)采集器和自動定標器，與計算機和探測器組合，經(jīng)配置和重構、虛擬仿真、虛實重構，可以構成所需的核物理與核技術實驗教學平臺，開設“閃爍譜儀測γ射線能譜”、“測量高速運動電子的動量與能量間關系”、“盧瑟福散射實驗”、“γ和β 射線的吸收實驗”、“G-M計數(shù)管特性研究實驗”等系列核物理與核技術教學實驗.

通過虛實重構的核物理實驗教學，使學生掌握射線與物質相互作用的物理機理、射線的探測原理和射線探測器的工作原理. 開設虛實重構的核物理實驗，使學生感受到現(xiàn)代核科學與技術實驗中的新理念與新技術.

圖1為虛擬放射源基本原理框圖.

圖1 虛擬放射源基本原理框圖

2 創(chuàng)新點

1)虛擬仿真技術用于核物理與核技術實驗教學，解除了放射源輻射和管理的高危險性. 引入當今核物理與核技術實驗的可重構理念和技術，學生可以現(xiàn)場重構實驗系統(tǒng)，自主設計實驗,研究射線與物質相互作用原理,并掌握相關的核技術和核應用知識.

2)采用先進的數(shù)字處理技術、硬件重構技術和FPGA技術進行設計，利用其構成的實驗教學平臺在功能上和性能上大大超過傳統(tǒng)的核物理和核技術教學實驗平臺.

3 主要成效

虛實重構的核物理實驗平臺在我校已使用了4年，每年有千名學生受益.

(執(zhí)筆：張憲鋒)