(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心)

虛實(shí)重構(gòu)的核物理實(shí)驗(yàn)

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心)

1 主要內(nèi)容

核物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要放射源，而放射源存在輻射，需要嚴(yán)格的防護(hù)措施，否則會(huì)對(duì)人體造成傷害，造成核物理與核技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的困境. 為了減少輻射對(duì)人體的傷害，在許多核物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)、核科學(xué)人才的培養(yǎng)過(guò)程中，通常采用脈沖信號(hào)源來(lái)代替放射源進(jìn)行實(shí)驗(yàn). 而脈沖信號(hào)源無(wú)法給出具有放射源物理特征的核信號(hào)，很難滿足核物理與核技術(shù)應(yīng)用的需求. 我們?cè)诤穗娮訉W(xué)、數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用可編程器件、高速數(shù)字化器件和模擬ASIC技術(shù)研制了核脈沖信號(hào)源——虛擬放射源，通過(guò)對(duì)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(hào).

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(cè)器的響應(yīng)信息；

2)輸出幅度上具有隨機(jī)性的信號(hào)；

3)輸出時(shí)間上具有隨機(jī)性的信號(hào)；

4)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程，動(dòng)態(tài)產(chǎn)生觸發(fā)判選條件，產(chǎn)生多粒子符合輸出.

針對(duì)核物理與核技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，研制了通用數(shù)據(jù)采集器和自動(dòng)定標(biāo)器，與計(jì)算機(jī)和探測(cè)器組合，經(jīng)配置和重構(gòu)、虛擬仿真、虛實(shí)重構(gòu)，可以構(gòu)成所需的核物理與核技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，開設(shè)“閃爍譜儀測(cè)γ射線能譜”、“測(cè)量高速運(yùn)動(dòng)電子的動(dòng)量與能量間關(guān)系”、“盧瑟福散射實(shí)驗(yàn)”、“γ和β 射線的吸收實(shí)驗(yàn)”、“G-M計(jì)數(shù)管特性研究實(shí)驗(yàn)”等系列核物理與核技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn).

通過(guò)虛實(shí)重構(gòu)的核物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生掌握射線與物質(zhì)相互作用的物理機(jī)理、射線的探測(cè)原理和射線探測(cè)器的工作原理. 開設(shè)虛實(shí)重構(gòu)的核物理實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生感受到現(xiàn)代核科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)中的新理念與新技術(shù).

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(diǎn)

1)虛擬仿真技術(shù)用于核物理與核技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，解除了放射源輻射和管理的高危險(xiǎn)性. 引入當(dāng)今核物理與核技術(shù)實(shí)驗(yàn)的可重構(gòu)理念和技術(shù)，學(xué)生可以現(xiàn)場(chǎng)重構(gòu)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn),研究射線與物質(zhì)相互作用原理,并掌握相關(guān)的核技術(shù)和核應(yīng)用知識(shí).

2)采用先進(jìn)的數(shù)字處理技術(shù)、硬件重構(gòu)技術(shù)和FPGA技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用其構(gòu)成的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)在功能上和性能上大大超過(guò)傳統(tǒng)的核物理和核技術(shù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái).

3 主要成效

虛實(shí)重構(gòu)的核物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在我校已使用了4年，每年有千名學(xué)生受益.

(執(zhí)筆：張憲鋒)