楊東俠，劉安平，張選梅，韓 忠，譚紅兵

(重慶大學(xué) 物理實(shí)驗(yàn)國家級教學(xué)示范中心，重慶 401331)

核物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是物理專業(yè)十分重要的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，其中，NaI(TI)閃爍譜儀與γ能譜測量實(shí)驗(yàn)是非常典型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，閃爍譜儀既能測量粒子的強(qiáng)度，又能測量粒子的能量,而且測量效率高，分辨時間短，所以在核物理研究和放射性測量中應(yīng)用廣泛. 進(jìn)行核物理實(shí)驗(yàn)需要用到放射源，會產(chǎn)生核輻射，教學(xué)環(huán)節(jié)中存在安全風(fēng)險，為此，我校物理實(shí)驗(yàn)中心采用虛實(shí)結(jié)合的方式，建設(shè)虛擬仿真模式下的核物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，用虛擬仿真源取代實(shí)體放射源開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境，規(guī)避安全隱患[1-3]. 為更好地服務(wù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，本文以γ能譜測量實(shí)驗(yàn)為例，展示核物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際效果.

1 實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)放射源發(fā)生衰變時，會向外發(fā)射出γ射線，γ射線可以與物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生次級帶電粒子，這些粒子的能量與γ射線的能量直接相關(guān)，因此，可以通過實(shí)驗(yàn)測量次級帶電粒子的能量標(biāo)定γ射線的能譜，從而測定未知放射源[4].

根據(jù)γ粒子能量與峰位道址的線性關(guān)系

Eγ=kN+b，

(1)

如果對應(yīng)E1的峰位道址位于N1，對應(yīng)E2的峰位道址位于N2，則可以得到k和b為

對能量和道址進(jìn)行最小二乘法擬合，得到能量定標(biāo)公式(1)式，代入未知射線峰位的道址N，可測量未知射線的能量.

2 實(shí)驗(yàn)儀器

核物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺主要由虛擬核信號發(fā)生器、通用多道分析器、實(shí)驗(yàn)輔助軟件、計(jì)算機(jī)和示波器構(gòu)成，如圖1所示. 用虛擬核信號發(fā)生器代替實(shí)體放射源，可以給出指定放射源的物理信息，借助計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)平臺的深入應(yīng)用，采用虛實(shí)結(jié)合的模式，為學(xué)生提供安全、方便、優(yōu)質(zhì)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境[5-7].

圖1 可重構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺

該實(shí)驗(yàn)平臺的優(yōu)點(diǎn)是可以在1臺實(shí)驗(yàn)儀器上，開展多個實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以重構(gòu)實(shí)驗(yàn)條件，仿真多個實(shí)驗(yàn)過程，通過軟件直接測量峰位道址、半高全寬、能量分辨率等；同時具有保存/導(dǎo)出數(shù)據(jù)功能，可以直接在電腦上利用Excel，Origin等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理.

核物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺仿真閃爍γ能譜儀，其結(jié)構(gòu)和功能見圖2. 閃爍譜儀的結(jié)構(gòu)可分為閃爍探頭與高壓、信號放大與多道分析2部分. 閃爍γ譜儀與能譜測量實(shí)驗(yàn)軟件操作界面見圖3，界面具有重構(gòu)實(shí)驗(yàn)條件的功能，能夠開展多個應(yīng)用γ能譜的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生根據(jù)自己的思考，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，例如測量不同放射源的光電峰峰位，標(biāo)定譜儀，測定未知射線能譜和分辨率；驗(yàn)證能量與峰位的線性關(guān)系；應(yīng)用γ譜儀，測量材料的吸收能力.

圖2 閃爍γ能譜儀的結(jié)構(gòu)框圖

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

標(biāo)定137Cs和60Co的γ能量刻度，測量137Cs和60Co的背散射峰能量，分析能量測量誤差，檢測虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺對γ能譜測量的準(zhǔn)確性和實(shí)驗(yàn)效果. 實(shí)驗(yàn)測得137Cs的能譜如圖4所示，測得60Co的能譜如圖5所示. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示.

圖4 實(shí)驗(yàn)測量137Cs能譜圖

圖5 實(shí)驗(yàn)測量60Co能譜圖

表1 實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

查閱衰變綱圖：137Cs的光電峰Ee=0.661 MeV，60Co的光電峰E1=1.17 MeV，60Co的光電峰E2=1.33 MeV.

對多道峰位道址做能量刻度，根據(jù)表1測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Origin進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到能量刻度圖，如圖6所示. 對上述已知的能量和峰位道址做最小二乘法擬合，得到能量與道址的關(guān)系如表2所示.

(a)第1組

(b)第2組

(c)第3組

(d)第4組

(e)第5組圖6 能量刻度

表2 能量定標(biāo)公式及斜率的相對偏差

從圖6可以看出，測得的峰位道址與能量呈明顯的線性關(guān)系，且線性擬合度高. 從表2可以看出，測得的斜率的相對偏差較小,說明虛擬仿真實(shí)驗(yàn)儀器測量穩(wěn)定，能夠仿真出符合真實(shí)放射源的信號效果.

把137Cs和60Co的背散射峰峰位道址代入能量定標(biāo)公式，計(jì)算結(jié)果如表3所示.

表3 137Cs和60Co的背散射峰能量

從表3可以看出，計(jì)算得到137Cs和60Co的背散射峰能量，能量值結(jié)果合理，相對偏差也比較小. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于核物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的γ能譜測量準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)效果理想，符合實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求.

5 結(jié)束語

利用核物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)測定了137Cs和60Co的光電峰峰位，結(jié)合光電峰的能量，標(biāo)定出γ譜的能量刻度，實(shí)驗(yàn)測量了137Cs和60Co的背散射峰能量，實(shí)現(xiàn)了對未知射線能譜的測定. 驗(yàn)證了能量與峰位道址的線性關(guān)系，結(jié)果表明基于核物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺的能譜測量，測量誤差小，實(shí)驗(yàn)效果理想，滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求. 此外，核物理虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、操作性強(qiáng)，學(xué)生可以根據(jù)需要，在平臺上重構(gòu)條件，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，開展SRTP項(xiàng)目、應(yīng)用測量研究等. 這不僅能鍛煉學(xué)生的動手能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還能培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和人才培養(yǎng)方式.