劉輝蘭，宋玉收，齊美玲，侯英偉

(哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150001)

創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)模式不是單一的，也不是固定化的，近幾年，國(guó)內(nèi)各大高校都非常重視創(chuàng)新型人才培養(yǎng)和拔尖人才培養(yǎng)模式的探索[1-3]。本科生要在掌握了一定專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)上積極參與科學(xué)研究訓(xùn)練，這是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要途徑和模式?？茖W(xué)研究要向?qū)嶒?yàn)教學(xué)轉(zhuǎn)化，將科學(xué)研究的優(yōu)勢(shì)資源引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供指導(dǎo)方向，促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的提高，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力，打造以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為目標(biāo)的高校實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)境?？茖W(xué)研究向?qū)嶒?yàn)教學(xué)的轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供實(shí)踐訓(xùn)練的作用不容忽視，哈爾濱工程大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院非常重視將科學(xué)研究的優(yōu)勢(shì)資源引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 放射源定位方法的研究意義及引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)

1.1 研究意義

隨著核科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)對(duì)于放射源的應(yīng)用越來越廣泛。在實(shí)驗(yàn)課程的實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)開展放射源定位方法研究實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可以使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中有機(jī)會(huì)接觸和了解社會(huì)對(duì)核科學(xué)與技術(shù)專業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的需求及專業(yè)未來發(fā)展趨勢(shì)，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的綜合能力，為以后的科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

1.2 引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)

哈爾濱工程大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院科研團(tuán)隊(duì)教師針對(duì)放射源定位方法已經(jīng)做了較多研究，一系列相關(guān)的學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目也得到了學(xué)校專項(xiàng)基金的支持?；谇捌诘目茖W(xué)研究及學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練，將放射源定位方法引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)已經(jīng)具備了較好的研究基礎(chǔ)和保障條件。學(xué)院大力支持科研成果向?qū)嶒?yàn)教學(xué)的轉(zhuǎn)化，積極鼓勵(lì)教師將課題組的科學(xué)研究?jī)?yōu)勢(shì)資源引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合。

2 放射源定位實(shí)驗(yàn)的具體實(shí)施方案、途徑與方法

2.1 放射源定位實(shí)驗(yàn)方案

放射源定位有兩種方案，一種是裝備一個(gè)探頭，移動(dòng)測(cè)量，如果是理想點(diǎn)源，兩個(gè)測(cè)量位置就可以定位了；如果不是點(diǎn)源，需測(cè)量多個(gè)位置來同時(shí)確定源的方位和源的形狀。每次測(cè)量需記錄輻射信息和空間位置，以便做數(shù)據(jù)重構(gòu)和定位計(jì)算。這種方案的好處在于系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低，可以在行進(jìn)過程中邊走邊測(cè)，走完就測(cè)完。缺點(diǎn)是一個(gè)探頭測(cè)量多個(gè)位置，測(cè)量過程中需要逐步采點(diǎn)，測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)。另一種模式是使用多個(gè)輻射探測(cè)器進(jìn)行輻射場(chǎng)的分點(diǎn)測(cè)量，然后根據(jù)分點(diǎn)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)空間模型的構(gòu)建，得到源的方位和形狀。由于逐步采點(diǎn)測(cè)量時(shí)間較長(zhǎng)，考慮到學(xué)生實(shí)驗(yàn)的時(shí)間限制，在實(shí)驗(yàn)中采用第二種放射源定位方案。

2.2 放射源定位實(shí)現(xiàn)的途徑與方法

實(shí)驗(yàn)中利用4個(gè)NaI閃爍體探測(cè)器同時(shí)測(cè)量137Cs放射源得到的計(jì)數(shù)率，采用極大似然估計(jì)的定位方法，通過EM算法迭代計(jì)算和插值方法對(duì)空間輻射場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算和重構(gòu)，根據(jù)探測(cè)器的計(jì)數(shù)率和探測(cè)器的空間位置來確定若干未知活度點(diǎn)狀放射源的空間位置、活度及數(shù)量。為了驗(yàn)證放射源定位方法引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性，采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的137Cs放射源，通過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該定位方法的可靠性及誤差范圍，分析可能影響算法的因素，設(shè)計(jì)放大器電路，通過EDA設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行模擬，進(jìn)而完成PCB的設(shè)計(jì)與制作和室內(nèi)一般條件下的放射源定位實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

3 放射源定位方法實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵問題及創(chuàng)新之處

3.1 伽馬放射源定位儀開發(fā)

放射源定位方法能成功引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)關(guān)鍵因素就是自研實(shí)驗(yàn)樣機(jī)伽馬放射源定位儀。開發(fā)實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用的伽馬放射源定位儀要解決兩個(gè)關(guān)鍵問題，一個(gè)是基于技術(shù)型探測(cè)器的定位算法。目前，常見的放射源定位主要使用成像探測(cè)器，通過成像進(jìn)行定位，但成像定位需要的探測(cè)器通常成本較高，系統(tǒng)復(fù)雜。本研究采用的是一種簡(jiǎn)單的只需要計(jì)數(shù)的方式來進(jìn)行未知源項(xiàng)定位，定位算法是定位儀開發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵問題和創(chuàng)新之處。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)測(cè)試，驗(yàn)證有效性，這是自制定位儀的另一個(gè)關(guān)鍵問題。探測(cè)器系統(tǒng)包括探頭、光電轉(zhuǎn)換器件、信號(hào)處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、上位主機(jī)、偏置高壓、低壓供電等構(gòu)成部分，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)涉及輻射探頭的設(shè)計(jì)開發(fā)、信號(hào)處理、算法與程序設(shè)計(jì)等多種技術(shù)的綜合利用。

3.2 輻射場(chǎng)測(cè)量

常規(guī)的伽馬放射源定位中輻射場(chǎng)的測(cè)量方法是通過輻射探測(cè)器進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量，得到輻射場(chǎng)中離散的測(cè)量點(diǎn)，通過插值算法得到整個(gè)輻射場(chǎng)的測(cè)量結(jié)果。本研究采用輻射源項(xiàng)多點(diǎn)測(cè)量的方法得到輻射源項(xiàng)的位置、能譜、活度等相關(guān)信息?；谠摐y(cè)量方法，使用解析算法對(duì)場(chǎng)所的全空間輻射場(chǎng)進(jìn)行構(gòu)建，從而得到輻射場(chǎng)測(cè)量結(jié)果。

4 放射源定位實(shí)驗(yàn)的教學(xué)實(shí)踐

首先，將放射源定位方法引入科學(xué)研究與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的切合點(diǎn)，調(diào)研學(xué)生對(duì)放射源定位實(shí)驗(yàn)的意向，制訂合理的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。利用前期學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練的基礎(chǔ)，初步設(shè)計(jì)制訂了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，伽馬放射源定位實(shí)驗(yàn)和伽馬輻射場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，明確不同層次的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，編寫完成兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)講義。其次，調(diào)研學(xué)生對(duì)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的參與意向，實(shí)現(xiàn)學(xué)生和教師的雙向選擇，以試點(diǎn)方式開展實(shí)驗(yàn)。最后，廣泛調(diào)研參與實(shí)驗(yàn)學(xué)生的反饋信息，根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐及反饋信息優(yōu)化實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，修改實(shí)驗(yàn)講義，修訂完善實(shí)驗(yàn)所需其他資料，如實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)、設(shè)備的使用說明書及各個(gè)部件的性能、技術(shù)指標(biāo)、技術(shù)圖紙等內(nèi)容。

5 定位方法研究引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的預(yù)期效果與推廣價(jià)值

通過將科學(xué)研究的優(yōu)勢(shì)資源引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)，實(shí)現(xiàn)放射源定位方法研究與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有機(jī)結(jié)合，不斷完善創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)理念，增強(qiáng)本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的前沿性、創(chuàng)新性及實(shí)用性，逐步建立以培養(yǎng)能力為主線的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，讓學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)鍛煉綜合能力，進(jìn)一步在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生參加相關(guān)的科研和創(chuàng)新活動(dòng)，逐步在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中探索培養(yǎng)本科生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的有效途徑。在實(shí)驗(yàn)探索中，應(yīng)不斷改進(jìn)完善放射源定位方法研究和實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)，努力實(shí)現(xiàn)放射源定位實(shí)驗(yàn)儀器的開發(fā)和推廣。