虛實結合的核物理綜合實驗系統的設計與教學實踐

劉海林，吳奕初，楊智慧，王曉峰，段 琛，成 斌

(1.武漢大學 物理實驗教學中心，湖北 武漢 430072；2.安徽核芯電子科技有限公司，安徽 合肥 230026)

近代物理實驗是物理專業學生的重要基礎課，所涉及的物理知識面廣、綜合性和技術性強[1].核物理實驗由于需要長期保存放射源，給高校實驗室管理帶來了極大不便；此外，學生缺乏操作放射源及射線裝置的經驗和技能，對放射源的使用與管理也帶來一定的風險和困難[2-3].根據最近北京大學、復旦大學和武漢大學等41個物理國家級實驗教學示范中心統計結果，目前開設核物理項目總數為13個，開設率最高的X射線標識譜與吸收實驗也只有1/3左右，閃爍體計數器及γ能譜測量、康普頓散射等5個實驗開設率約1/4，其余實驗的開設率不足1/10.多數開設核物理實驗的高校，學時較少，實驗內容單一，學生無法得到充分的訓練.很多普通本科院校因沒有放射源和射線裝置使用資質而停止開設近代核物理實驗.另外,對于學生而言，提到核物理，學生腦海中想到的常是一些核事故、核污染等可怕畫面，普遍對核物理實驗存在顧忌心理.因此開發不含放射源的核物理實驗是十分必要的.

近年來，國際上非常重視核物理虛擬仿真實驗項目建設，美國、歐洲一些大學研發仿真教學軟件[4]，學生使用復雜高危核儀器設備之前先做虛擬仿真實驗[5]，意大利CAEN公司研制出了放射源模擬器[6].國內中國科學技術大學等建設了虛擬仿真實驗中心，應用虛擬放射源代替真實放射源，虛實結合開展核物理實驗教學，取得了較好的教學效果[7].武漢大學物理實驗教學中心基于物理學院擁有湖北省核固體物理重點實驗室的科研優勢，通過引進先進的教學理念，對虛實結合的近代核物理實驗教學進行探索與實踐，取得了一定成效[8].

1 核物理虛實結合實驗教學平臺的構建

通過對近代物理實驗教學資源不斷整合、優化和更新，實驗中心將信息技術與實驗教學深度融合，構建了核物理虛實結合實驗教學平臺.該平臺包括3部分：實體實驗、虛實結合實驗和虛擬仿真實驗.采用啟發式、開放式的教學方式，突破了傳統實體實驗為主的教學模式，將虛擬仿真、虛實結合、校園實驗等項目引入教學，基于虛實結合的實驗平臺如圖1所示.學生可以根據自己的需求及水平對設備進行靈活搭配，可以進行純虛擬的軟件仿真實驗，也可以使用真實核探測器進行實物驗證或使用虛擬放射源進行虛實結合實驗.學有余力的學生還可進行自主設計虛實重構的創新實驗.

圖1 核物理虛實結合實驗教學平臺的結構圖

1.1 對傳統核物理實驗進行升級改造

對傳統實驗中康普頓散射、相對論效應驗證和盧瑟福散射實體實驗進行了升級改造，采用真實放射源，以多功能數字多道代替了傳統核物理的插件設備，提高實驗效率的同時降低了實驗成本.新購買X射線衍射儀，以科研與教學結合的方式開發了教學型正電子壽命測量系統及常規的NIM箱插件，為學生自主設計及開發新實驗提供了條件.積極探索“無放射源”核物理實驗的各種可行性方案[9-10]，增加了校園環境天然放射性的檢測與評價及40KCl γ能譜的測量等實驗，供本科生進行科研訓練和做畢業設計.

1.2 虛實結合實驗

用放射源模擬器模擬產生了真實的仿真核信號，并附帶信號采集處理系統，無需放射源，為普通高校開設核物理實驗提供新的解決方案.通過虛實結合——研制虛擬放射源及數字化多道，開展了“無放射源”的近代核物理實驗，并將傳統的實體實驗與虛擬仿真實驗有機結合，設備先進、功能齊全.引入國內外先進的教學理念，可以開展不受放射源和射線裝置限制的近代物理教學實驗，實現虛擬與現實的有機結合，該實驗教學方式下既可以開設核物理實驗課程，又能夠保留學生一定的動手能力，還可與真實核信號進行對比，激發學生的求知欲.根據不同專業學生的需要，可以選取不同的實驗方法對儀器虛實重構，完成實驗內容，教學內容豐富，時間靈活可控.

1.3 虛擬仿真實驗

科教融合、校企聯合研究射線(粒子)與物質相互作用，建設放射源庫、探測器庫、能譜測量、數量處理等模塊，開出與虛實結合核物理實驗一一對應的虛擬仿真實驗.該類實驗是實體實驗的補充及拓展，既可以代替常規實驗正常開設，也可以用作學生預習和復習.通過虛擬再現實驗的所有實驗環節，學生可以快速、全面地掌握實驗內容，為虛實結合實驗與真實核物理實驗的學習提供重要的練習與輔助工具.

2 虛實結合實驗系統的設計

2.1 系統的構成

虛實結合核物理綜合實驗系統是基于以上平臺設計和開發的，放射源模擬器與多功能數字多道如圖2所示.系統主要包括放射源模擬器、教學通用型的多功能數字多道和實驗控制系統軟件.放射源模擬器模擬輸出的脈沖波形可任意調節，可合成任意放射源與探測器組合的信號；多功能數字多道模塊采用數字化技術，利用高速模數轉換器(AD)與現場可編程邏輯門陣列(FPGA)，采用不同的工作固件，可以替代多種傳統核信號處理設備.本系統配套軟件使用C++語言配合Qt框架研發，除了實現系統的參量輸入，數據的傳輸、分析及展示外，還提供了虛擬實驗的模型展示界面，在本界面中模擬了當前實驗所關心的粒子與物質的相互作用過程，使得不可見的粒子與核變得直觀生動，使學生建立起一套科學的物理圖像.

(a)放射源模擬器

系統可實現示波器、單道分析器+計數器、多道分析器、符合能譜測量、反符合能譜測量、時間數字轉換器等功能，能夠拓寬傳統核物理實驗教學的內容，在同一套設備上能完成多項實驗項目.各高校可根據自身學科特點選擇若干實驗，按真實實驗要求開設，也可按射線與物質相互作用規律開設綜合實驗.

2.2 可開設的實驗項目

綜合實驗系統可開設如下實驗項目：

1)放射性探測的統計規律實驗；

2)閃爍體探測器與γ射線吸收實驗；

3)半導體探測器與α粒子的能損實驗;

4)β射線的吸收實驗；

5)X射線吸收和特征譜實驗；

6)中子活化元素半衰期測量實驗；

7)康普頓散射實驗；

8)盧瑟福散射實驗；

9)相對論效應驗證；

10)校園環境天然放射性測量；

11)正電子壽命譜測量；

12)穆斯堡爾效應.

此外，學生可以根據自己的需求及水平對設備進行靈活搭配，自主設計和開發新的核物理實驗，或提出具體要求與公司合作研發.

3 教學實踐

3.1 實驗案例

以γ射線探測技術及應用綜合實驗為例，該實驗由淺入深分4部分內容：

1)學習閃爍體探測器的使用及能譜分析方法，利用該探測器進行γ射線的能譜測量；

2)了解物質對γ射線的吸收規律，測量幾種典型物質的吸收系數；

3)結合符合測量技術，驗證康普頓效應，證實光子假說的正確性；

4)使用真實探測器測量校園不同區域的放射性，學習低水平天然放射性的測量與分析方法.

通過學習γ射線探測技術及應用綜合實驗，學生除了學習核物理基本實驗技能外，還可以了解天然放射性無處不在、無時不有.實驗過程實施課程思政，立德樹人，幫助學生樹立正確的核科學觀.

圖3為虛實結合核物理綜合實驗系統——康普頓散射實驗各部分連接示意圖(其他實驗連接類似，如開設盧瑟福散射實驗只需將康普頓散射實驗平臺更換為盧瑟福散射實驗平臺).

圖3 虛實結合核物理綜合實驗系統的連線示意圖

經典諾貝爾物理實驗康普頓散射的實驗目的是：驗證康普頓散射的光子能量及微分截面與散射角的關系.實驗采用康普頓散射的次級γ光子與電子之間的符合測量技術，提高了實驗的信噪比與測量精度.信號模擬器輸出的通道1信號(圖2)模擬了探測康普頓散射γ的NaI(Tl)閃爍體探測器的信號輸出，它符合康普頓散射能譜分布；而通道2模擬了作為散射體的塑料閃爍體探測器的信號經過單道之后的輸出，所以它是1組方波信號.在示波器中，可以觀測到通道2有大量的隨機信號，而通道1信號只有少量的探測示例，兩通道在符合測量的情況下，即可得到康普頓散射能譜.通過測量不同角度下散射γ光子的能譜，根據能量刻度信息計算并驗證康普頓散射能量公式和微分截面公式.

本綜合實驗解決了放射源輻射安全難題，幫助學生深刻理解閃爍體探測器的原理，虛擬再現了經典諾貝爾獎實驗康普頓散射效應，有效調動了學生學習近代核物理專業理論和實踐知識的積極性.學生在實驗方法的思考、儀器的選擇和搭配、實驗條件的確定以及實驗數據的處理等方面得到了基本訓練.校園環境放射性現場測量，讓學生了解放射性存在于日常生活中，拓寬了學生的知識面，提高了學生的學習興趣.

3.2 應用情況

近幾年來，物理實驗教學中心在近代物理實驗、實驗物理IV、諾貝爾獎物理實驗和核技術綜合實驗等教學中采用理論與實驗、虛擬與現實、線上與線下相結合的混合式教學模式，要求學生根據興趣愛好至少選做1個虛實結合實驗題目.該教學模式取得了良好的教學效果，圖4和圖5分別為學生做虛實結合實驗和環境天然放射性測量的場景.

(a)

(a)

2019年申報了“康普頓散射虛擬仿真實驗”項目，并且通過“實驗空間”——國家虛擬仿真實驗教學項目共享平臺向全國高校開放.該項目作為近代物理實驗線上教學資源被中國科學技術大學、華中師范大學等23所高校的學生選做，總計2 134人次進行了實驗，實現了優質教育資源共享.2020年春季新冠肺炎疫情期間，線上教學情況被《物理與工程》和國家虛擬仿真實驗教學平臺等微信平臺報道，受到全國高校的廣泛關注.2020年“康普頓散射虛擬仿真實驗”課程被認定為“首批國家級一流本科課程”，被湖北電視臺教育頻道專題報道.

本系統已在中國科學技術大學、中山大學、同濟大學和國防科技大學等近10所高校推廣使用，用戶反饋良好.本系統于2020年獲校級自制儀器評比二等獎和第6屆全國高等學校教師自制實驗教學儀器設備創新大賽三等獎，相關成果獲得2021年武漢大學教學成果二等獎.

4 結束語

采用虛擬仿真、虛擬放射源等技術結合多功能數字多道，既可以使用虛擬的核脈沖信號，又可以使用真實探測器開展無源的核物理教學實驗，為普通高校開設核物理實驗提供了新的解決方案.下一步，將以國家級實驗教學示范中心和湖北省核固體物理重點實驗室為依托，將最新核科學及核技術成果快速轉化為實驗教學內容；通過校企合作研制小型化可手機操作的校園環境天然放射性測量儀，面向理工科非物理專業開設1～2個典型實驗，擴大受益面.加強與科普教育基地和科技館等公眾平臺的合作交流，中心演示與開放實驗室計劃籌建“生活中的放射性”展示廳，充分發揮示范中心在科普宣傳中的重要作用.