核辐射探测实验II
《核辐射探测实验II》实验教学大纲
核技术应用教研室编
适用专业 |
层次 |
理论课学时 |
实践课学时 |
总学时 |
学分 |
课 程 性 质 |
核工程与核技术 |
本科 |
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32 |
32 |
2.0 |
专业方向课 |
先修课程 |
核物理实验方法,核信息获取与核电子学,核分析技术 |
一、实验课程的地位和作用
1 地位和作用
成都理工大学工程技术学院一直非常重视实践教学,将实验室建设和实验课的改革放在重要位置,为培养学生的素质、技能和创新精神,学校投入了大量的人力、物力和财力建设核辐射探测实验室。
为了突出实验课的重要性和避免各门课程中实验内容的重复,我们将“核物理实验方法”、“核信息探测与处理”、和“核分析技术”等几门相关课程的实验内容提出来单独设课。以此达到
⑴对基本原理的深入理解:基本理论都是从实验出发,逐步总结、提炼建立起来的。但是,在建立基本理论之后,作为教学内容首先在课堂上系统阐述相关知识,然后再通过实验进行验证。这好像与人们认识事物的过程是相反的。其实,人类对事物的认识是不断积累的,前人的实践当然也是实践,只不过是我们继承他们的实践和总结,在此基础上进行验证,加深对他们总结的理论的理解,为今后的实践打下基础。
⑵培养学生独立工作能力:学生的实际工作能力只有通过实验才能培养。对于一个实验物理工作者,只读书而忽略实际工作只能培养“书呆子”。一部分学生,甚至是具有高学历的学生讲到书本上的东西头头是道,而实际应用和具体操作一无所知就是这个道理。
2 完成培养方案中哪项基本素质要求和业务培养要求
⑴自学能力的培养。在实验之前,要求学生进行预习,除了教材中提供的基本材料还应该阅读一些参考资料,比较全面地了解基本原理、设备组成、设备性能、实验条件、可能出现的问题和可能的结果,为实验的顺利进行做好必要的准备。
⑵实际工作能力的培养。我们在实验设备的配置中很少选用成套的整机,而主要选用NIM电源、框架及其配套插件,如探测器、前置放大器、高压、主放大器、单道或多道分析器,及各种记录设备,如定标器、率表等。由学生根据实验教材自己用电缆连接成相应的测量仪器。这样,学生有更多的动手机会,更好了解核辐射探测器的结构、各部分的作用和性能要求,为今后在实际工作中对仪器设备的选择和组成打下基础。
⑶分析、判断能力的培养。实验中必然会出现某些故障和实验结果与预期不一致的情况,我们力图通过思考题引导学生去分析、认识这些故障和差异。通过数据处理去判断这些差异的产生原因和处理方法。
⑷ 运算表达能力的培养。实验成果是需要展示的,需要经过人们的审查、评判的。因此对学生表达能力的培养是必不可少的一步。在实验中要求学生首先做好原始记录,包括实验名称、目的、条件、设备、日期、操作者、记录运算方式等,严格按原始记录的规则,不得涂改,让内行能看得懂。用相应的数理统计方法,对实验数据进行判别、处理,并首先用手工方法绘图、列表,使学生对实验内容和结果有较深入的了解。在现在,计算机数据处理软件高度发展的今天,用计算机处理数据十分方便,但仍然不能错过深入了解实验数据内涵的机会。
⑸科学论文编写能力的培养。编写实验报告是今后编写科学论文的初步训练。如何完整的展示实验成果,对实验准备预案、实验结果、结论、推论和后续发展可能性的阐述,是对今后从事实际工作和科学研究必不可少的能力培养。
二、实验课程的目的和任务
通过对该课程的学习,使学生加深对《核物理实验方法》,《核信息获取与核电子学》理论的理解。通过本实验课程的学习,使学生理论和实践相结合,学习和掌握核辐射测量的方法,核辐射测量仪器设备的使用操作,完成对专业技能的培养。
三、实验教学内容与要求
见下页
序号 |
项目名称 |
实验内容 |
教学基本要求 |
实验方式 |
实验类型 |
实验学时 |
主要仪器设备及耗材 |
备注 |
1 |
G-M计数管的信息传送和放大 |
G-M计数管的信息传送和放大电路的分析与测量
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(1)熟悉G—M计数管工作原理,了解实际结构和使用方法;
(2)掌握阻抗匹配的必要性;
(3)了解信号传递方法和实际电路;
(4)进一步熟悉脉冲示波器、数字万能表、指针万能表、信号发生器的使用方法;
(5)掌握照电路图查对电路板上元器件的方法;
(6)掌握检测实际电路的交、直流工作状态,判断其正常工作与否的基本方法。
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教师指导,两人一组,按实验方法和操作步骤,合作完成实验测量内容所规定的实验任务;
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综合技能实验 |
3 |
(1)FH
(4)BH1220自动定标器
(5)脉冲示波器
(6)万能表
(7)工具(尖嘴钳、大小改刀、电烙铁)。
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2 |
α射线在空气中的能量损失 |
α射线的探测及在空气中的能量损失测定
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(1)复习和验证α射线的基本特性及其与物质作用的基本理论;
(2)熟悉金硅面垒半导体探测器的工作原理和基本结构;
(3)学会金硅面垒半导体探测器的使用方法;
(4)低真空系统的组成和应用;
(5)学习、理解采用不同方法研究、解决问题的思维方法。
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教师指导,两人一组,按实验方法和操作步骤,合作完成实验测量内容所规定的实验任务;
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综合技能实验 |
3 |
(1)α射线金硅面垒探头﹙包括探测器、真空室、支架及连接电缆﹚
(2)前置放大器
(3)300V偏压电源 (4)压力测量系统
(5)主放大器、单道分析器及定标器
(6)连接电缆 1组。
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3 |
等效密度测定﹙骨密度计﹚ |
等效密度的测定与分析
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(1)掌握γ射线的吸收与物质等效密度的关系;
(2)熟悉γ射线吸收系数的计算方法; (3)掌握等效密度测量﹙骨密度计﹚的工作原理; (4)学习等效密度测量成果的表示方法。
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教师指导,两人一组,按实验方法和操作步骤,合作完成实验测量内容所规定的实验任务;
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综合技能实验 |
3 |
(1)带有刻度的骨密度靶 (2)准直的241Am放射源 (3)闪烁计数器及前置放大器 (4)高压电源 (5)核信息共享器 (6)NIM电源及插件框架 (7)线性脉冲放大器 (8)单道分析器 1台
(9)定标器 |
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4 |
直流高压获取与性能测试
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直流高压获取电路的分析与性能参数测量
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(1)了解直流高压获取的意义
(2)掌握直流高压获取的原理
(3)掌握直流高压的性能参数测试方法及注意事项
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教师指导,两人一组,按实验方法和操作步骤,合作完成实验测量内容所规定的实验任务;
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综合技能实验 |
3 |
(1)NIM电源
(2)核信号发生器
(3)示波器
(4)MF-500B模拟万用表
(5) 高压实验板 |
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5 |
线性脉冲放大电路的仿真 |
利用电路仿真软件对线性脉冲放大电路进行仿真
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(1)学习掌握Multisim电路仿真软件的操作和使用;
(2)深入理解脉冲线性放大电路、脉冲成形电路的原理和工作情况;
(3)如何根据实际需要设计电路,并对电路进行仿真,选择合适参数。
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教师指导,两人一组,按实验方法和操作步骤,合作完成实验测量内容所规定的实验任务;
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综合技能实验 |
2 |
计算机和Multisim电路仿真软件一套
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6 |
轻元素薄膜厚度测量 |
利用X荧光方法测定轻元素薄膜厚度 |
(1)轻元素薄层厚度测量的常规方法,并比较其优缺点;
(2)X射线测厚荧光方法的优点和优化检出下限的依据;
(3)选择辐射体的理论依据和工作方法;
(4)X射线荧光测厚的几何布置和实际工作方法。
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教师指导,两人一组,按实验方法和操作步骤,合作完成实验测量内容所规定的实验任务;
验测量内容所规定的实验任务 |
综合技能实验 |
3 |
(1) 测试平台(附辐射体及支架)
(2) 薄层试样
(3) 238Pu(108Bq,带准直器)放射源
(4) Si-PIN电制冷半导体探测器(附电源及主放)
(5) NIM电源框架
(6) ADC
(7)计算机(装有MCA软件)
(8)连接电缆 1组
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7 |
CMOS单道脉冲幅度分析器
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CMOS单道脉冲幅度分析器电路的分析及性能参数的测量
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(1)了解CMOS单道脉冲幅度分析器实际结构;
(2)深入了解单道脉冲幅度分析器工作原理;
(3)观察各部分电路的脉冲波形;
(4)观察反符合电路的反符合情况。
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教师指导,两人一组,按实验方法和操作步骤,合作完成实验测量内容所规定的实验任务;
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综
综合技能实验 |
3 |
(1)CMOS单道脉冲幅度分析器插件
(2)通用示波器
(3)万能电表
(4)工具
(5)FH0001、BH1222型NIM机箱及电源
(6)脉冲信号发生器插件
(7)自动定标器插件
(8)线性率表插件
(9)核信息共享器WG-1 |
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8 |
γ射线穿过物质时谱成分的变化
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γ射线穿过物质时谱成分的变化规律测定与分析 |
(1)深入了解单能γ射线谱的能谱构成(康普顿散射平台、反散射峰、全能峰),以及形成这些仪器谱的原因和物理过程。
(2)了解NaI﹙Tl﹚γ射线探测器的构成、电路连接和使用方法。
(3)学习使用多道脉冲幅度分析器;熟悉工作状态的调节、谱线的记录和相关参数的测定方法。
(4)了解什么是环境本底。
(5)学习利用winmca软件进行多条谱线对比。
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教师指导,两人一组,按实验方法和操作步骤,合作完成实验测量内容所规定的实验任务;
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综合技能实验 |
3 |
(1)NIM 机箱及插件
(2)1500V高压电源
(3)NaI﹙Tl﹚闪烁探测器
(4)脉冲放大器
(5)ADC4096
(6)计算机(附MCA软件)
(7)吸收物质(铁片、玻璃片) |
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9 |
γ射线反散射谱成分的影响因素
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γ射线反散射谱成分的影响因素实验与分析
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(1)熟悉γ射线在介质中散射的基本理论和散射射线谱的基本特征;
(2)实验装置的结构——保证单一条件变化的思路;
(3)熟悉影响散射射线的因素;
(4)讨论射线屏蔽装置的材料选择。
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教师指导,两人一组,按实验方法和操作步骤,合作完成实验测量内容所规定的实验任务;
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综合技能实验 |
3 |
(1)NIM 电源框架
(2)1500V高压电源
(3)NaI﹙Tl﹚闪烁探测器及前置放大器
(4)线性脉冲放大器
(5)4096 ADC﹙模数转换器﹚
(6)计算机﹙含winmca程序软件﹚
(7)放射源及反散射测量装置
(8)连接电缆
(9)散射屏:相近质量厚度﹙木、塑料、铝、铁、、铜、铅﹚ 不同厚度﹙木、铝、铁﹚ |
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10 |
天然放射性方法测定矿石中的铀含量 |
利用天然放射性分析方法测定铀矿石中的铀含量
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(1)铀元素的放射性特征; (2)用相对测量法分析铀元素含量的可行性和应用条件; (3)平衡系数、射气系数,其它放射性元素对铀元素分析的干扰; (4)克服放射性元素间相互干扰的途径。
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教师指导,两人一组,按实验方法和操作步骤,合作完成实验测量内容所规定的实验任务;
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综合技能实验 |
3 |
(1)闪烁计数器(附前置放大器及-1500V高压)
(2)Ge(Li)或HpGe半导体探测器(附电荷灵敏前置放大器及4000V高压)
(3)线性脉冲放大器
(4)模数转换器(ADC)
(5)NIM电源框架
(6)计算机(装有MCA软件)
(7)铀含量标样(系列)
(8)纯铀含量标样,铀钍混合含量标样
(9)未知含量铀矿石试样
(10)工作源(241Am,137Cs,60Co,K盐) |
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11 |
γ散射法研究介质内部结构 |
γ散射法研究介质内部结构 |
(1)γ射线在介质中大角度散射的特征和决定这些特征的主要因素
(2)散射射线的计数率与介质的关系
(3)测量散射射线的方法
(4)减小由于几何布置等因素引入误差的方法
(5)如何根据测量对象的不同选择相应装置的思路
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教师指导,两人一组,按实验方法和操作步骤,合作完成实验测量内容所规定的实验任务;
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综合技能实验 |
3 |
(1)实验模型 (2)探测装置(放射源、铅屏蔽层、探测器及其前置放大器)
(3)NIM电源框架 (4)探测器高压
(5)主放大器 (6)单道脉冲幅度分析器 (7)记录设备(定标器和率表)
(8)连接电缆 |
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每个实验与理论课程的关系:
说明:由于本实验在所有的相关理论课之后,同时考虑实验室条件的限制,实验的先后顺序可以改变。
实验一:配合G-M计数管及其后续电路理论课章节中关于G-M计数管的工作原理、后续电路设计特点、熟悉G—M计数管工作原理,了解实际结构和使用方法,了解信号传递方法和实际电路。
实验二:配合理论课中关于α射线在空气中的能量损失的特点,复习和验证α射线的基本特性及其与物质作用的基本理论;熟悉α射线探测器金硅面垒半导体探测器的工作原理和基本结构;学会金硅面垒半导体探测器的使用方法;
实验三:配合理论课中γ在物质中的吸收的原理,熟悉等效密度测定﹙骨密度计﹚是如何设计的,学习等效密度测量成果的表示方法。
实验四:配合核信息获取与核电子学中高压电路的产生及工作原理,学会实际高压获取电路的工作情况分析,学会对主要性能参数的测量。
实验五:配合核信息获取与核电子学中线性脉冲放大器的组成与工作原理,利用电子仿真软件对其进一步深入的理解和分析,学会如何根据实际需要设计电路,并对电路进行仿真,选择合适参数。
实验六:配合理论课中关于利用X荧光测定轻元素薄层厚度的原理,通过实验,让学生学会如何通过实验完成对轻元素薄层厚度的测量。从而对利用X荧光测定轻元素薄层厚度理论以及在实际生活中的应用有个深入的理解。
实验七:配合核信息获取与核电子学中单道脉冲幅度分析器的工作原理,让学生实际分析CMOS单道脉冲幅度分析器电路及完成性能参数的测量,加深对单道脉冲幅度分析器中幅度甄别,反符合电路的掌握。
实验八:配合核物理实验方法理论中γ射线穿过物质时谱成分的变化规律,通过实验让学生理解单能γ射线谱的能谱构成(康普顿散射平台、反散射峰、全能峰),以及形成这些仪器谱的原因和物理过程。学会对γ射线穿过物质时谱成分的变化规律的测定与分析。
实验九:配合核物理实验方法理论中γ射线反散射谱成分的变化规律,通过实践来认知γ射线反散射谱成分的影响因素并分析,熟悉影响散射射线的因素,熟知射线屏蔽装置的材料选择。
实验十:配合核分析技术中关于天然放射性方法理论,通过实验,利用天然放射性方法来分析未知矿石中的铀含量,使学生掌握铀元素的放射性特征,用相对测量法分析铀元素含量的可行性和应用条件,平衡系数、射气系数,其它放射性元素对铀元素分析的干扰等专业知识。
实验十一:综合核辐射探测的知识,利用γ散射法研究介质内部结构,突出核技术在实际生产生活中的应用,提高学生利用所学知识分析、解决问题的能力。
五、实验考核
1、考核方式:考查
2、实验成绩占课程总成绩的百分比:实验考核成绩占该学科总成绩的100%。
3、实验考核的内容和成绩构成:成绩有实验成绩和平时成绩两部分组成,每个实验10分,共折合实验成绩80分,平时成绩20分,满分100分。缺席两次实验成绩以零分记。
4、评分原则依据:每个实验均要求以书面方式完成实验报告,报告中要有实验目的、实验要求、测量方法、实验仪器、测量数据记录、实验现象观察记录,以及实验数据的处理、结果和结果分析讨论。评分重点在实验数据的处理、结果和结果分析,同一组同学共用数据,但对实验数据的处理、结果和结果分析不能共用,否则认为抄袭,抄袭与被抄袭报告者均为零分记。
5、成绩记载方式:根据实验成绩和平时成绩折合成优、良好、中等、及格、不及格五个等级