高?！逗溯椛涮綔y(cè)實(shí)驗(yàn)》課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件建設(shè)探析

龔頻

（南京航空航天大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)系，江蘇南京 210016）

“十一五”以來，我國核能與核技術(shù)利用產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，高校核工程類專業(yè)人才培養(yǎng)數(shù)量不斷增長。截至2019年6月，全國開辦核工程類專業(yè)的大學(xué)共72 家，每年招收核工程類專業(yè)本科人數(shù)約3 000 人。學(xué)生總數(shù)的大幅增加對(duì)于高校的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件建設(shè)提出一定挑戰(zhàn)?！逗溯椛涮綔y(cè)實(shí)驗(yàn)》在高校核工程類本科專業(yè)的課程體系里是一門必修的專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程。該實(shí)驗(yàn)課的開課學(xué)期一般安排在學(xué)生進(jìn)入專業(yè)課學(xué)習(xí)的初期階段，與核輻射探測(cè)理論課程相銜接。實(shí)驗(yàn)課教學(xué)目的是加深學(xué)生對(duì)于核輻射探測(cè)理論知識(shí)的理解，訓(xùn)練學(xué)生在核輻射探測(cè)方面的實(shí)驗(yàn)操作與數(shù)據(jù)分析能力。作為核工程類本科專業(yè)最基礎(chǔ)的專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程，《核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)》對(duì)于學(xué)生后續(xù)的專業(yè)課學(xué)習(xí)以及畢業(yè)后的就業(yè)或讀研十分重要，是各大核專業(yè)高校開展實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)的重點(diǎn)。然而核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)與其他實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比有一定特殊性，一方面實(shí)驗(yàn)課需要用到放射源，放射源的采購與管理較為復(fù)雜；另一方面核輻射探測(cè)的教學(xué)儀器種類少、價(jià)格昂貴。這些因素造成高校《核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)》課程往往投入了較高的教學(xué)建設(shè)經(jīng)費(fèi)，卻面臨著實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目不全、實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器種類少和儀器臺(tái)套數(shù)不足的困境。該文結(jié)合南京航空航天大學(xué)多年來建設(shè)《核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)》課程的經(jīng)驗(yàn)，提出一些實(shí)驗(yàn)條件建設(shè)方面的建議供高校同行參考。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件建設(shè)的總體思路

《核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)》 的主要目的是教會(huì)學(xué)生利用核輻射探測(cè)器與核電子學(xué)儀器對(duì)各種致電離輻射粒子的物理參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和分析。致電離輻射粒子的類型包括 α、β、γ、X 射線、中子等；核輻射探測(cè)器的類型包括氣體、閃爍體、半導(dǎo)體等；需要測(cè)量的粒子參數(shù)主要有強(qiáng)度、能量和時(shí)間。高?？筛鶕?jù)自己的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)和培養(yǎng)方案，確定該校核專業(yè)學(xué)生通過《核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)》課程應(yīng)了解和掌握的致電離輻射粒子類型、核輻射探測(cè)器類型和粒子參數(shù)類型。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行市場調(diào)研，選擇可以完成課程培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器，合理編排實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。粒子類型對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件是放射源；核輻射探測(cè)器類型對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件是核輻射探測(cè)器；粒子參數(shù)類型對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)條件是核電子學(xué)儀器。下面從這3 個(gè)方面分別討論如何進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件建設(shè)。

1.1 放射源條件建設(shè)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)用放射源需要長期為教學(xué)服務(wù)，應(yīng)選用半衰期相對(duì)較長的核素。推薦用于《核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)的α放射源有241Am、238Pu、239Pu、244Cm、233U；β 放射源有 36Cl、60Co、137Cs、90Sr+90Y、99Tc、204Tl、134Cs、22Na、147Pm、89Sr；γ放射源有241Am、60Co、137Cs、88Y、109Cd+109mAg、139Ce、57Co、133Ba、152Eu、54Mn、22Na、113Sn+113mIn、65Zn；X 射線 源有55Fe、65Zn、109Cd+109mAg； 中 子 源 有 241Am+Be、252Cf。α、β、γ 粒子的認(rèn)知對(duì)于核專業(yè)學(xué)生來說比較基礎(chǔ)，相應(yīng)類型的放射源應(yīng)盡量配全。其中241Am、60Co、137Cs 可以同時(shí)放出多種類型的粒子，且半衰期長、應(yīng)用廣泛，在經(jīng)費(fèi)有限的情況下可以優(yōu)先選擇。X 射線源和中子源在核探測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用不似前幾種放射源廣泛，有條件的高?？梢耘鋫?。

常用放射源根據(jù)活性區(qū)（放射性物質(zhì)）形狀不同分為點(diǎn)源和面源。點(diǎn)源活性區(qū)直徑3mm 左右，在測(cè)量時(shí)可視為點(diǎn)狀放射源，4π 方向發(fā)射放射性粒子。實(shí)驗(yàn)教學(xué)用放射源建議采用點(diǎn)源，塑料密封。如果實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要做射線準(zhǔn)直，可以將點(diǎn)源裝入帶準(zhǔn)直的屏蔽罐使用，這樣使用起來更為靈活。放射源活度的選擇也十分重要。我國對(duì)放射源實(shí)行分類管理，根據(jù)放射源對(duì)人體健康和環(huán)境的潛在危害程度，從高到低分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類。對(duì)V 類以下的放射源采取豁免管理，即視為一般設(shè)備，不作為放射源管理。由于豁免級(jí)的放射源能夠滿足絕大多數(shù)核輻射探測(cè)的實(shí)驗(yàn)要求，為了減少實(shí)驗(yàn)室管理的安全風(fēng)險(xiǎn)和管理成本，建議所采購放射源的活度不要超過豁免水平。

1.2 核輻射探測(cè)器條件建設(shè)

核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)選用價(jià)格適中、應(yīng)用廣泛的核輻射探測(cè)器。推薦用于《核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)》教學(xué)的α 探測(cè)器有金硅面壘探測(cè)器、PIPS 探測(cè)器；β 探測(cè)器有薄窗 GM 管、塑料閃爍體探測(cè)器；γ 探測(cè)器有 GM 管、NaI (Tl) 探測(cè)器、LaBr3 探測(cè)器、BGO 探測(cè)器、CZT 探測(cè)器、HPGe 探測(cè)器；X 射線探測(cè)器有Si(Li)探測(cè)器、正比計(jì)數(shù)管；中子探測(cè)器有BF3 探測(cè)器、H3 管。其中PIPS探測(cè)器、塑料閃爍體探測(cè)器、GM 管、NaI(Tl)探測(cè)器性價(jià)比較高，可以完成基本的α、β、γ 粒子測(cè)量，可以考慮批量購置。其他探測(cè)器在經(jīng)費(fèi)運(yùn)行的情況下可少量配備，用于豐富實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容。此外核輻射探測(cè)器靈敏體積越大，探測(cè)效率越高，測(cè)量時(shí)間越短，但是相應(yīng)的價(jià)格也越高。實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)選用靈敏體積和價(jià)格都適中的探測(cè)器，如NaI(Tl)探測(cè)器選用1.5 英寸或2 英寸規(guī)格即可。閃爍體探測(cè)器購置時(shí)還要注意，如果廠家提供的探測(cè)器型號(hào)只包含晶體和光電倍增管，那么配套的管座（含分壓和前放電路）需要另外購置，否則無法使用。對(duì)于α 探測(cè)器，金硅面壘或PIPS，由于要在真空環(huán)境測(cè)量，需要另外配備真空室和泵才能使用。

1.3 核電子學(xué)儀器條件建設(shè)

目前開設(shè)《核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)》課程的高校大多采購針對(duì)特定實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目定制的實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器系統(tǒng)，一套價(jià)格十幾萬的儀器只能完成一種實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。一般高校針對(duì)每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目只能配備2～3 套教學(xué)儀器，分配給幾十到上百名學(xué)生使用。這種配置方式是國內(nèi)《核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)》 課程普遍面臨實(shí)驗(yàn)儀器臺(tái)套數(shù)缺乏的主要原因。為了解決這一難題，建議盡量不采用高度集成的核電子學(xué)系統(tǒng)，而是以模塊化的NIM 機(jī)箱和插件為主來配置實(shí)驗(yàn)教學(xué)所需要的核電子學(xué)儀器。一套完整通用的NIM 實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)應(yīng)包含1 個(gè)NIM 機(jī)箱、1 個(gè)后背式低壓電源、1 個(gè) 0～300V 高壓電源、2 個(gè) 0～3 KV 高壓電源、1 個(gè)電荷靈敏前置放大器、1 個(gè)時(shí)輻變換器、2 個(gè)定時(shí)單道、2 個(gè)線性放大器、1 個(gè)符（反符）合、1 個(gè)精密脈沖產(chǎn)生器、1 個(gè)三路定標(biāo)器、1 個(gè)多道分析器。這樣一套核電子學(xué)系統(tǒng)匹配不同類型的探測(cè)器，可以測(cè)量不同類型的粒子參數(shù)，完成大多數(shù)基礎(chǔ)的核探測(cè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

2 展望

我國的輻射安全管理水平在不斷提升，核輻射探測(cè)器及核電子學(xué)技術(shù)水平也在不斷進(jìn)步。在這樣的時(shí)代背景下，《核輻射探測(cè)實(shí)驗(yàn)》 課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件配置，乃至實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的編排都需要進(jìn)一步優(yōu)化，以培養(yǎng)出更多、更好具備優(yōu)秀核探測(cè)實(shí)踐能力的核專業(yè)人才！