結(jié)合鈾裂變瞬發(fā)中子測井的核電子學(xué)教學(xué)創(chuàng)新模式探索

賴毅輝，陳 銳，王海濤，周書民，藍賢桂

（東華理工大學(xué)機械與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013）

近年來，隨著我國核電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，我國面向鈾礦資源勘探的井下核輻射探測技術(shù)正不斷蓬勃發(fā)展，但現(xiàn)行與之配套的核電子學(xué)課程的教學(xué)知識老舊，已不能適應(yīng)當(dāng)前井下核輻射探測技術(shù)的需求。為了能將該課程適應(yīng)時代需求，培養(yǎng)新型工科所需核技術(shù)人才[1-2]。本文在此背景下，將我校特色研究方向——鈾裂變瞬發(fā)中子測井技術(shù)引入到核電子學(xué)的教學(xué)過程中，探索“以研代學(xué)”，“研學(xué)結(jié)合”的研究型教學(xué)創(chuàng)新模式。

1 鈾裂變瞬發(fā)中子測井技術(shù)概述

鈾裂變瞬發(fā)中子測井利用氘-氚核反應(yīng)產(chǎn)生的脈沖中子源，在10～20μs時間內(nèi)向鉆孔周圍的地層巖石注入14MeV的中子，在脈沖中子源周圍約1m范圍內(nèi)源中子被慢化為熱中子（0.025eV），熱中子穿過不到10cm距離將被地層巖石中的核所吸收。當(dāng)熱中子遇到235U核時，大多數(shù)熱中子將與235U發(fā)生裂變反應(yīng)，并放出2～3個裂變中子（其中99%以上為瞬發(fā)裂變中子）。當(dāng)瞬發(fā)裂變中子被慢化為熱中子之前，可在鉆孔中采用中子探測器（如3He正比計數(shù)管）進行測量，即可探測到經(jīng)慢化而來的超熱中子，通過探測超熱中子與熱中子數(shù)目（或二者比值關(guān)系E/T），可實現(xiàn)地層巖石中235U核素（或鈾）的含量定量解釋[3]。

理論上，源中子與地層巖石和井液中的核發(fā)生彈性碰撞而迅速損失能量，并在100μs以內(nèi)被慢化為熱中子（如圖2中的虛線）。假設(shè)地層巖石不含鈾，則只有源中子引發(fā)的超熱中子，且這些超熱中子在200μs以內(nèi)將損失殆盡，如圖2（a）所示；如果地層巖石含鈾，因每個235U核裂變可產(chǎn)生2～3個瞬發(fā)裂變中子，從而增加了中子數(shù)，進一步使超熱中子數(shù)及熱中子數(shù)增多，同時使235U核裂變幾率增大，如圖2（b）所示。因此，可以通過獲取超熱中子與熱中子的時間譜計數(shù)，求得當(dāng)前地層的鈾含量。

圖1 鈾裂變瞬發(fā)中子測井原理圖

圖2 中子時間譜示意圖

2 結(jié)合鈾裂變瞬發(fā)中子測井的核電子學(xué)教學(xué)模式探索

獲取超熱中子與熱中子探測器的時間譜電路稱為中子時間譜儀。它包括前置放大器、主放大器、多通道幅度分析、能譜處理等。涉及電路、模擬電路技術(shù)、數(shù)字電子線路、原子核物理、核輻射探測技術(shù)等多方向課程的交叉，該譜儀對核電子學(xué)課程的教學(xué)具有較好的代表性。

中子時間譜儀電路主要包括3He正比計數(shù)管型中子探測器（分別探測超熱中子和熱中子）、3He正比計數(shù)管高壓驅(qū)動部分、前置放大電路、成形放大電路、極性變換電路、基線恢復(fù)電路、信號甄別電路、數(shù)據(jù)分析處理及通信部分、高壓電源和低壓電源等組成。具體的電路結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示：

圖3 時間譜儀電路結(jié)構(gòu)

3He正比計數(shù)管輸出的是負脈沖形式的電流信號，且電流值很小，因此需要在緊靠探測器輸出端接一個電流靈敏前置放大器，這里可以引出核電子學(xué)課程的有關(guān)前置放大器的相關(guān)章節(jié)內(nèi)容，同時引出各類放大電路的區(qū)別。課堂還可利用Multisim軟件等電子線路CAD仿真軟件對各類前置放大電路進行模擬仿真，給出所見即所得的信號波形與實驗數(shù)據(jù)，使學(xué)生能夠直接以視覺沖擊的形式接受課堂教學(xué)內(nèi)容，并能夠充分認識到可視化教學(xué)帶來的好處，熟悉前置放大器的實際用途。

由于電流靈敏前置放大器所輸出的脈沖信號較小，仍不適合后面分析測量系統(tǒng)的要求，需要對前置放大器輸出信號進行成形放大與基線恢復(fù)、極性變換等處理，得到便于處理的正脈沖信號，便于后續(xù)電子學(xué)線路的處理。這里可以引出核電子學(xué)濾波和成形相關(guān)章節(jié)內(nèi)容，使學(xué)生從實踐中確實體會堆積判棄（死時間校正）、彈道虧損、基線恢復(fù)器的電路原理與適用場景。

經(jīng)過成形放大和基線恢復(fù)后的信號為近似高斯形的正脈沖信號，為排除干擾，正確識別熱中子和超熱中子所產(chǎn)生的脈沖信號，需要在電路中加入脈沖信號的幅度甄別功能，并將模擬脈沖信號轉(zhuǎn)化為方波脈沖信號才能由數(shù)字化處理芯片進行脈沖計數(shù)。這里可以引出核電子學(xué)關(guān)于核脈沖波形甄別與分析知識點，讓學(xué)生熟悉剔除噪聲干擾、幅度選擇及前沿定時的原理與應(yīng)用。

3 具體實施方案

本論文方法的核電子學(xué)教學(xué)的實施方案分為：

3.1 核輻射測量原理課堂教學(xué)

核電子學(xué)課程目前存在的主要問題在于學(xué)生不理解核輻射測量的基本原理，由于核輻射測量原理本身就是一門課程，如花大量時間進行講授，將導(dǎo)致后續(xù)章節(jié)內(nèi)容占時比大大減少，無法覆蓋完整知識點；如不講授核輻射測量原理，學(xué)生將難以理解該課程講授的內(nèi)容長此以往，導(dǎo)致學(xué)生對課程失去興趣。

針對上述問題，教學(xué)可從瞬發(fā)裂變中子測井入手，實現(xiàn)“由點切入，由點到面，以點帶面，點面結(jié)合”，從實際案例中講授核電子學(xué)所需核輻射測量原理相關(guān)知識，從而加深學(xué)生的代入感。首先介紹射線與物質(zhì)的相互作用，使學(xué)生對射線的衰減、通過物質(zhì)時成分的變化等知識點有簡單的理解；隨后介紹核輻射測量過程中的統(tǒng)計學(xué)與誤差分析，使學(xué)生能夠?qū)y量結(jié)果的準(zhǔn)確性有合理的判斷，并能夠進行一定的偏差校正；最后介紹鈾裂變瞬發(fā)中子測井方法，主要包括鈾裂變瞬發(fā)中子測井的背景與意義、國內(nèi)外目前的研究進展及我校當(dāng)前的研究現(xiàn)狀與以后的發(fā)展方向等。

3.2 基本放大電路課堂教學(xué)

接著講授與核電子學(xué)相關(guān)的鈾裂變瞬發(fā)中子測井井下探管電路部分，具體是指與前置放大器、濾波電路、幅度甑別等電路的設(shè)計。

前置放大電路是核電子學(xué)課程的基礎(chǔ)，本教學(xué)案例中包括電流靈敏前置放大電路、成形放大電路等。教學(xué)時可以介紹入射到3He正比計數(shù)管的中子經(jīng)過管內(nèi)正比區(qū)的氣體放大效應(yīng)，根據(jù)照射中子的能量和數(shù)量，會在3He正比計數(shù)管的輸出端產(chǎn)生不同幅度的電流信號，經(jīng)過電流放大電路對信號放大，后續(xù)電路可記錄被探測中子的相關(guān)信息。

除此之外，案例中還包括極性變換電路，它也是成形放大電路的一部分，其主要功能是對脈沖信號進行進一步放大，同時把負脈沖信號反相放大為正脈沖信號，便于后續(xù)電子學(xué)線路的處理。

利用電子線路CAD軟件繪制電流靈敏前置放大、成形放大和極性變換電路如圖4所示，課堂上可重點講解，并用Multisim進行模擬演示。

圖4 時間譜儀電流靈敏前置放大、成形放大和極性變換電路原理圖

同時，可向?qū)W生闡述鈾裂變瞬發(fā)中子測井由于采集的是中子的時間測量信號，故采用的是電流靈敏前置放大器，由于其噪聲較大，后續(xù)需進行降噪處理。進一步地，可將該知識點進行進一步擴充：電壓靈敏與電荷靈敏前置放大器主要用于能譜測量分析系統(tǒng)。

3.3 信號分析與處理課堂教學(xué)

為排除噪聲干擾，正確識別熱中子和超熱中子所產(chǎn)生的脈沖信號，需要在電路中加入脈沖信號的幅度甑別功能，將模擬脈沖信號轉(zhuǎn)化為方波脈沖信號。這里可以引出脈沖幅度選擇章節(jié)內(nèi)容，它是將幅度超過（或低于）某一設(shè)定電平的脈沖轉(zhuǎn)換成幅度和寬度符合一定標(biāo)準(zhǔn)的脈沖輸出，剔除該電平以下（或以上）的其他輸入信號。利用電子線路CAD軟件繪制該電路如下圖所示：

圖5 脈沖幅度甄別電路設(shè)計

課堂上可邊用Multisim模擬演示，邊講解各元器件的作用，使學(xué)生進行可視化教學(xué)環(huán)境，便于學(xué)懂弄通。

4 結(jié)束語

核電子學(xué)在核工業(yè)中應(yīng)用廣泛，同時也綜合了電子技術(shù)、電路、自動控制等多個學(xué)科，因此具有很強的工程性和綜合性。但該課程的教學(xué)知識老舊，已不能適應(yīng)當(dāng)前井下核輻射探測技術(shù)的需求。本文在此背景下，結(jié)合鈾裂變瞬發(fā)中子測井的核電子學(xué)教學(xué)創(chuàng)新模式探索。通過列舉鈾裂變瞬發(fā)中子測井井下探管的電路結(jié)構(gòu)，引出核電子學(xué)課程的相關(guān)內(nèi)容，探索該課程的“以研代學(xué)”，“研學(xué)結(jié)合”的研究型教學(xué)創(chuàng)新模式，借此期望能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。用以推進新工科背景下創(chuàng)新工程教育對工程人才的培養(yǎng)，為核電子學(xué)教學(xué)提供新的思路。