一種核電子學(xué)實驗教學(xué)儀器及其實驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及實驗教學(xué)領(lǐng)域，具體地，涉及一種用于核電子學(xué)實驗教學(xué)的儀器及其實驗方法。
【背景技術(shù)】
[0002]核電子學(xué)是在核輻射探測技術(shù)和電子技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門交叉學(xué)科。核電子學(xué)作為一門應(yīng)用科學(xué)，要求學(xué)生不僅掌握基本核電子學(xué)電路的工作原理，還要能夠正確使用，甚至自主設(shè)計開發(fā)，因此針對學(xué)生的實踐訓(xùn)練就顯得尤為重要。另一方面，隨著近十年國內(nèi)核電的快速發(fā)展及核技術(shù)的民用化，國家需要大批掌握核技術(shù)的人才，因此近幾年全國多個高校陸續(xù)開辦核專業(yè)本科教學(xué)，開辦核專業(yè)的高校從最初的不到十所增長到了五十余所。同時由于核電子學(xué)實驗課程是核專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)中不可分割的一部分，越來越多的高校開始建設(shè)核電子學(xué)實驗課程。
[0003]目前，高校的核電子學(xué)實驗教學(xué)主要使用傳統(tǒng)NM插件，然而這種基于NM標(biāo)準(zhǔn)(二十世紀(jì)六十年代由美國原子能委員會核儀器插件標(biāo)準(zhǔn)委員會制訂)的NIM插件是為核領(lǐng)域的科學(xué)研宄所開發(fā)的儀器。將NIM插件直接用于核電子學(xué)實驗教學(xué)存在很多問題:基于NIM機(jī)箱的NIM插件平臺過于笨重，而且所有電路全部封裝在金屬盒子里，不方便進(jìn)行電路的信號測試；傳輸接口太慢，不能滿足高速數(shù)據(jù)傳輸；直流電源標(biāo)準(zhǔn)不適應(yīng)常用芯片供電要求，需要做電源轉(zhuǎn)換；實驗數(shù)據(jù)需傳輸?shù)絇C機(jī)上才能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和結(jié)果顯示，等等。因此開發(fā)一套專門用于核電子學(xué)實驗教學(xué)的儀器對于新時期核專業(yè)人才的培養(yǎng)就顯得尤為重要。
[0004]同時，由于NIM插件用于核電子學(xué)實驗教學(xué)的諸多不便，因此以往大多數(shù)高校制定的核電子學(xué)實驗內(nèi)容往往都局限于電路性能測試和實驗結(jié)果的數(shù)據(jù)處理，缺少電路工作原理測試這項最基本的內(nèi)容。造成學(xué)生只知其然卻不知其所以然。所以必須要設(shè)計出一套更加系統(tǒng)的核電子學(xué)實驗課程，來引導(dǎo)學(xué)生理解核電子學(xué)能做什么，怎么做，為什么要這樣做。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于，提供一種適用于高校核電子學(xué)實驗教學(xué)的儀器，以實驗教學(xué)方式帶動學(xué)生深入自學(xué)和擴(kuò)展實踐的目的，激發(fā)學(xué)生對核電子學(xué)的學(xué)習(xí)興趣，使得學(xué)生在實驗中逐步加深對核電子學(xué)的理解。
[0006]本發(fā)明采用以下方案實現(xiàn):一種核電子學(xué)實驗教學(xué)儀器，包括一個母板實驗箱和多個子板實驗?zāi)K。其特征在于:所述母板實驗箱設(shè)置有供電單元和可擴(kuò)展實驗平臺；所述多個子板實驗?zāi)K包括前置放大器實驗?zāi)K、主放大器實驗?zāi)K、單道實驗?zāi)K、多道實驗?zāi)K、定時實驗?zāi)K、時數(shù)轉(zhuǎn)換實驗?zāi)K、符合反符合實驗?zāi)K、計數(shù)器實驗?zāi)K、堆積判棄實驗?zāi)K和數(shù)據(jù)傳輸實驗?zāi)K；
所述供電單元為220V轉(zhuǎn)-12V、-5V、+3.3V、+5V和+12V的開關(guān)電源，為可擴(kuò)展實驗平臺供電；
所述可擴(kuò)展實驗平臺包括電源單元、液晶屏顯示單元、子板安裝接口單元、數(shù)據(jù)傳輸單元和總線單元。
[0007]在本發(fā)明一實施例中，所述電源單元從供電單元取電，采用限流保險絲進(jìn)行短路保護(hù)，采用LED燈進(jìn)行供電狀態(tài)顯示。
[0008]在本發(fā)明一實施例中，所述液晶屏顯示單元為192X64 IXD液晶顯示屏。
[0009]在本發(fā)明一實施例中，所述子板安裝接口單元包含兩組(4個)32位板對板連接器和6個64位板對板連接器。
[0010]在本發(fā)明一實施例中，所述數(shù)據(jù)傳輸單元包含USB接口、網(wǎng)絡(luò)接口、RS232接口以及這三種傳輸接口的控制芯片。
[0011]在本發(fā)明一實施例中，所述總線單元包含32位數(shù)據(jù)總線和控制FPGA。
[0012]在本發(fā)明一實施例中，所述主放大器實驗?zāi)K包含極性轉(zhuǎn)換電路、微分電路、極零相消電路、三級無源積分電路和基線自動恢復(fù)電路。
[0013]在本發(fā)明一實施例中，所述定時實驗?zāi)K包含過閾定時電路、過零定時電路和恒比定時電路。
[0014]在本發(fā)明一實施例中，所述時數(shù)轉(zhuǎn)換實驗?zāi)K采用TDC-GP2高精度時數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。
[0015]本發(fā)明另一目的是提供一種上述核電子學(xué)實驗儀器的實驗方法，其特征在于:包括實驗設(shè)計方式和實驗實施樣例；
所述的實驗設(shè)計方式包括如下:
基礎(chǔ)實驗:通過測試單一子板實驗?zāi)K的電路功能，掌握子板實驗?zāi)K的電路原理、功能和主要性能指標(biāo);
綜合實驗:通過將多個子板實驗?zāi)K組合在一起，搭建具有特定功能的測量系統(tǒng)并完成系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)測試，掌握常用核信號測量系統(tǒng)的核電子學(xué)電路組成結(jié)構(gòu)和信號處理流程；
設(shè)計實驗:通過自主選擇實驗課題，自主選擇子板實驗?zāi)K搭建測量系統(tǒng)，完成課題的實驗測量；培養(yǎng)學(xué)生自主分析測量需求、選擇相應(yīng)核電子學(xué)電路搭建測量系統(tǒng)，解決多種實際測量需求的能力；
所述實驗實施樣例主要包括:
基礎(chǔ)實驗包括前置放大器實驗、主放大器實驗、單道實驗、多道實驗、過零定時實驗、符合反符合實驗、計數(shù)器實驗和堆積判棄實驗；
綜合實驗包括搭建能譜測量系統(tǒng)、搭建時間測量系統(tǒng)和搭建符合反符合測量系統(tǒng)；設(shè)計實驗包括137Cs放射源活度測量、6tlCo放射源γ能譜測量、中子活化半衰期測量、符合法測量22Na放射源活度。
【附圖說明】
[0016]圖1為母板實驗箱內(nèi)電路板的俯視圖。
[0017]圖2為圖1所示電路板的主視圖。
[0018]圖3為圖1所示電路板的仰視圖。
[0019]圖4為母板實驗箱的俯視圖。
[0020]圖5為圖4所示母板實驗箱的左視圖。
[0021 ]圖6為前置放大器實驗?zāi)K結(jié)構(gòu)框圖。
[0022]圖7為前置放大器實驗?zāi)K簡化電路原理圖。
[0023]圖8為多道實驗?zāi)K簡化電路原理圖。
[0024]圖9為能譜測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0025]附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。
【具體實施方式】
[0026]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】做詳細(xì)的說明。
[0027]在以下描述中闡述了具體細(xì)節(jié)以便于充分理解本發(fā)明。但是本發(fā)明能夠以多種不同于在此描述的其它方式來實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在不違背本發(fā)明內(nèi)涵的情況下做類似推廣。因此本發(fā)明不受下面公開的【具體實施方式】的限制。
[0028]本發(fā)明實施例提供了一種核電子學(xué)實驗教學(xué)儀器:包括一個母板實驗箱和多個子板實驗?zāi)K。母板實驗箱包括供電單元和可擴(kuò)展實驗平臺；子板實驗?zāi)K包括前置放大器實驗?zāi)K、主放大器實驗?zāi)K、單道實驗?zāi)K、多道實驗?zāi)K、定時實驗?zāi)K、時數(shù)轉(zhuǎn)換實驗?zāi)K、符合反符合實驗?zāi)K、計數(shù)器實驗?zāi)K、堆積判棄實驗?zāi)K和數(shù)據(jù)傳輸實驗?zāi)K。主放大器實驗?zāi)K包含極性轉(zhuǎn)換電路、微分電路、極零相消電路、三級無源積分電路和基線自動恢復(fù)電路；定時實驗?zāi)K包含過閾定時電路、過零定時電路和恒比定時電路；時數(shù)轉(zhuǎn)換實驗?zāi)K采用TDC-GP2高精度時數(shù)轉(zhuǎn)換芯片；供電單元主要包括220V轉(zhuǎn)_12V、_5V、+3.3V、+5V和+12V的開關(guān)電源及控制開關(guān)；可擴(kuò)展實驗平臺包括有:電源單元，包括保險絲和LED燈。192X64 IXD液晶屏顯示單元。子板安裝接口單元，包括兩組(4個)32位板對板連接器和6個64位板對板連接器。數(shù)據(jù)傳輸單元，包括USB接口、網(wǎng)絡(luò)接口和RS232接口以及這三種傳輸接口的控制芯片。總線單元，包括32位數(shù)據(jù)總線和控制FPGA。
[0029]供電單元，通過多層變壓、穩(wěn)壓、整流和濾波電路，把家用電轉(zhuǎn)化為可擴(kuò)展實驗平臺所需要的-12V、-5V、+3.3V、+5V和+12V等多種形式電源，滿足多種實驗條件要求。
[0030]可擴(kuò)展實驗平臺，包括一塊集成各單元安裝接口的電路板(I )，電路板(I)上安裝有保險絲(2)和LED燈(3)，電源通過保險絲(2)和LED燈(3)引入電路板(I)。由于采用了描述電源狀態(tài)的LED燈(3)，學(xué)生可以時刻知曉電路的電源供應(yīng)狀態(tài)，避免因電源供應(yīng)不正常而影響實驗正常完成。同時采用保險絲(2)，降低實驗危險性，保護(hù)學(xué)生安全。
[0031 ] 電路板(I)上同時安裝有液晶顯示屏(4 )、兩組(4個)32位板對板連接器(5 )和6個64位板對板連接器(6)、32位數(shù)據(jù)總線(7)和控制FPGA。32位數(shù)據(jù)總線(7)通過PCB走線將兩組32位板對板連接器(5)和6個64位板對板連接器(6)串聯(lián)在一起，安裝在板對板連接器上的子板實驗?zāi)K可通過32位數(shù)據(jù)總線(7)實現(xiàn)相互數(shù)據(jù)傳輸，同時控制FPGA控制32位數(shù)據(jù)總線(7)的數(shù)據(jù)傳輸并連接到液晶顯示屏(4)控制其顯示。子板實驗?zāi)K的實驗結(jié)果可通過液晶顯示屏(4)顯示，方便學(xué)生觀察，同時減少了一些不必要的實驗操作。
[0032]電路板上還安裝有USB接口(8)、網(wǎng)絡(luò)接口(9)、RS232接口( 10)和這三種傳輸接口的控制芯片，控制FPGA連接到USB接口(8)、網(wǎng)絡(luò)接口(9)和RS232接口(10)的控制芯片，向其發(fā)送和從其接收數(shù)據(jù)。
[0033]母板實驗箱包括箱體(11)和箱蓋(12)。箱蓋(12)蓋住箱體(11)時位于箱體(11)上表面，箱體(11)左側(cè)面開有一固定形狀的通孔(13)，用于放置控制開關(guān)，且控制開關(guān)正面相對箱體(11)左側(cè)面朝外。開關(guān)電源固定在實驗箱內(nèi)(14)處，通過導(dǎo)線與控制開關(guān)連接。箱內(nèi)有一與箱體(11)左側(cè)面平行的立板(15)，箱體(11)上表面靠近后壁一側(cè)有一柔韌性好的金屬條(16)，箱體(11)正面有一把手?？蓴U(kuò)展實驗平臺固定在箱體(11)上表面金屬條與立板、箱體后壁與箱體前壁之間，通過導(dǎo)線與開關(guān)電源連接。
[0034]本發(fā)明實施例，可通過以下三種實驗方法來充分體現(xiàn)該核電子學(xué)實驗教學(xué)儀器的實驗方法:基礎(chǔ)實驗、綜合實驗、設(shè)計實驗。具體設(shè)計的典型實驗包括有:基礎(chǔ)實驗包括前置放大器實驗、主放大器實驗、單道實驗、多道實驗、過零定時實驗、符合反符合實驗、計數(shù)器實驗和堆積判棄實驗；綜合實驗包括搭建能譜測量系統(tǒng)、搭建時間測量系統(tǒng)和搭建符合反符合測量系統(tǒng)；設(shè)計實驗包括137Cs放射源活度測量、6tlCo放射源γ能譜測量、中子活化半衰期測量、符合法測量22Na放射源活度。
[0035]為使基于核電子學(xué)實驗教學(xué)儀器的實驗方法更通俗易懂，下面給出部分具體的典型實驗的實驗方法。
[0036]實驗一:基礎(chǔ)實驗-前置放大器實驗
實驗?zāi)康?1、掌握電荷靈敏前置放大器的功能和應(yīng)用；
2、了解電荷靈敏前置放大器的原理；
3、了解電荷靈敏前置放大器的性能指標(biāo)。