《核電子學》虛擬技術教學探索——以西南科技大學為例

□吳軍龍 李全偉

一、引言

《核電子學》是為核工程與核技術、輻射防護與核安全開設的一門重要專業課。開課院校包括清華大學、中國科技大學、成都理工大學、哈爾濱工程大學，南華大學等涉核高校若干所。根據核工程與核技術教育指導委員會《核工程與核技術》培養大綱，涉及知識點68 個。國外最新相關著作《Nuclear Electronics -Superconducting Detectors and Processing Techniques》Vladimir Polushkin，High Wycombe，UK 除經典內容外，還包括部分超導理論，內容較深，對基礎要求較高，不適合西南科技大學情況，僅能做參考資料。西南科技大學采用的教材是1995年由中國科技科大學、復旦大學、北京大學、南京大學聯合編寫的《核電子學技術原理》(主編王芝英)經典教材，也是目前一些其他院校的統一教材，雖然也有一些問題，但無合適的替代教材，故一直沿用。

二、核電子學教學中存在的諸多問題

(一)宏觀與微觀一致性問題。本課程主要講探測輸出的信號處理技術。涉及前置放大器、主放大器、多道幅度分析、能譜處理等內容。一方面宏觀上要講清楚核儀器系統的工作原理。另一方面微觀上對一些關鍵問題，如零級相消除(Z/P)技術，脈沖成型技術(CR -RCm)等，從基本理論到電路進行細致深入的探討。目前很多學校集中宏觀原理的學習，部分學校僅做單元電路的實現，而將兩者結合做到系統級仿真卻基本沒有，究其原因部分內容較深，綜合程度較高，很難把握，需要知識較為全面。

(二)內容陳舊過時，無法適應課程改要求。根據MIT 要求:任何一門專業課的理論學習學時不能超過20 學時的趨勢，未來的學習方向必然是時間要短，內容要深。而由于技術發展，部分內容古老，一些內容講授啰嗦。如探測等效電路實質上可以等效成基本RC 濾波電路，沒必要單獨講授，其性質及公式可以與RC 共同討論。彈道虧損等概念，實質上是由于出入的脈沖信號有一定寬度造成的，按目前的《信號與系統理論》，用沖激信號替代就不存在此問題。濾波成型電路，偏重時域上的討論，缺少頻域上的分析，有些問題頻域分析可以使復雜問題簡單化。定時時間分析中幾乎所有教材都用線性前沿分析為例，盡管簡單，但基本不存在，不如用指數上升沿的類似核信號為列，講授更容易理解，也更貼近實際情況。核信號最新處理方式(特殊的數字化處理)并無涉及應該及時補充進去。

三、虛擬技術在核電子學中的應用

(一)虛擬技術簡介。在計算機技術中，虛擬化(Virtualization)是將計算機物理資源如服務器、網絡、內存及存儲等予以抽象、轉換后呈現出來，使用戶可以比原本的組態以更好的方式來應用這些資源。這些資源的新虛擬部份是不受現有資源的架設方式，地域或物理組態所限制。一般所指的虛擬化資源包括計算能力和數據存儲。課程改革中所提虛擬主要只針對核電子學使用軟件-NI Multisim 電路仿真軟件，ADS 電路仿真軟件，Matlable simulink 軟件的仿真情況。通過不同仿真軟件的組合使用，使得不論從核儀器系統的觀點，還是單元電路的觀點，對知識點進行深入學習很有幫助，實現細節深入理解與宏觀工程把握相統一。

(二)具體分析。

1．探測器的等效問題。三類核探測器輸出信號總可以等效成一個電流源與電阻的并聯形式。使得探測器信號近似沖擊脈沖或小時間常數指數下降形式。針對上述形式，利用NI Multism 技術可以很好地實現，如圖1所示。仿真不同探測器輸出信號波形、頻率、幅度及占空比等，這些參數都可以實現調節。使得等效電路伏安關系更加逼真探測器實際輸時域波形。

圖1 探測器輸出等效電路及仿真結果

2．前置放大器等效問題。處理核信號的前置放大器主要分三類。電壓靈敏前置、電流靈敏前置放大器和電荷靈敏前置放大器。前兩種與模擬電子學中基本放大器電路相同，這里不詳細討論。電荷靈敏前置放大器是一種結構較特殊的放大器，功能是使得出入電荷量Q 與其輸出電壓峰值成正比，該電路另一個特點是，根據MILER 效應，具有較大的輸出電容。其主要由三部分組成放大節，反饋電阻，反饋電容，如圖2所示，前置放大器電路及仿真結果。利用NI Multism 可以容易的實現。

圖2 前置放大器電路及仿真結果

3．主放大器的等效問題。主放大器主要由:CR - RCm(通常m=4)濾波電路及放大節組成。放大節由同相或者反相放大電路構成。要求放大器有較寬的頻帶?？烧J為是一個增益可調寬頻帶放大器，CR =RC 時間常數主要是改變輸出信號波形，這個參數有時候也稱為成形時間常數。通過合理調節此參數使得輸出波形為準高斯狀，達到最大信噪比。利用NI Multisim 可很容易的實現上述電路:如圖3所示，主放大器電路及仿真結果。

圖3 主放大器電路及仿真結果

4．多道幅度分析器的設計與實現。原則上多道幅度分析器NI Multisim 仿真軟件也可以實現，只是原理圖太復雜，特別是道數較多時候，用運放搭建很多比較器并聯再加上由門電路搭建計數器串聯實現。

圖4 基于Matlable 的核儀器系統實現

這部分工作可以利用Matlable Simulink 輕松實現。如圖4所示，基于Matlable 的核儀器系統實現。

四、虛擬技術實施過程效果評估

核電子學是一門實踐性很強的課程，制作實物耗費太大、周期時間長，不符合目前的教育趨勢。虛擬仿真技術的使用，一方面可以節約時間、經費，另一方面可以提高學生學習興趣，增強學生自主學習興趣和創新能力。從2008 級國防核專業(核工程與核技術、輻射防護與核安全)學生開始，有針對性地實施虛擬技術，圖5表示，該技術應用后，核專業學生考試通過率、優秀率歷年變化情況。

圖5 核專業學生考試通過率優秀率歷年變化情況

由圖5可知:從2006年到2007年，考試通過率有穩步提高。從2006年的70%左右，提高到2010年的85%左右，特別是2008年以后，通過虛擬技術的使用，通過率超過80%，與前一年比有接近10% 的提高。于此同時，從2006年到2007年，優秀率也有穩步提高，從2006年的40%左右，提高到2010年的70%左右，特別是2008年以后，通過虛擬技術的使用，優秀率超過70%，與前一年比有接近15%的提高(從2006年到2007年，部分原因是教師從新上課、上新課到上老課，內容逐漸熟悉，也對通過率和優秀率有貢獻)。

五、結語

《核電子學》這門課程內容涉及面廣而深，是一門較難掌握的專業課。虛擬技術的利用一方面使得晦澀難懂的公式得以形象化理解，增加了同學們的學習興趣;另一方面使得課程的改革得以進行。通過虛擬技術的利用，希望對其它課程的改革起到拋磚引玉的作用。

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