賴毅輝，陳 銳，王海濤，周書民，藍賢桂

（東華理工大學機械與電子工程學院，江西 南昌 330013）

近年來，隨著我國核電產業(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正不斷蓬勃發(fā)展，但現(xiàn)行與之配套的核電子學課程的教學知識老舊，已不能適應當前井下核輻射探測技術的需求。為了能將該課程適應時代需求，培養(yǎng)新型工科所需核技術人才[1-2]。本文在此背景下，將我校特色研究方向——鈾裂變瞬發(fā)中子測井技術引入到核電子學的教學過程中，探索“以研代學”，“研學結合”的研究型教學創(chuàng)新模式。

1 鈾裂變瞬發(fā)中子測井技術概述

鈾裂變瞬發(fā)中子測井利用氘-氚核反應產生的脈沖中子源，在10～20μs時間內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，并放出2～3個裂變中子（其中99%以上為瞬發(fā)裂變中子）。當瞬發(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以內被慢化為熱中子（如圖2中的虛線）。假設地層巖石不含鈾，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 結合鈾裂變瞬發(fā)中子測井的核電子學教學模式探索

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、數(shù)字電子線路、原子核物理、核輻射探測技術等多方向課程的交叉，該譜儀對核電子學課程的教學具有較好的代表性。

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。具體的電路結構框圖如圖3所示：

圖3 時間譜儀電路結構

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課程的有關前置放大器的相關章節(jié)內容，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)，使學生能夠直接以視覺沖擊的形式接受課堂教學內容，并能夠充分認識到可視化教學帶來的好處，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、極性變換等處理，得到便于處理的正脈沖信號，便于后續(xù)電子學線路的處理。這里可以引出核電子學濾波和成形相關章節(jié)內容，使學生從實踐中確實體會堆積判棄（死時間校正）、彈道虧損、基線恢復器的電路原理與適用場景。

經過成形放大和基線恢復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關于核脈沖波形甄別與分析知識點，讓學生熟悉剔除噪聲干擾、幅度選擇及前沿定時的原理與應用。

3 具體實施方案

本論文方法的核電子學教學的實施方案分為：

3.1 核輻射測量原理課堂教學

核電子學課程目前存在的主要問題在于學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，將導致后續(xù)章節(jié)內容占時比大大減少，無法覆蓋完整知識點；如不講授核輻射測量原理，學生將難以理解該課程講授的內容長此以往，導致學生對課程失去興趣。

針對上述問題，教學可從瞬發(fā)裂變中子測井入手，實現(xiàn)“由點切入，由點到面，以點帶面，點面結合”，從實際案例中講授核電子學所需核輻射測量原理相關知識，從而加深學生的代入感。首先介紹射線與物質的相互作用，使學生對射線的衰減、通過物質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)計學與誤差分析，使學生能夠對測量結果的準確性有合理的判斷，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、國內外目前的研究進展及我校當前的研究現(xiàn)狀與以后的發(fā)展方向等。

3.2 基本放大電路課堂教學

接著講授與核電子學相關的鈾裂變瞬發(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計。

前置放大電路是核電子學課程的基礎，本教學案例中包括電流靈敏前置放大電路、成形放大電路等。教學時可以介紹入射到3He正比計數(shù)管的中子經過管內正比區(qū)的氣體放大效應，根據(jù)照射中子的能量和數(shù)量，會在3He正比計數(shù)管的輸出端產生不同幅度的電流信號，經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，可向學生闡述鈾裂變瞬發(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

為排除噪聲干擾，正確識別熱中子和超熱中子所產生的脈沖信號，需要在電路中加入脈沖信號的幅度甑別功能，將模擬脈沖信號轉化為方波脈沖信號。這里可以引出脈沖幅度選擇章節(jié)內容，它是將幅度超過（或低于）某一設定電平的脈沖轉換成幅度和寬度符合一定標準的脈沖輸出，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計

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

4 結束語

核電子學在核工業(yè)中應用廣泛，同時也綜合了電子技術、電路、自動控制等多個學科，因此具有很強的工程性和綜合性。但該課程的教學知識老舊，已不能適應當前井下核輻射探測技術的需求。本文在此背景下，結合鈾裂變瞬發(fā)中子測井的核電子學教學創(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構，引出核電子學課程的相關內容，探索該課程的“以研代學”，“研學結合”的研究型教學創(chuàng)新模式，借此期望能夠激發(fā)學生的學習興趣。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)，為核電子學教學提供新的思路。