核探测与核电子学国家重点实验室 State Key Lab of Nuclear Detection & Electronics 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 1.4 核电子学 ASIC 研究 虚实结合 -- 核与粒子物理 实验教学的探究 报告人 孙腊珍 张增明 中国科学技术大学 物理实验教学中心 2015 年 8 月 中山 大学

核探测与核电子学国家重点实验室 State Key Lab of Nuclear Detection & Electronics 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 提要： 一.引言 二. 虚实结合核物理实验教学 三. 宇宙线粒子物理数据库实验

核探测与核电子学国家重点实验室 State Key Lab of Nuclear Detection & Electronics 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 一. 引言 1. 大学物理实验 -- 现代物理实验技术课程中，开设核技术实 验 “ 射线能谱测量 ” 、 “ α 粒子卢瑟福散射 ” 、 “β 射线吸收 ” 2. 核与粒子物理专业基础实验（ 80 学时， 2 学分）， 近代物理系、少年班学院，大三下学生的必修课， 物理学 院其它系学生选修课。 3. 核与粒子物理专业实验（ 80 学时， 2 学分）， 大四上核物理与粒子物理、原子分子学科学生必修课， 其它学科学生和研究生选修课。

核探测与核电子学国家重点实验室 State Key Lab of Nuclear Detection & Electronics 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 实验内容： 射线与物质相互作用的规律； 放射性测量中的统计规律； 各类常用探测器的基本原理和技术性能； 常用核子仪器的使用方法； 基本的核物理 α 、 β 、 γ 、 X 、中子射线和宇宙 线的测量方法 ; 物质第四态－等离子体基本特性的测量。

核探测与核电子学国家重点实验室 State Key Lab of Nuclear Detection & Electronics 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China α 射线与物质的相互作用 : 半导体 α 谱仪 α 粒子能量损失 α 粒子卢瑟福散射 β 射线与物质的相互作用： β 射线的吸收 半圆磁谱仪测量 β 能谱和居里描绘 多丝正比室 — 探测效率的测量 γ 射线与物质的相互作用 : 闪烁探测器性能测试 γ 射线的吸收 康普顿散射谱仪 长塑料闪烁计数器、 电流电离室 Ge(Li) γ 射线谱仪 Χ 射线与物质的相互作用 : Χ 射线的吸收 特征 Χ 射线谱测量、 能量色散 Χ 射线荧光分析 Si(Li) X 射 线谱仪 多丝正比室 — 粒子空间分辩 宇宙射线 --- 子寿命测量实验、闪烁体荧光时间特性的观测与分析 实验项目：

核探测与核电子学国家重点实验室 State Key Lab of Nuclear Detection & Electronics 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 核技术应用与核测量方 法 : 正电子在物质中湮没寿 命、 γ 相机、 CT 成像、 X 射线阵列探测器应用实 验 β-γ 符合法测量放射源的 绝对强度 小立体角法测量 β 源活度 中子物理 : BF3 正比计数管探测慢中 子 放射性核素半衰期测量 物质第四态－等离子体物理 : 等离子体物理基础实验－等 离子体密度、温度等特性的 测量

核探测与核电子学国家重点实验室 State Key Lab of Nuclear Detection & Electronics 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 探测器： 气体、半导体、闪烁体 射线： α 、 β 、 γ 、 X 、中子、 物质第四态 — 等离子体 目的是：要训练学生从事核物理与粒子物理、核 技术实验的基本能力；

核探测与核电子学国家重点实验室 State Key Lab of Nuclear Detection & Electronics 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 二. 虚实结合 - 核物理实验教学 核应用需要放射源，而放射源存在辐射，如 防护措施不当或违反操作规程，就会对人体造 成伤害。 为了减少辐射对人体的伤害，在许多非必要使用放 射源的场合，如核仪器研制过程中，核探测系统标定 和维护，核科学人才的培养过程中，通常采用脉冲信 号源来代替放射源进行实验。 而脉冲信号源无法给出具有放射源物理特征的核信 号，很难满足核技术应用的需求。

核探测与核电子学国家重点实验室 State Key Lab of Nuclear Detection & Electronics 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 虚拟放射源是在核电子学、数字信号处理等 技术的基础上利用可编程器件、高速数字化器 件和模拟 ASIC 技术研制的一种新型核脉冲信号 源，通过对一个基本硬件系统的编程和配置， 来产生具有特定放射源特征输出信号。

核探测与核电子学国家重点实验室 State Key Lab of Nuclear Detection & Electronics 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 虚拟放射源具有： 1) 能仿真放射源的物理特征，给出指定放射源的物理信息 ，如能量分布信息、粒子信息、探测器的响应信息； 2) 输出幅度上具有随机性的信号； 3) 输出时间上具有随机性的信号； 4) 能同时仿真放射源的多种出射粒子； 5) 可根据实验需求仿真实验过程、动态产生触发判选条件 和产生多粒子符合输出。

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核探测与核电子学国家重点实验室 State Key Lab of Nuclear Detection & Electronics 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 三. 宇宙线粒子物理数据库实验 ◊ 由于加速器的成本高和放射源的管理困难，在 高校开设的粒子物理教学实验几乎为零。 我校充分利用学科专业优势，集中了数位从事高 能粒子物理科研教员，研制了 “ 宇宙线物理实验 ” 装置。 ◊ 该装置利用天然宇宙线，不使用放射源，避免了 学生在实验中接触高危物品（放射源），解脱了 放射源的管理，从而开设了一系列的高能粒子物 理教学实验。

核探测与核电子学国家重点实验室 State Key Lab of Nuclear Detection & Electronics 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 计算 μ 子的平均寿命 12 小时计数 μ 子寿命测量装置 利用宇宙射线天然的粒子源，使用大尺寸的塑料闪烁体探测器 和可编程逻辑阵列（ FPGA ）为核心的电子学，研制出了测量 μ 子通量及寿命的实验装置。

核探测与核电子学国家重点实验室 State Key Lab of Nuclear Detection & Electronics 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 宇宙线物理实验，加深学生对 高能物理理论的理解，并对粒 子探测器、粒子探测技术、数 据获取与处理等方面有个较整 体的了解。

核探测与核电子学国家重点实验室 State Key Lab of Nuclear Detection & Electronics 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 1. 宇宙线物理实验使学生对地球大气中的宇宙线来源有一 个完全的认识，并对原初宇宙高能粒子对地球的碰撞的 各向同性和加速原理启迪思考。 2. 产生于大气顶层的只有 2.2 微秒平均寿命的 μ 子如何能穿过 十几公里的大气层到达海平面？宇宙线物理实验引发学生 对爱因斯坦相对论中时间膨胀效应的学习兴趣、思考和交 流。 3. 实验数据的随机性要求学生用适当的统计方法处理；学生 能接触到真实的粒子物理实验数据分析。

核探测与核电子学国家重点实验室 State Key Lab of Nuclear Detection & Electronics 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 开设的粒子物理实验教学项目： 1. 粒子通量及其测量，了解地球表面宇宙线的通量及其受地 磁场的影响 2. 粒子（ μ 轻子）的平均寿命测量； 3. 物理本底的测量和排除； 4. 信号与噪声事例的鉴别，物理事例的定时和时间测量； 5. 实验数据的获取、处理和理论的假设检验； 6. 随机事例和其统计涨落，统计误差的计算； 7. 其他高级实验如：带负电的 μ 轻子被原子核的俘获；演示爱 因斯坦的狭义相对论； GPS 定时和宇宙线簇射的符合测量 ；

核探测与核电子学国家重点实验室 State Key Lab of Nuclear Detection & Electronics 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 基于数据库的宇宙线系列实验 用宇宙线实验平台 ，长时间连续采集 宇宙线。 以该数据库为资 源，建立一套虚拟 实验，实现无放射 源情况下的粒子物 理实验。

核探测与核电子学国家重点实验室 State Key Lab of Nuclear Detection & Electronics 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 基于数据库的宇宙线系列实验。 该实验通过探测器连续采集各地宇宙射线 数据库，利用开发的软件分析平台，通过 服务器，基于互联网实现数据共享，向学 生开设的 muon 子寿命实验及宇宙线物理 实验。

核探测与核电子学国家重点实验室 State Key Lab of Nuclear Detection & Electronics 中国科学技术大学 University of Sci.& Tech. of China 谢谢 !