核物理实验仿真系统及其进行能谱测量实验和强度测量实验的方法

摘要

一种核物理实验仿真系统，包括模拟核放射源、模拟核辐射探测器和核电子学处理系统，所述的模拟核辐射探测器接收模拟核放射源发射出的仿核光脉冲和核电子学处理系统发出的光电倍增管高电压，所述的核电子学处理系统接收与其电连接的模拟核辐射探测器发出的仿核电压脉冲。核物理实验仿真系统的核模拟放射源根据选择不同的核辐射类型利用电子学方法产生具有对应核辐射特征的光脉冲来仿真核放射源，模拟核辐射探测器接收光脉冲，根据选择不同的实验过程，对接收的光脉冲进行处理，产生核物理实验数据，并根据这些核物理实验数据产生仿核电压脉冲，提供到后续的核电子学处理系统中进行分析和处理，供学习人员进行观察和感受，核物理实验仿真度更高，更加接近真实的核辐射实验，实验效果好，教学效果优良。

说明书

技术领域

本发明涉及一种核物理实验仿真实验设备及仿真方法，具体地说，是一种核物理实验仿 真系统及其进行能谱测量实验和强度测量实验的方法。

背景技术

真实的核物理实验平台由核放射源、核辐射探测器和核电子学处理系统构成。由于放射 源产生的核辐射易造成环境污染和人员伤害，现在很多高校和研究所正尝试采用仿真技术来 完成核物理实验，目前的仿真方法包括两种：一是纯软件仿真，即在计算机上通过相应软件 来仿真核物理实验过程，二是采用仿核信号发生器输出模拟核辐射探测器输出电信号，送入 核电子学处理系统构成硬件核物理仿真系统。

上述两种仿真方法虽然能实现无放射源核物理实验仿真，但系统结构与真实核物理实验 系统存在较大差异，无法给实验操作者真实核物理实验感受，难以达到亲历式核物理实验教 学效果。

发明内容

本发明针对上述仿真技术的不足，设计了一种核物理实验仿真系统及其进行能谱测量实 验和强度测量实验的方法。

本发明的核物理实验仿真系统，包括模拟核放射源、模拟核辐射探测器和核电子学处理 系统，所述的模拟核辐射探测器接收模拟核放射源发射出的仿核光脉冲和核电子学处理系统 发出的光电倍增管高电压，所述的核电子学处理系统接收与其电连接的模拟核辐射探测器发 出的仿核电压脉冲。

优选的是，所述的模拟核放射源包括依次串连的仿核单片机、驱动电路和发光二极管。

优选的是，所述的仿核单片机连接有放射模式编码开关，发光二极管上安装有滤光片。

优选的是，所述的模拟核辐射探测器包括模拟单片机、输入电路、输出电路和高压检测 电路，所述的输入电路包括感光二极管和与其相连的调理电路；所述的输出电路包括D/A转 换器和与其相连的滤波成形电路；所述的高压测量电路包括分压电路和与其相连的A/D转换 器，调理电路、D/A转换器和A/D转换器都与模拟单片机相连。

优选的是，所述的模拟单片机连接有检测模式编码开关，感光二极管上安装有滤光片。

优选的是，核电子学处理系统包括多道幅度分析系统、多道时间分析系统、复合测量系 统。

利用核物理实验仿真系统进行能谱测量实验的方法，步骤如下：

(1)模拟核放射源的仿核单片机产生伪随机数X_r，仿核单片机以所述的伪随机数X_r为 基础，产生指数分布抽样X_e；仿核单片机以所述的伪随机数X_r为基础，产生高斯分布抽样 X_g；

(2)仿核单片机读取放射模式拨码开关的状态，获得所要产生的核放射源的编号N_X0， 如果编号N_X0为“产生本底辐射”对应二进制编号，则通过指数分布抽样X_e计算出仿核光脉 冲的脉冲宽度W，重新获取新的伪随机数X_r’，并利用新的伪随机数X_r’计算仿核光脉冲的产 生时间T；如果编号N_X0为“产生特定能量的核辐射”对应二进制编号，则通过指数分布抽 样Xe和高斯分布抽样X_g计算出仿核光脉冲的脉冲宽度W，重新获取新的伪随机数X_r’，利 用伪随机数X_r’计算仿核光脉冲的产生时间T；

(3)仿核单片机根据计算出的脉冲宽度W和仿核光脉冲的产生时间T，输出矩形电压脉 冲，矩形电压脉冲经驱动电路，控制发光二极管通过滤光片，发出含有所需的仿核光脉冲信 号的光；

(4)模拟核辐射探测器的感光二极管经滤光片滤除环境杂散光，接收到模拟核放射源的 发光二极管射出的仿核光脉冲信号，并送入调理电路，调理电路将仿核光脉冲信号处理成矩 形电压脉冲信号后送入模拟单片机的输入端，模拟单片机利用内部的定时器模块对矩形电压 脉冲信号的脉冲宽度进行测量，获得脉冲宽度数据W_Y；

(5)模拟核辐射探测器的模拟单片机经高电压测量电路的分压电路和A/D转换器，获得 核电子学处理系统发出的光电倍增管高电压V_H对应的光电倍增管高电压数据V_HM，模拟单 片机根据光电倍增管高电压数据V_HM确定比例常数K₀；

(6)模拟单片机读取检测模式拨码开关的状态，获得所要对应处理算法编号N_Y0，如果 编号N_Y0为“能谱测量”对应二进制编号，模拟单片机将上述脉冲宽度数据W_Y乘以比例常 数K₀得核辐射能量数据E_Y；

(7)模拟单片机将核辐射能量数据E_Y送入D/A转换器，转换成对应的矩形电压脉冲信 号，矩形电压脉冲信号经过成形滤波电路变成仿核电压脉冲信号发送给核电子学处理系统进 行展示或显示。

利用核物理实验仿真系统进行核辐射强度测量实验的方法，步骤如下：

(1)模拟核放射源的仿核单片机产生伪随机数X_r，仿核单片机以所述的伪随机数X_r为 基础，产生指数分布抽样X_e；仿核单片机以所述的伪随机数X_r为基础，产生高斯分布抽样 X_g；

(2)仿核单片机读取放射模式拨码开关的状态，获得所要产生的核放射源的编号N_X0， 如果编号N_X0为“产生本底辐射”对应二进制编号，则通过指数分布抽样X_e计算出仿核光脉 冲的脉冲宽度W，重新获取新的伪随机数X_r’，并利用新的伪随机数X_r’计算仿核光脉冲的产 生时间T；如果编号N_X0为“产生特定能量的核辐射”对应二进制编号，则通过指数分布抽 样X_e和高斯分布抽样X_g计算出仿核光脉冲的脉冲宽度W，重新获取新的均匀分布的随机数 X_r’，利用新的均匀分布的随机数X_r’计算仿核光脉冲的产生时间T；

(3)仿核单片机根据计算出的脉冲宽度W和仿核光脉冲的产生时间T，输出矩形电压脉 冲，矩形电压脉冲经驱动电路，控制发光二极管通过滤光片，发出含有所需的仿核光脉冲信 号的光；

(4)模拟核辐射探测器的感光二极管经滤光片滤除环境杂散光，接收到模拟核放射源的 发光二极管射出的仿核光脉冲信号，并送入调理电路，调理电路将仿核光脉冲信号处理成矩 形电压脉冲信号后送入模拟单片机的输入端，模拟单片机利用内部的定时器模块对矩形电压 脉冲信号的脉冲宽度进行测量，获得脉冲宽度数据W_Y；

(5)模拟核辐射探测器的模拟单片机产生伪随机数Y_r，并以上述伪随机数Y_r为基础， 构造指数分布抽样Y_e；

(6)模拟核辐射探测器的模拟单片机经高电压测量电路的分压电路和A/D转换器，获得 核电子学处理系统发出的光电倍增管高电压V_H对应的光电倍增管高电压数据V_HM，模拟单 片机根据光电倍增管高电压数据V_HM确定比例常数K₀；

(7)模拟单片机读取检测模式拨码开关的状态，获得所要对应处理算法编号N_Y0，如果 编号N_Y0为“本底测量”对应二进制编号，模拟单片机将上述脉冲宽度数据W_Y乘以比例常 数K₀得核辐射能量数据E_Y；如果处理算法编号N_Y0为“Z块铝板吸收能谱测量”对应二进制 编号，模拟单片机取一个确定常数D_YZ，模拟核辐射探测器每接收一个仿核光脉冲，模拟单 片机就用指数分布抽样Y_e与D_YZ进行比较，如果Y_e>D_YZ，则该仿核光脉冲不进行处理，如 果Y_e<D_YZ，则该仿核光脉冲进行处理，用上述脉冲宽度数据W_Y乘以比例常数K₀得核辐射 能量数据E_Y，Z为正整数；

(8)模拟单片机将核辐射能量数据E_Y送入D/A转换器，转换成对应的矩形电压脉冲信 号，矩形电压脉冲信号经过成形滤波电路变成仿核电压脉冲信号发送给核电子学处理系统进 行展示或显示。

本发明的有益效果是：核物理实验仿真系统的核模拟放射源根据选择不同的核辐射类型 利用电子学方法产生具有对应核辐射特征的光脉冲来仿真核放射源，模拟核辐射探测器接收 光脉冲，根据选择不同的实验过程，对接收的光脉冲进行处理，产生核物理实验数据，并根 据这些核物理实验数据产生仿核电压脉冲，提供到后续的核电子学处理系统中进行分析和处 理，供学习人员进行观察和感受。以利用发光二极管实际发射出的光脉冲的形式来模拟核放 射，使核物理实验仿真度更高，更加接近真实的核辐射实验，实验效果好，教学效果优良。

仿核单片机和模拟单片机都可通过编码开关调节模式，模拟多种不同类型的仿核辐射光 脉冲，进行多种仿核电压脉冲的模拟处理，功能多，适用范围广。

发光二极管和感光二极管都安装有滤光片，滤除了环境杂散光，使发出和接收的光脉冲 更加纯正，提高了光脉冲发射和接收的效果，保证了仿核实验的效果。

模拟核辐射探测器具有高压检测电路，接收核电子学处理系统的光电倍增管高电压，并 增加了光电倍增管高电压对核辐射探测器输出电压脉冲幅度影响的处理算法，进一步提高了 仿真度，提高了仿核实验效果。

附图说明

附图1为本核物理实验仿真系统的系统框图。

具体实施方式

本发明的核物理实验仿真系统，如图1所示，包括模拟核放射源、模拟核辐射探测器和 核电子学处理系统。

模拟核放射源包括依次串连的仿核单片机、驱动电路和发光二极管，仿核单片机连接有 放射模式编码开关，发光二极管上安装有滤光片。

模拟核辐射探测器包括模拟单片机、输入电路、输出电路和高压检测电路。

输入电路包括感光二极管和与其相连的调理电路。

输出电路包括D/A转换器和与其相连的滤波成形电路。

高压测量电路包括分压电路和与其相连的A/D转换器。

调理电路、D/A转换器和A/D转换器都与模拟单片机相连，模拟单片机连接有检测模式 编码开关，感光二极管上安装有滤光片。

核电子学处理系统包括多道幅度分析系统、多道具时间分析系统、复合测量系统等可以 直接利用的现有核物理实验分析设备。

模拟核放射源的仿核单片机根据选择不同的核辐射类型，利用电子学方法使发光二极管 产生仿核光脉冲来仿真核放射源，仿核光脉冲即为具有对应核辐射特征的光脉冲，模拟核辐 射探测器的感光二极管接收模拟核放射源的发光二极管发射出的仿核光脉冲。

模拟核辐射探测器与核电子学处理系统中的各个子系统电连接，接收核电子学处理系统 发出的光电倍增管高电压。模拟核辐射探测器根据不同的实验过程，对接收的仿核光脉冲以 及光电倍增管高电压进行处理，产生核物理实验数据，并根据这些核物理实验数据产生仿核 电压脉冲。仿核对电压脉冲具有真实核辐射探测器相近性质，可以仿真实核辐射探测器输出。

核电子学处理系统可接收模拟核辐射探测器发出的仿核电压脉冲，在核电子学处理系统 的各个子系统中进行不同的分析和处理，供学习人员进行观察和感受。

实施例一：

利用核物理实验仿真系统进行NaI(Tl)闪烁谱仪实验(一种能谱测量实验)

实验原理：

核放射源出射的粒子与NaI(Tl)晶体发生作用，产生荧光，荧光经光电倍增管放大，转换 成的电压脉冲，通过对光电倍增管输出电压脉冲测量、统计分析得到对应放射源的能谱。本 实验可以让学生学习能谱仪结构和原理，并学会使能谱进行能谱测量。

实验过程：

模拟核放射源的仿核单片机通过混合同余法，产生伪随机数X_r，仿核单片机以所述的伪 随机数X_r为基础，用反函数法产生指数分布抽样X_e；仿核单片机以所述的伪随机数X_r为基 础，通过中心极限定理法产生高斯分布抽样X_g。

仿核单片机读取放射模式拨码开关的状态，获得所要产生的核放射源的编号N_X0，如果编 号N_X0为“产生本底辐射”对应二进制编号，则通过指数分布抽样X_e根据线性关系计算出仿 核光脉冲的脉冲宽度W，重新获取新的伪随机数X_r’，并利用新的伪随机数X_r’，根据线性比 例关系计算仿核光脉冲的产生时间T；如果编号N_X0为“产生特定能量的核辐射”对应二进 制编号，则通过指数分布抽样X_e和高斯分布抽样X_g之和，再根据线性比例计算出仿核光脉 冲的脉冲宽度W，重新获取新的均匀分布的随机数X_r’，利用新的均匀分布的随机数X_r’， 根据线性比例关系，计算仿核光脉冲的产生时间T。

仿核单片机根据计算出的脉冲宽度W和仿核光脉冲的产生时间T，在仿核光脉冲的产生 时间T对应时刻把输出端口拉高，在脉冲宽度W对应时间后把仿核单片机输出端口拉低，输 出矩形电压脉冲，矩形电压脉冲经驱动电路，控制发光二极管通过滤光片，发出含有所需的 仿核光脉冲信号的光。

模拟核辐射探测器的感光二极管经滤光片滤除环境杂散光，接收到模拟核放射源的发光 二极管射出的仿核光脉冲信号，并送入调理电路，调理电路将仿核光脉冲信号处理成矩形脉 冲信号后送入模拟单片机的输入端，模拟单片机利用内部的定时器模块对矩形脉冲信号的脉 冲宽度进行测量，获得脉冲宽度数据W_Y。

模拟核辐射探测器的模拟单片机经高电压测量电路的分压电路和A/D转换器，获得核电 子学处理系统发出的光电倍增管高电压V_H对应的光电倍增管高电压数据V_HM，模拟单片机 根据光电倍增管高电压数据V_HM线性关系确定比例常数K₀。

模拟单片机读取检测模式拨码开关的状态，获得所要对应处理算法编号N_Y0，如果编号 N_Y0为“能谱测量”对应二进制编号，模拟单片机将上述脉冲宽度数据W_Y乘以比例常数K₀得核辐射能量数据E_Y。

模拟单片机将核辐射能量数据E_Y送入D/A转换器，转换成对应的矩形电压脉冲信号，该 矩形电压脉冲信号幅度值与E_Y成正比，脉冲信号宽度是确定值，矩形电压脉冲信号经过成形 滤波电路变成仿核电压脉冲信号发送给核电子学处理系统进行展示或显示。

实施例二：

利用核物理实验仿真系统进行γ射线吸收实验(一种强度测量实验)

实验原理：

γ射线通过物质时，与物质发生相互作用，发生光子被吸收现象，从而产生输出射线强 度低到输入射线强度，射线强度随物质厚度的衰减服从指数规律。本实验主要验证窄束γ射线 在物质中的吸收规律。

实验过程：

先在模拟核放射源和模拟核辐射探测器之间放置一个铝板，模拟γ射线穿透的实验，但 铝板的中心有透光圆孔，透光圆孔要保证仿核光脉冲的通过。

模拟核放射源的仿核单片机通过混合同余法，产生伪随机数X_r，仿核单片机以所述的伪 随机数X_r为基础，用反函数法产生指数分布抽样X_e；仿核单片机以所述的伪随机数X_r为基 础，通过中心极限定理法产生高斯分布抽样X_g。

仿核单片机读取放射模式拨码开关的状态，获得所要产生的核放射源的编号N_X0，如果编 号N_X0为“产生本底辐射”对应二进制编号，则通过指数分布抽样X_e根据线性关系计算出仿 核光脉冲的脉冲宽度W，重新获取新的伪随机数X_r’，并利用新的伪随机数X_r’，根据线性比 例关系计算仿核光脉冲的产生时间T；如果编号N_X0为“产生特定能量的核辐射”对应二进 制编号，则通过指数分布抽样X_e和高斯分布抽样X_g之和，再根据线性比例计算出仿核光脉 冲的脉冲宽度W，重新获取新的均匀分布的随机数X_r’，利用新的均匀分布的随机数X_r’， 根据线性比例关系，计算仿核光脉冲的产生时间T。

仿核单片机根据计算出的脉冲宽度W和仿核光脉冲的产生时间T，在仿核光脉冲的产生 时间T对应时刻把输出端口拉高，在脉冲宽度W对应时间后把仿核单片机输出端口拉低，输 出矩形电压脉冲，矩形电压脉冲经驱动电路，控制发光二极管通过滤光片，发出含有所需的 仿核光脉冲信号的光。

模拟核辐射探测器的感光二极管经滤光片滤除环境杂散光，接收到模拟核放射源的发光 二极管射出的仿核光脉冲信号，并送入调理电路，调理电路将仿核光脉冲信号处理成矩形脉 冲信号后送入模拟单片机的输入端，模拟单片机利用内部的定时器模块对矩形脉冲信号的脉 冲宽度进行测量，获得脉冲宽度数据W_Y。

模拟核辐射探测器的模拟单片机通过混合同余法，产生伪随机数Y_r，并以上述伪随机数 Y_r为基础，用反函数法构造指数分布抽样Y_e。

模拟核辐射探测器的模拟单片机经高电压测量电路的分压电路和A/D转换器，获得核电 子学处理系统发出的光电倍增管高电压V_H对应的光电倍增管高电压数据V_HM，模拟单片机 根据光电倍增管高电压数据V_HM线性关系确定比例常数K₀。

模拟单片机读取检测模式拨码开关的状态，获得所要对应处理算法编号N_Y0，如果编号 N_Y0为“本底测量”对应二进制编号，模拟单片机将上述脉冲宽度数据W_Y乘以比例常数K₀得核辐射能量数据E_Y；如果处理算法编号N_Y0为“1块铝板吸收能谱测量”对应二进制编号， 模拟单片机取一个确定常数D_Y1，模拟核辐射探测器每接收一个仿核光脉冲，模拟单片机就 用指数分布抽样Y_e与D_Y1进行比较，如果Y_e>D_Y1，则该仿核光脉冲不进行处理，如果Y_e<D_Y1， 则该仿核光脉冲进行处理，用上述脉冲宽度数据W_Y乘以比例常数K₀得核辐射能量数据E_Y。 用上述脉冲宽度数据W_Y乘以比例常数K₀得核辐射能量数据E_Y；如果处理算法编号N_Y0为“2 块铝板吸收能谱测量”对应二进制编号，上述常数D_Y1换成D_Y2，后续步骤相同；如果处理 算法编号N_Y0为“3块铝板吸收能谱测量”对应二进制编号，上述常数D_Y1换成D_Y3，后续步 骤相同。

模拟单片机将核辐射能量数据E_Y送入D/A转换器，转换成对应的矩形电压脉冲信号，该 矩形电压脉冲信号幅度值与E_Y成正比，脉冲信号宽度是确定值，矩形电压脉冲信号经过成形 滤波电路变成仿核电压脉冲信号发送给核电子学处理系统进行展示或显示。