原子核衰變放射強度測量及物質吸收虛擬仿真實驗

原子核衰變放射強度測量及物質吸收虛擬仿真實驗是重慶大學建設的虛擬仿真實驗課程、首批國家級一流本科課程。該課程在實驗空間平台授課，課程負責人為劉安平，授課教師為韓忠、何光宏、楊東俠、張選梅、洪顯峰和趙彥閣。據2021年6月實驗空間官網顯示，該課程做實驗人數997，其中優秀383人、達標205人、不達標409人，實驗通過率59.0%。

該虛擬仿真實驗項目依託重慶大學核物理實驗教學平台，採用3D仿真、動畫、數學建模、組件開發等技術重構核物理實驗環境，徹底解除教學中的核輻射安全隱患。實驗項目將當前核物理及粒子物理實驗中新的測量方法和手段融入實驗中，通過兩個經典實驗內容設計，向學生全面展示原子核衰變的規律及輻射射線與物質相互作用的特點，幫助理解核性質、核參數、核輻射防護、核技術套用及其材料等專業知識。

基本介紹

• 中文名：原子核衰變放射強度測量及物質吸收虛擬仿真實驗
• 外文名：Virtual simulation experiment of the radiation and absorption of nuclear decay
• 類別：虛擬仿真實驗課程、首批國家級一流本科課程
• 建設院校：重慶大學
• 授課平台：實驗空間
• 課程負責人：劉安平
• 授課教師：韓忠、何光宏、楊東俠、張選梅、洪顯峰、趙彥閣
• 實驗課時：4課時 

課程建設

開設歷程

2018年3月1日，原子核衰變放射強度測量及物質吸收虛擬仿真實驗課程在重慶大學上線。

2018年9月1日，原子核衰變放射強度測量及物質吸收虛擬仿真實驗課程面向社會開放。

2020年11月24日，原子核衰變放射強度測量及物質吸收虛擬仿真實驗課程被中華人民共和國教育部認定為首批“國家級一流本科課程”。

服務規劃

該虛擬仿真實驗項目首先對重慶大學校內學生開放，為修近代物理實驗課程學生的必修實驗項目。項目前期建設單元模組基本滿足日常上課的需求。後續開發過程中，根據相關院校需求，進行全方位的調整與更新，用於開放的仿真實驗項目訓練和遠程教學，服務更多的在校學生和社會學習者。自項目認定後5年每年預計服務人數在6000人以上。

課程性質

課程背景

由於核物理實驗教學需要用到放射源，實體放射源對教學環節必然造成安全隱患和風險。再加上中國對放射源的管理嚴格、手續繁瑣，對實驗教學場地有著非常嚴格的限制。很多高校購置實體放射源用於實驗也不現實，因此在核物理實驗項目的開設問題上存在很大困難。為解決這一問題，重慶大學在實驗空間平台建設了原子核衰變放射強度測量及物質吸收虛擬仿真實驗項目。

適應專業

該虛擬仿真實驗項目適合物理類及工科相關專業，大學三年級或四年級學生，核物理、粒子物理及核工程相關領域研究者進行學習。

課程簡介

蓋革一彌勒計數器（G-M計數器）是射線氣體探測器的一種，其工作物質是氣體，其功能是記錄射線粒子的數目但不能區別粒子能量，主要用來測量β射線和γ射線的強度，是核物理實驗中常用的測量儀器，在放射性測量方面有廣泛的套用，為近代物理的早期發展做出了一定貢獻。

射線與物質的相互作用，使射線通過一定厚度的物質後，能量或強度有一定的減弱，稱為物質對射線的吸收。研究物質對射線的吸收規律及不同物質的吸收性能等，在了解核性質和核參數、防護核輻射、核技術套用和材料科學等許多領域都有重要的意義。

項目對G-M計數器從設備工作原理出發進行數學物理建模，基於放射性粒子滿足泊松分布統計規律建模的，建模中考慮到時間、計數管電壓及放射源在管中位置等參數。為此，實驗中可模擬不同觀察時間、不同觀察次數時，計數率偏差，享實性高。此外在射線與物質的相互作用的實驗內容中，根據物質自身參數建立β射線的吸收模型，實驗中可模擬不同厚度樣品對β射線的吸收。

該實驗項目有以下4個知識點：（1）G-M計數器的組成；（2）G-M計數器的坪特性；（3）核衰變的統計規律與放射性測量的統計誤差；（4）物質對β射線的吸收。

課程步驟

實驗方法

• 核衰變統計規律

1. 測量G-M計數管的坪特性，畫出坪曲線，求出坪長度、坪坡度，確定合適的工作電壓範圍；
2. 觀察測量次數對計數率標準誤差的影響；
3. 觀察本底對淨計數率的影響；
4. 驗證核衰變所遵從的統計規律。

• 物質對β射線的吸收

1. 了解G-M計數管的結構和工作原理，測量其坪曲線；
2. 測量鋁片對β射線的吸收曲線，求出β射線的射程和最大能量。

操作步驟

學生互動性操作步驟數：21

• G-M計數管實驗

操作環節	具體步驟	示意圖
A.測量G-M計數管的坪特性	（1）滑鼠點擊電離隔離箱的箱門，打開隔離箱，滑鼠選中放射源，提示相應的信息；拖動放射源放到桌面上，鬆開滑鼠，放射源會自動放到桌面的固定位置上；點擊隔離箱的箱門，關閉隔離箱。	打開隔離箱與關閉後的隔離箱
	（2）雙擊打開計數管大視圖，點擊放射源蓋子，打開放射源；點擊計數管艙門，打開計數管艙門；點擊放入放射源，放射源自動放到計數管艙內，放入放射源變為取出放射源；點擊計數管艙門，關閉計數管艙門。	計數管
	（3）點擊結構及原理展示按鈕，在放入放射源的前提下，顯示離子效果；結構及原理展示按鈕變為返回操作界面按鈕，點擊返回操作界面按鈕，返回操作界面。	計數管
	（4）雙擊打開自動定標器大視圖，點擊後面板，打開定標器按鈕，開關指示燈亮，前面板數顯管亮；點擊高壓開關，高壓指示燈亮。	面板視圖
	（5）點擊設定按鈕，選擇設定時間，點擊增加按鈕，將時間設定為20s；點擊選擇按鈕，選擇調節電壓，點擊增加按鈕，將電壓設定為250v；點擊設定，設定完成退出設定狀態；點擊啟動按鈕，開始計數。	開始計數
	（6）點擊設定按鈕，選擇設定電壓，點擊增加按鈕，增加10v，點擊設定，設定完成退出設定狀態，點擊啟動按鈕，開始計數；重複操作，將電壓增加到480v。	480v計數值
	（7）將得到的計數值填入表格，畫出坪曲線，求出坪長度、坪坡度，確定合適的工作電壓範圍。將數據填入表格，點擊保存。	-
B.測量次數對計數率標準誤差的影響	（1）點擊計數管艙門，打開計數管艙門，點擊取出放射源，放射源自動從計數管艙內取出放到桌面上，取出放射源按鈕變為放入放射源;點擊放射源的蓋子，蓋上蓋子，點擊計數管的艙門，關閉艙門。	關閉計數管艙門
	（2）點擊設定，進入設定狀態；點擊選擇按鈕，選擇設定時間；點擊增加按鈕，將時間設定為60s；點擊選擇按鈕，選擇設定電壓，點擊增加按鈕，根據坪曲線選取工作電壓；點擊設定按鈕，確定設定退出設定狀態，點擊啟動按鈕，測量本底計數。重複五次，分別求出每次的本底計數率，標準誤差，相對標準誤差。在求出五次測量的平均計數率及其標準誤差，相對標準誤差。將數據填入表格，點擊保存。	參數設定
	（3）點擊設定，進入設定狀態；點擊選擇按鈕，選擇設定時間；點擊增加按鈕，將時間設定為300s；電壓保持不變；點擊設定按鈕，確定設定退出設定狀態，點擊啟動按鈕，測量本底計數。算出每分鐘的本底計數率及其標準誤差，相對標準誤差。將平均計數率的誤差與單次計數率的誤差比較。	300s的本底計數
C.測量本底對淨計數率的影響	（1）點擊計數管艙門，打開計數管艙門；點擊放射源蓋子，打開放射源；點擊放入放射源按鈕，放射源自動放到計數管艙內；放入放射源按鈕變為取出放射源；在計數管底部內部視圖，通過點擊四個箭頭，移動放射源在艙內的位置，使得總計數率約為本底計數率的十倍，點擊艙門，關閉艙門；點擊啟動，測量一分鐘的總計數。	測量一分鐘的總計數
	（2）點擊艙門，打開艙門；點擊四個箭頭，移動放射源在艙內的位置，使得總計數率降為。上面值得1/2；測兩分鐘的總計數率。利用上面得到一分鐘的本底計數和五分鐘的本底計數，分別求出在兩種總計數的情況下的一分鐘淨計數率（總計數率去掉本底計數率）。比較計算結果，討論本底在總計數中所占比例不同時，本底對淨計數率標準誤差影響的大小，本底測量時間不同對結果誤差的影響。	測量兩分鐘的總計數
D.驗證核衰變所遵從的統計規律	根據本底計數率的大小，選擇合適的時間，使得該平均計數在3-5之間，重複測量300次（測量3次之後，可以點擊加速按鈕，自動將測量300次的結果填入表格）	-

（註：表格內容參考資料）

• 物質對β射線的吸收實驗

操作環節	具體步驟	示意圖
A.測量G-M計數管的坪特性	（1）滑鼠點擊電離隔離箱的箱門，打開隔離箱，滑鼠選中放射源，提示相應的信息；拖動放射源放到桌面上，鬆開滑鼠，放射源會自動放到桌面的固定位置上；點擊隔離箱的箱門，關閉隔離箱。	放射源放到桌面上
	（2）雙擊打開計數管大視圖，點擊放射源蓋子，打開放射源；點擊計數管艙門，打開計數管艙門；點擊放入放射源，放射源自動放到計數管艙內，放入放射源變為取出放射源；點擊計數管艙門，關閉計數管艙門。	放入放射源
	（3）雙擊打開自動定標器大視圖，點擊後面板，打開定標器按鈕，開關指示燈亮，前面板數顯管亮；點擊高壓開關，高壓指示燈亮。	面板視圖
	（4）點擊設定按鈕，選擇設定時間，點擊增加按鈕，將時間設定為20s；點擊選擇按鈕，選擇調節電壓，點擊增加按鈕，將電壓設定為250v；點擊設定，設定完成退出設定狀態；點擊啟動按鈕，開始計數。	開始計數
	（5）點擊設定按鈕，選擇設定電壓，點擊增加按鈕，增加10v，點擊設定，設定完成退出設定狀態，點擊啟動按鈕，開始計數；重複操作，將電壓增加到480v。	計數
	（6）將得到的計數值填入表格，畫出坪曲線，求出坪長度、坪坡度，確定合適的工作電壓範圍。將數據填入表格，點擊保存。	-
B.測量鋁片對β射線的吸收曲線	點擊艙門，打開艙門；點擊放入塑膠板，塑膠板自動放入計數管艙內，放入塑膠板按鈕變為取出塑膠板；點擊放入鋁片，每放入一次鋁片，進行一次計數；總共放入10片。將記錄的數據填入表格，並畫出吸收曲線。	測量鋁片對β射線的吸收曲線

（註：表格內容參考資料）

實驗記錄

該虛擬仿真實驗項目要求學生實驗前需做好預習，實驗過程中需記錄每步實驗結果，實驗結束後對於實驗結果與結論要求撰寫實驗報告，報告中需總結實驗中的注意事項以及重難點。

課程特色

• 實驗方案設計思路

核物理實驗教學中，由於放射源具有一定的危險性，在實際教學中開設困難。另外原子核衰變放射性原理的抽象性，不利於學生對實驗的理解，而計算機虛擬仿享實驗可在相當程度上彌補核物理及其技術套用實驗教學上這方面的缺憾。通過虛擬仿真實驗從核放射基本原理出發建立虛擬實驗，讓學生在提供虛擬場景中，直觀的學習抽象的原理，自主操作實驗儀器完成實驗內容，遇到問題可反覆多次學習，完成教學目標，解決實際教學中安全風險大、原理不易理解的難題。

• 教學方法創新

該實驗項目採用“預習+演示+操作+報告”教學模式設計，以學生為主體，體現自主開放互動性。項目在教學方式方法和開放運行等方面，既可以利用仿真實驗在網上開設開放實驗滿足各種層次學生的求知需求，拓展視野，提高學生對實驗學習的興趣，營迨多元化的教學環境；同時也可以與真實實驗相結合實現“虛實結合”的兩段式教學；以安排學生先做仿真實驗，熟悉儀器操作和實驗過程後再上真實儀器上操作，以提高真實實驗的教學效果，縮短真實實驗的時間，提高設備利用率和安全性。

• 評價體系創新

該虛擬仿真實驗課程考核落實到實驗的預習、實驗操作、實驗報告3個環節中，通過預習報告、實驗操作、實驗報告評閱的方式開展考核，實驗的成績按照預習20%，操作40%，報告40%的方式組成。

• 對傳統教學的延伸與拓展

在教學內容上，可通過虛擬仿真實驗拓展學生的學習面，掌握核物理實驗的安全規範。在教學方式方法和開放運行等方面，既可以利用仿寘實驗在網上開設開放實驗滿足各種層次學生的求知需求，拓展視野，提高學生對實驗學習的興趣，也可以與真實實驗相結合實現兩段式教學，可以安排學生先做仿真實驗，熟悉儀器操作和實驗過程後再上真實儀器上操作，以提高真實實驗的教學效果，縮短真實實驗的時間，提高安全性。

教學計畫

面向高校

該實驗課程教學推廣從重慶其他相關院校入手，輻射西南地區，通過線上共享資源方式，推廣教學內容，在全中國高校范圈內服務更多學生。

面向社會

該實驗項目被認定後，面向社會免費開放，主要面向核物理、粒子物理及核工程相關行業社會機構，並提供相關教學培訓服務，項目配套的教學資源可用於核物理有關方面實驗室安全防護和管理的社會培訓。

教學目標

通過實驗學習原子核衰變統計規律，了解計數管的結構和工作原理，掌握核物理實驗常用測量儀器的使用方法；通過實驗設計與操作研究材料物質對β射線的吸收規律，幫助理解核性質、核參數、核輻射防護、核技術套用及其材料等專業知識。

教學要點

• 教學方法

使用目的	該虛擬仿真實驗項目採用3D仿真、動畫、數學建模、組件開發等技術重構核物理實驗環境，徹底解除教學中的核輻射安全隱患，實驗項目通過線上開放共享，為廣大師生提供了一個安全方便的核物理實驗平台。實驗項目仿真操作與實際儀器操作步驟相間，模擬真實操作，對核物理及粒子物理相關實驗課程的教學有很好的幫助。學生可以隨時隨地自主預習、實驗操作及報告提交，同時通過線上教學討論方便學生開展學習互動和交流。
實施過程	實驗預習：學生通過仿真平台線上預習實驗理論知識，在理論學習環節中，通過線上實驗平台學生可方便利用實驗原理、實驗內容、實驗操作演示視頻、核安全教育動畫視頻等車富學習資源進行理論學習或預習，該環節中也可以通過線上討論向教師提問交流，教師也可以通過平台檢查學生預習情況。 實驗演示：學生通過仿真平台，進入學習實驗演示操作視頻，了解實驗要點，演示視頻對學生有疑問的地方均有重點講解。 實驗操作：學生進行實驗操作，根據實驗內容要求完成操作內容並記錄數據。 實驗報告：在完成實驗操作後，根據記錄的數據進行處理，就可以完成實驗報告並提交。教師可以通過實驗報告檢查學生實驗情況。教師對學生的操作情況通過線上互動將容易犯錯的問題做重點提示，學生可以根據操作中遇到的具體問題個別提問。
實施效果	該實驗項目上線以來，首先在重慶大學本校開展了實驗教學，之後對其它高校及社會進行了適當開放，截至2021年6月，服務重慶大學本校學生360餘名，服務校外學生超過800名。該實驗項目教學環節的完整設計，始終貫徹以教師為主導，以學生為主體，以問題為導向，著重培養學生的自學能力、觀察實踐能力及創新意識。採用虛擬放射源取代真實放射源，實現了安全無輻射的核放射實驗並方便有效共享。通過多年教學探索及實踐，在該實驗教學中採用“預習+演示+操作+報告”教學模式，取得了一定的教學效果。

（註：表格內容參考資料）

學習預備

知識能力

學生需掌握普通物理實驗、原子物理等相關知識。

實驗材料

虛擬電離隔離箱、放射源、鋁片盒及鋁片（10片）。

鋁片：長6.5cm，寬5.0cm，質量558mg。

儀器設備

硬體：計算機及網路；

軟體：虛擬G-M計數管實驗裝置，包括：自動定標器、計數管等。

虛擬G-M計數管實驗裝置

運行條件

（註：表格內容參考資料）

考核標準

（1）做好實驗操作前的預習，完成資料的學習。根據提問等環節教師給出預習分，占實驗分的20%；

（2）實驗中完成實驗各個步驟，做好實驗數據的記錄。教師依據實驗操作表現及數據結果，給出實驗操作分，占實驗分的40%；

（3）學生提交實驗報告表，教師給出報告分，占實驗分的40%。

（4）實驗分低於60分者，需要提交申請，補做實驗。

教師簡介

劉安平，重慶大學物理學院套用物理系副教授、博士生導師、環境物理研究所副所長、重慶市污染場地治理修復技術研究中心副主任。

韓忠，重慶大學物理學院黨委書記、教授，主持學院黨委全面工作。

何光宏，中共黨員，重慶大學物理國家級實驗教學示範中心主任支部書記。

楊東俠，重慶大學物理學院實驗技術人員。

張選梅，重慶大學物理學院講師、工程師、實驗師。

洪顯峰，科大奧銳工程師。

趙彥閣，科大奧銳工程師。