《核电子学》虚拟技术教学探索——以西南科技大学为例

□吴军龙 李全伟

一、引言

《核电子学》是为核工程与核技术、辐射防护与核安全开设的一门重要专业课。开课院校包括清华大学、中国科技大学、成都理工大学、哈尔滨工程大学，南华大学等涉核高校若干所。根据核工程与核技术教育指导委员会《核工程与核技术》培养大纲，涉及知识点68 个。国外最新相关著作《Nuclear Electronics -Superconducting Detectors and Processing Techniques》Vladimir Polushkin，High Wycombe，UK 除经典内容外，还包括部分超导理论，内容较深，对基础要求较高，不适合西南科技大学情况，仅能做参考资料。西南科技大学采用的教材是1995年由中国科技科大学、复旦大学、北京大学、南京大学联合编写的《核电子学技术原理》(主编王芝英)经典教材，也是目前一些其他院校的统一教材，虽然也有一些问题，但无合适的替代教材，故一直沿用。

二、核电子学教学中存在的诸多问题

(一)宏观与微观一致性问题。本课程主要讲探测输出的信号处理技术。涉及前置放大器、主放大器、多道幅度分析、能谱处理等内容。一方面宏观上要讲清楚核仪器系统的工作原理。另一方面微观上对一些关键问题，如零级相消除(Z/P)技术，脉冲成型技术(CR -RCm)等，从基本理论到电路进行细致深入的探讨。目前很多学校集中宏观原理的学习，部分学校仅做单元电路的实现，而将两者结合做到系统级仿真却基本没有，究其原因部分内容较深，综合程度较高，很难把握，需要知识较为全面。

(二)内容陈旧过时，无法适应课程改要求。根据MIT 要求:任何一门专业课的理论学习学时不能超过20 学时的趋势，未来的学习方向必然是时间要短，内容要深。而由于技术发展，部分内容古老，一些内容讲授啰嗦。如探测等效电路实质上可以等效成基本RC 滤波电路，没必要单独讲授，其性质及公式可以与RC 共同讨论。弹道亏损等概念，实质上是由于出入的脉冲信号有一定宽度造成的，按目前的《信号与系统理论》，用冲激信号替代就不存在此问题。滤波成型电路，偏重时域上的讨论，缺少频域上的分析，有些问题频域分析可以使复杂问题简单化。定时时间分析中几乎所有教材都用线性前沿分析为例，尽管简单，但基本不存在，不如用指数上升沿的类似核信号为列，讲授更容易理解，也更贴近实际情况。核信号最新处理方式(特殊的数字化处理)并无涉及应该及时补充进去。

三、虚拟技术在核电子学中的应用

(一)虚拟技术简介。在计算机技术中，虚拟化(Virtualization)是将计算机物理资源如服务器、网络、内存及存储等予以抽象、转换后呈现出来，使用户可以比原本的组态以更好的方式来应用这些资源。这些资源的新虚拟部份是不受现有资源的架设方式，地域或物理组态所限制。一般所指的虚拟化资源包括计算能力和数据存储。课程改革中所提虚拟主要只针对核电子学使用软件-NI Multisim 电路仿真软件，ADS 电路仿真软件，Matlable simulink 软件的仿真情况。通过不同仿真软件的组合使用，使得不论从核仪器系统的观点，还是单元电路的观点，对知识点进行深入学习很有帮助，实现细节深入理解与宏观工程把握相统一。

(二)具体分析。

1．探测器的等效问题。三类核探测器输出信号总可以等效成一个电流源与电阻的并联形式。使得探测器信号近似冲击脉冲或小时间常数指数下降形式。针对上述形式，利用NI Multism 技术可以很好地实现，如图1所示。仿真不同探测器输出信号波形、频率、幅度及占空比等，这些参数都可以实现调节。使得等效电路伏安关系更加逼真探测器实际输时域波形。

图1 探测器输出等效电路及仿真结果

2．前置放大器等效问题。处理核信号的前置放大器主要分三类。电压灵敏前置、电流灵敏前置放大器和电荷灵敏前置放大器。前两种与模拟电子学中基本放大器电路相同，这里不详细讨论。电荷灵敏前置放大器是一种结构较特殊的放大器，功能是使得出入电荷量Q 与其输出电压峰值成正比，该电路另一个特点是，根据MILER 效应，具有较大的输出电容。其主要由三部分组成放大节，反馈电阻，反馈电容，如图2所示，前置放大器电路及仿真结果。利用NI Multism 可以容易的实现。

图2 前置放大器电路及仿真结果

3．主放大器的等效问题。主放大器主要由:CR - RCm(通常m=4)滤波电路及放大节组成。放大节由同相或者反相放大电路构成。要求放大器有较宽的频带。可认为是一个增益可调宽频带放大器，CR =RC 时间常数主要是改变输出信号波形，这个参数有时候也称为成形时间常数。通过合理调节此参数使得输出波形为准高斯状，达到最大信噪比。利用NI Multisim 可很容易的实现上述电路:如图3所示，主放大器电路及仿真结果。

图3 主放大器电路及仿真结果

4．多道幅度分析器的设计与实现。原则上多道幅度分析器NI Multisim 仿真软件也可以实现，只是原理图太复杂，特别是道数较多时候，用运放搭建很多比较器并联再加上由门电路搭建计数器串联实现。

图4 基于Matlable 的核仪器系统实现

这部分工作可以利用Matlable Simulink 轻松实现。如图4所示，基于Matlable 的核仪器系统实现。

四、虚拟技术实施过程效果评估

核电子学是一门实践性很强的课程，制作实物耗费太大、周期时间长，不符合目前的教育趋势。虚拟仿真技术的使用，一方面可以节约时间、经费，另一方面可以提高学生学习兴趣，增强学生自主学习兴趣和创新能力。从2008 级国防核专业(核工程与核技术、辐射防护与核安全)学生开始，有针对性地实施虚拟技术，图5表示，该技术应用后，核专业学生考试通过率、优秀率历年变化情况。

图5 核专业学生考试通过率优秀率历年变化情况

由图5可知:从2006年到2007年，考试通过率有稳步提高。从2006年的70%左右，提高到2010年的85%左右，特别是2008年以后，通过虚拟技术的使用，通过率超过80%，与前一年比有接近10% 的提高。于此同时，从2006年到2007年，优秀率也有稳步提高，从2006年的40%左右，提高到2010年的70%左右，特别是2008年以后，通过虚拟技术的使用，优秀率超过70%，与前一年比有接近15%的提高(从2006年到2007年，部分原因是教师从新上课、上新课到上老课，内容逐渐熟悉，也对通过率和优秀率有贡献)。

五、结语

《核电子学》这门课程内容涉及面广而深，是一门较难掌握的专业课。虚拟技术的利用一方面使得晦涩难懂的公式得以形象化理解，增加了同学们的学习兴趣;另一方面使得课程的改革得以进行。通过虚拟技术的利用，希望对其它课程的改革起到抛砖引玉的作用。

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