一种核电子学实验教学仪器及其实验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及实验教学领域，具体地，涉及一种用于核电子学实验教学的仪器及其实验方法。
【背景技术】
[0002]核电子学是在核辐射探测技术和电子技术基础上发展起来的一门交叉学科。核电子学作为一门应用科学，要求学生不仅掌握基本核电子学电路的工作原理，还要能够正确使用，甚至自主设计开发，因此针对学生的实践训练就显得尤为重要。另一方面，随着近十年国内核电的快速发展及核技术的民用化，国家需要大批掌握核技术的人才，因此近几年全国多个高校陆续开办核专业本科教学，开办核专业的高校从最初的不到十所增长到了五十余所。同时由于核电子学实验课程是核专业学生培养中不可分割的一部分，越来越多的高校开始建设核电子学实验课程。
[0003]目前，高校的核电子学实验教学主要使用传统NM插件，然而这种基于NM标准(二十世纪六十年代由美国原子能委员会核仪器插件标准委员会制订)的NIM插件是为核领域的科学研宄所开发的仪器。将NIM插件直接用于核电子学实验教学存在很多问题:基于NIM机箱的NIM插件平台过于笨重，而且所有电路全部封装在金属盒子里，不方便进行电路的信号测试；传输接口太慢，不能满足高速数据传输；直流电源标准不适应常用芯片供电要求，需要做电源转换；实验数据需传输到PC机上才能进行数据处理和结果显示，等等。因此开发一套专门用于核电子学实验教学的仪器对于新时期核专业人才的培养就显得尤为重要。
[0004]同时，由于NIM插件用于核电子学实验教学的诸多不便，因此以往大多数高校制定的核电子学实验内容往往都局限于电路性能测试和实验结果的数据处理，缺少电路工作原理测试这项最基本的内容。造成学生只知其然却不知其所以然。所以必须要设计出一套更加系统的核电子学实验课程，来引导学生理解核电子学能做什么，怎么做，为什么要这样做。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于，提供一种适用于高校核电子学实验教学的仪器，以实验教学方式带动学生深入自学和扩展实践的目的，激发学生对核电子学的学习兴趣，使得学生在实验中逐步加深对核电子学的理解。
[0006]本发明采用以下方案实现:一种核电子学实验教学仪器，包括一个母板实验箱和多个子板实验模块。其特征在于:所述母板实验箱设置有供电单元和可扩展实验平台；所述多个子板实验模块包括前置放大器实验模块、主放大器实验模块、单道实验模块、多道实验模块、定时实验模块、时数转换实验模块、符合反符合实验模块、计数器实验模块、堆积判弃实验模块和数据传输实验模块；
所述供电单元为220V转-12V、-5V、+3.3V、+5V和+12V的开关电源，为可扩展实验平台供电；
所述可扩展实验平台包括电源单元、液晶屏显示单元、子板安装接口单元、数据传输单元和总线单元。
[0007]在本发明一实施例中，所述电源单元从供电单元取电，采用限流保险丝进行短路保护，采用LED灯进行供电状态显示。
[0008]在本发明一实施例中，所述液晶屏显示单元为192X64 IXD液晶显示屏。
[0009]在本发明一实施例中，所述子板安装接口单元包含两组(4个)32位板对板连接器和6个64位板对板连接器。
[0010]在本发明一实施例中，所述数据传输单元包含USB接口、网络接口、RS232接口以及这三种传输接口的控制芯片。
[0011]在本发明一实施例中，所述总线单元包含32位数据总线和控制FPGA。
[0012]在本发明一实施例中，所述主放大器实验模块包含极性转换电路、微分电路、极零相消电路、三级无源积分电路和基线自动恢复电路。
[0013]在本发明一实施例中，所述定时实验模块包含过阈定时电路、过零定时电路和恒比定时电路。
[0014]在本发明一实施例中，所述时数转换实验模块采用TDC-GP2高精度时数转换芯片。
[0015]本发明另一目的是提供一种上述核电子学实验仪器的实验方法，其特征在于:包括实验设计方式和实验实施样例；
所述的实验设计方式包括如下:
基础实验:通过测试单一子板实验模块的电路功能，掌握子板实验模块的电路原理、功能和主要性能指标;
综合实验:通过将多个子板实验模块组合在一起，搭建具有特定功能的测量系统并完成系统的主要性能指标测试，掌握常用核信号测量系统的核电子学电路组成结构和信号处理流程；
设计实验:通过自主选择实验课题，自主选择子板实验模块搭建测量系统，完成课题的实验测量；培养学生自主分析测量需求、选择相应核电子学电路搭建测量系统，解决多种实际测量需求的能力；
所述实验实施样例主要包括:
基础实验包括前置放大器实验、主放大器实验、单道实验、多道实验、过零定时实验、符合反符合实验、计数器实验和堆积判弃实验；
综合实验包括搭建能谱测量系统、搭建时间测量系统和搭建符合反符合测量系统；设计实验包括137Cs放射源活度测量、6tlCo放射源γ能谱测量、中子活化半衰期测量、符合法测量22Na放射源活度。
【附图说明】
[0016]图1为母板实验箱内电路板的俯视图。
[0017]图2为图1所示电路板的主视图。
[0018]图3为图1所示电路板的仰视图。
[0019]图4为母板实验箱的俯视图。
[0020]图5为图4所示母板实验箱的左视图。
[0021 ]图6为前置放大器实验模块结构框图。
[0022]图7为前置放大器实验模块简化电路原理图。
[0023]图8为多道实验模块简化电路原理图。
[0024]图9为能谱测量系统的结构框图。
[0025]附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
【具体实施方式】
[0026]为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细的说明。
[0027]在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的【具体实施方式】的限制。
[0028]本发明实施例提供了一种核电子学实验教学仪器:包括一个母板实验箱和多个子板实验模块。母板实验箱包括供电单元和可扩展实验平台；子板实验模块包括前置放大器实验模块、主放大器实验模块、单道实验模块、多道实验模块、定时实验模块、时数转换实验模块、符合反符合实验模块、计数器实验模块、堆积判弃实验模块和数据传输实验模块。主放大器实验模块包含极性转换电路、微分电路、极零相消电路、三级无源积分电路和基线自动恢复电路；定时实验模块包含过阈定时电路、过零定时电路和恒比定时电路；时数转换实验模块采用TDC-GP2高精度时数转换芯片；供电单元主要包括220V转_12V、_5V、+3.3V、+5V和+12V的开关电源及控制开关；可扩展实验平台包括有:电源单元，包括保险丝和LED灯。192X64 IXD液晶屏显示单元。子板安装接口单元，包括两组(4个)32位板对板连接器和6个64位板对板连接器。数据传输单元，包括USB接口、网络接口和RS232接口以及这三种传输接口的控制芯片。总线单元，包括32位数据总线和控制FPGA。
[0029]供电单元，通过多层变压、稳压、整流和滤波电路，把家用电转化为可扩展实验平台所需要的-12V、-5V、+3.3V、+5V和+12V等多种形式电源，满足多种实验条件要求。
[0030]可扩展实验平台，包括一块集成各单元安装接口的电路板(I )，电路板(I)上安装有保险丝(2)和LED灯(3)，电源通过保险丝(2)和LED灯(3)引入电路板(I)。由于采用了描述电源状态的LED灯(3)，学生可以时刻知晓电路的电源供应状态，避免因电源供应不正常而影响实验正常完成。同时采用保险丝(2)，降低实验危险性，保护学生安全。
[0031 ] 电路板(I)上同时安装有液晶显示屏(4 )、两组(4个)32位板对板连接器(5 )和6个64位板对板连接器(6)、32位数据总线(7)和控制FPGA。32位数据总线(7)通过PCB走线将两组32位板对板连接器(5)和6个64位板对板连接器(6)串联在一起，安装在板对板连接器上的子板实验模块可通过32位数据总线(7)实现相互数据传输，同时控制FPGA控制32位数据总线(7)的数据传输并连接到液晶显示屏(4)控制其显示。子板实验模块的实验结果可通过液晶显示屏(4)显示，方便学生观察，同时减少了一些不必要的实验操作。
[0032]电路板上还安装有USB接口(8)、网络接口(9)、RS232接口( 10)和这三种传输接口的控制芯片，控制FPGA连接到USB接口(8)、网络接口(9)和RS232接口(10)的控制芯片，向其发送和从其接收数据。
[0033]母板实验箱包括箱体(11)和箱盖(12)。箱盖(12)盖住箱体(11)时位于箱体(11)上表面，箱体(11)左侧面开有一固定形状的通孔(13)，用于放置控制开关，且控制开关正面相对箱体(11)左侧面朝外。开关电源固定在实验箱内(14)处，通过导线与控制开关连接。箱内有一与箱体(11)左侧面平行的立板(15)，箱体(11)上表面靠近后壁一侧有一柔韧性好的金属条(16)，箱体(11)正面有一把手。可扩展实验平台固定在箱体(11)上表面金属条与立板、箱体后壁与箱体前壁之间，通过导线与开关电源连接。
[0034]本发明实施例，可通过以下三种实验方法来充分体现该核电子学实验教学仪器的实验方法:基础实验、综合实验、设计实验。具体设计的典型实验包括有:基础实验包括前置放大器实验、主放大器实验、单道实验、多道实验、过零定时实验、符合反符合实验、计数器实验和堆积判弃实验；综合实验包括搭建能谱测量系统、搭建时间测量系统和搭建符合反符合测量系统；设计实验包括137Cs放射源活度测量、6tlCo放射源γ能谱测量、中子活化半衰期测量、符合法测量22Na放射源活度。
[0035]为使基于核电子学实验教学仪器的实验方法更通俗易懂，下面给出部分具体的典型实验的实验方法。
[0036]实验一:基础实验-前置放大器实验
实验目的:1、掌握电荷灵敏前置放大器的功能和应用；
2、了解电荷灵敏前置放大器的原理；
3、了解电荷灵敏前置放大器的性能指标。