一种用于仿真核辐射实验的系统的制作方法

一种用于仿真核辐射实验的系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于仿真核辐射实验的系统，该系统包括基座，以及设置于所述基座之上的发射单元及探测单元；所述发射单元包括用于产生光/电的可更换发射组件；所述探测单元包括用于探测所述光/电磁波的光电传感器及依据所述光/电磁波执行预设的模拟运算的探测控制单元。实施本发明的有益效果是，该系统可仿真多种核辐射现象，包括同位素半衰期、随机放射、平方反比定律、射线强度在物质中的指数衰减、识别不同种类的辐射、及其他核辐射现象，从而安全方便地进行核辐射教学实验。此外，本也可用于测量和演示从一般光源发出的电磁波的各种性质。
【专利说明】
一种用于仿真核辐射实验的系统
技术领域
[0001] 本发明涉及核辐射模拟领域，特别是一种以光或电磁信号代替核辐射的仿真核辐 射实验系统。
【背景技术】
[0002] 核辐射是一种有广泛应用的基本物理现象。是很多理工科目（如核物理学、放射 治疗学等）的重要内容。目前，大多数核辐射物理实验还采用放射性同位素作为辐射源，进 行起来十分不便。因为
[0003] 1)机构须经很繁琐的程序才可获批准在教学或训练中使用放射性同位素；
[0004] 2)放射同位素的购买、贮存、室外运输、停用后的处理都受严格程序规管；
[0005] 3)负责处理放射性同位素的人员须经训练和定期检查身体；
[0006] 4)若遗失放射性物质，有关场地须被封闭起来进行搜索；
[0007] 5)参与实验的人难免会受到某程度的辐射，惟吸收的剂量常远低于规定的上限；
[0008] 6)当重大核事故发生期间，公众会对核辐射产生恐惧，令教师、技术人员、学生和 家长在心理上更抗拒在学校参与和进行核辐射实验。
[0009] 随着核能的大量使用和放射医疗技术日益普及，为了让更多人能获得核辐射的基 本常识，减少不必要的疑虑和恐慌，有需要向社会大众，包括非理科生、中学和小学生等，推 广核辐射教育。基于上述困难，有必要革新目前的核辐射实验方法。如何令实验更安全、简 易、有趣味、和适合未来实验技术的需要就成为新的发展方向。
[0010] 其中一个发展方向是利用仿真实验来模拟辐射现象，以减少使用放射性同位素所 引起的不便和危险。仿真技术已用于很多高成本或危险的活动和工序，如模拟驾驶、爆破实 验等，但还是比较少用于教学上。故可考虑把同样的概念和技术引入到新的核辐射教学实 验设计里。
[0011] 另一个发展方向是用遥控技术来进行核辐射实验，可令实验人员远离放射源以减 低所接受的辐射剂量。遥控技术已广泛用于医疗监控、机械挖掘，爆炸测试，户外环境监测 等领域。加上各种无线通信产品（如手机，iPad，Tablet等）、无线数据传输技术（如WiFi、 GPRS、蓝牙）、应用程序（Apps)等的涌现，更有利于实现无线遥控、数据传输和联网、实时数 据监测和反馈等，极符合现代年青人使用科技产品的惯性。目前由计算机控制机器运作的 模式很可能会被无线遥控技术所取代。在网上已能找到不少简单的应用实例。但无线遥控 还是较少用于一般教学。即使著名的教学仪器公司的产品也多以有线控制技术为主。故可 考虑把无线遥控的概念和技术引入到新的核辐射教学实验设计里。

【发明内容】

[0012] 本发明要解决的技术问题在于，针对上述进行核辐射实验的困难，提供一种用于 仿真核辐射实验的系统，该系统采用具有遥控机制和有线/无线数据处理机制的仪器设 计，用来仿真各种核辐射现象。
[0013] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于仿真核辐射实验的系 统，该系统包括基座，以及设置于所述基座之上的发射单元及探测单元；
[0014] 所述发射单元包括用于产生光/电磁波以仿真所述核辐射实验的发射控制单元 及用于发射所述光/电磁波的可更换发射组件；所述探测单元包括用于探测所述光/电磁 波的光电传感器及依据所述光/电磁波执行预设的模拟运算的探测控制单元。
[0015] 在本发明所述的系统中，所述基座包括用于测量所述发射单元及所述探测单元的 长度及距离的量尺。
[0016] 在本发明所述的系统中，所述光/电磁波包括连续光/电磁波、光/电磁脉冲。
[0017] 在本发明所述的系统中，所述可更换发射组件还包含充放电路，其中，以所述充放 电路或以所述发射控制单元或探测控制单元内含预设的函数程序驱动所述可更换发射组 件，从而产生强度成指数衰减的所述光/电磁波，以模拟短半衰期同位素的放射强度。
[0018] 在本发明所述的系统中，所述系统还包括用于吸收光/电磁波的吸收装置，所述 吸收装置设置于所述可更换发射组件与所述光电传感器之间。
[0019] 在本发明所述的系统中，所述吸收装置为中性密度滤光片，所述中性密度滤光片 使所述光/电磁波减弱到一预设的强度值。
[0020] 在本发明所述的系统中，所述吸收装置为滤光片组，所述滤光片组用于滤除所述 光/电磁波中对应波长的光/电磁波。
[0021] 在本发明所述的系统中，所述发射控制单元用于调制所述光/电磁波的信号强度 或信号频率，以使其呈现电离辐射的随机强度起伏的现象，从而仿真所述核辐射实验。
[0022] 在本发明所述的系统中，所述核辐射实验为模拟同位素半衰期实验，所述同位素 半衰期实验为按衰变机率或衰变概率分布函数逐次定出每单位时间衰变的原子核数，并从 尚未衰变的原子核数里逐次扣除；其中，所述计算方法用于包括二项式分布、泊松分布及正 态分布的概率分布函数。
[0023] 在本发明所述的系统中，所述计算方法还包括从预设的数域中随机均匀地抽取自 变量，并将其代入相应的非线性数学函数，从而获得所需的统计特性的函数值，用以模拟所 述核辐射的随机变化强度值。
[0024] 在本发明所述的系统中，所述发射控制单元还用于按半衰期计算平均光/电磁波 信号强度、或光/电磁波脉冲频率、或粒子放射速率，并引入所述信号强度或所述信号频率 以进行随机起伏调制。
[0025] 在本发明所述的系统中，所述探测控制单元还用于模拟包括计数器的核辐射探测 器；其中，所述计数器的工作过程中采用所述光电传感器的响应曲线关系，并将探测所得的 光/电磁波信号转换成放射粒子计数率。
[0026] 在本发明所述的系统中，所述探测控制单元还用于按照不同次序执行多个预设的 模拟运算，所述多个模拟运算包括平均光/电磁波信号强度和信号频率、随机调制、随机背 景辐射计数率以及模拟总放射粒子计数率的计算。
[0027] 在本发明所述的系统中，所述探测控制单元还用于导出所述随机背景辐射计数率 或所述模拟总放射粒子计数率。
[0028] 在本发明所述的系统中，在所述发射控制单元和所述探测控制单元中所作的计算 各自分开完成或合并在同一预设的运算部件中完成。
[0029] 在本发明所述的系统中，所述探测单元还包括显示设备、存储装置及网络接口；
[0030] 所述显示设备用于显示所述系统进行所述仿真核辐射实验所产生的数据；所述存 储装置用于存储所述数据；所述网络接口用于通过有线或无线数据传递方式把所述数据传 送到预设的计算机或预设的无线通信工具，再通过互联网传送至预设的远程服务器。
[0031] 在本发明所述的系统中，所述无线通信工具还用于遥控所述系统的功能，所述功 能包括：
[0032] 控制所述发射单元按半衰期计算平均光/电磁波信号强度、或光/电磁波脉冲频 率、或粒子放射速率，引入所述信号强度或所述信号频率以进行随机起伏调制，发射所述光 /电磁波；
[0033] 控制所述探测单元接收所述光/电磁波、进行所述多个模拟运算、显示所述数据、 并传送到所述计算机或所述无线通信工具。
[0034] 实施本发明的一种用于仿真核辐射实验的系统，具有以下有益效果：可模拟多种 核辐射现象，从而安全方便地进行核辐射教学实验；开创了一个崭新的核辐射实验教学法， 示范了如何使用模拟和遥控技术来进行有潜在危险的教学实验；促进了使用已普及的无线 通信产品来遥控仪器和实验；应用各种现代有线或无线信息处理技术来显示、储存、传递和 获取实验数据。此外，本系统也可用于测量和演示从一般光源发出的电磁波的各种性质，如 光强度随时间的变化和平方反比关系、荧光和磷光随时间的指数衰减、光束在介质中传播 时的衰减、和通过滤波片后消失等现象。
【附图说明】
[0035] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0036] 图1为本发明第一实施例提供的一种用于仿真核辐射实验的系统结构图；
[0037] 图2为本发明提供的发射单元的框图；
[0038] 图3为本发明提供的探测单元的框图；
[0039] 图4为本发明提供的一种用于仿真核辐射实验的系统的应用示意图；
[0040] 图5a为光/电磁波发射强度的概率分布函数图；
[0041 ] 图5b为单位时间内发放的光/电磁波脉冲数目的概率分布函数图；
[0042] 图5c为单位时间内衰变原子核数的概率分布函数；
[0043] 图6为本发明提供的光电传感器的响应曲线图；
[0044] 图7为本发明提供的模拟放射性同位素半衰期的测定的坐标图；
[0045] 图8为本发明提供的随机放射模拟实验中的不同粒子计数率出现的频率的关系 坐标图；
[0046] 图9为本发明提供的用于仿真核辐射试验的系统的一种运作流程图；
[0047] 图10为本发明提供的用于仿真核辐射实验的系统的另一种运作流程图；
[0048] 图11为本发明第二实施例提供的用于仿真核辐射实验的系统结构图；
[0049] 图12为放射线通过厚度为d的物质后的衰减示意图；
[0050] 图13为本发明第三实施例提供的用于仿真核辐射实验的系统结构图；
[0051] 图14为滤光片吸收放射线的示意图。
【具体实施方式】
[0052] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明 本发明的【具体实施方式】。
[0053] 本发明是一套包含硬件、软件和计算法的系统，能仿真多种核辐射现象。本发明提 供的用于仿真核辐射实验的系统可以安全方便的进行核辐射教学实验。该系统可仿真多种 核辐射现象，包括同位素半衰期、随机放射、平方反比定律、射线强度在物质中的指数衰减、 识别不同种类的辐射、及其他核辐射现象。
[0054] 如图1所示，在本发明第一实施例提供的一种用于仿真核辐射实验的系统结构图 中，该系统包括基座1，以及设置于所述基座1之上的发射单元2及探测单元3 ;所述基座1 包括用于测量所述发射单元2及所述探测单元3的长度及距离的量尺11。
[0055] 所述发射单元2包括用于产生光/电磁波以仿真所述核辐射实验的发射控制单元 21及用于发射所述光/电磁波的可更换发射组件22 ;所述探测单元3包括用于探测所述光 /电磁波的光电传感器32及依据所述光/电磁波执行预设的模拟运算的探测控制单元31。 其中，所述光/电磁波包括连续光/电磁波、光/电磁脉冲。
[0056] 图2为本发明提供的发射单元的框图，如图2所示，发射控制单元21包括第一无 线收发器、第一微处理器、第一电源、以及接口电路。该第一微处理器发出信号到界面电路， 驱动可更换发射组件22发出连续光/电磁波或者光/电磁波脉冲，并以连续光/电磁波的 强度或者光/电磁波脉冲的频率来模拟电离辐射的强度。
[0057] 可更换发射组件可更换发射组件图3为本发明提供的探测单元的框图，如图3所 示，所述探测控制单元31包括第二无线收发器、信号界面电路、第二微处理器、发声组件、 I/O电路、以及第二电源。光电传感器32用于模拟辐射探测器，以接收光/电磁波的辐射 信号，再产生电压或电流信号，电压或电流信号被传送至探测控制单元31中的信号接口电 路，再到第二微处理器，第一微处理器与第二微处理器电性连接以协同调制信号，使发射单 元2产生有如真是放射线强度的随机起伏。
[0058] 第二微处理器把经调制的信号，即连续光/电磁波的强度、或者光/电磁波脉冲的 频率，换算为放射粒子计数率；第二微处理器再利用随机数制造一模拟背景辐射信号，将其 加入至放射粒子计数率中，得出模拟总放射粒子计数率。
[0059] 第二微处理器按照模拟总放射粒子计数率驱动发声组件发出如辐射探测器所发 出的响声，从而达到模拟探测器的效果。
[0060] 所述计算方法可全部在第一微处理器或第二微处理器完成，其还包括使用投影函 数，把从某数域中均匀地抽取的随机数值，非线线性地投射到另一函数域，使产生的函数值 具有所需的统计分布。再把这些函数值投射到另一个域，使最后的投射值具有与所述仿真 辐射强度值具有相同的平均值和标准差值。具体为，采用Box-Muller变换，在（0，1)的线 性平面域中均匀随机抽样，透过Box-Muller变换，获得呈现正态分布的随机数值，用来模 拟具有正态分布的随机变化的核辐射强度值等，其中，Box-Muller变换是一种产生随机数 的方法。
[0061] 或者，所述计算方法可分开、全部或局部在所述发射控制单元或探测控制单元完 成。
[0062] 在图3中，所述探测单元3还包括显示设备33、存储装置34及网络接口 35 ;所述 显示设备33用于显示所述系统进行所述仿真核辐射实验所产生的数据；所述存储装置34 用于存储所述数据；其中，所述显示设备33可以与探测单元为一体，也可以独立存在；所述 存储装置34可以是快闪存储器。
[0063] 其中，对于背景和模拟总放射粒子计数率的获得，可基于可更换的光/电磁波可 更换发射组件发射光/电磁波信号产生了模拟放射粒子计数率。为了加入真实的核辐射实 验中背景辐射的影响，可在程序中利用随机数函数，以每秒几次的频率随机插入。加入背景 辐射引起的计数率称为模拟总放射粒子计数率。模拟总放射粒子计数率的信号流向为，模 拟总放射粒子计数率的数据可被送到I/O电路，再送到显示器或快闪贮存器。所显示的数 据可以较慢的速度（如每秒平均1次）更新。但放射性粒子计数率和发声频率可能以较快 的速度（如每20毫秒1次）更新。模拟总放射粒子计数率的数据可经I/O电路和无线收 发器，利用各种有线（USB等）和无线数据传递（如射频、Arduino、WiFi、GPRS等）技术送 到各种终端设备，如计算机、无线通信工具（手机、平板计算机等）、互联网、云端服务器或 其他服务器等。
[0064] 图4为本发明提供的一种用于仿真核辐射实验的系统的应用示意图，如图4所示， 所述网络接口 35用于通过有线或无线数据传递方式把所述数据传送到预设的计算机5或 预设的无线通信工具6,再通过互联网传送至预设的远程服务器。所述网络接口 35可以是 无线或有线的接口。计算机5可以是电算机或者电脑，无线通信工具6可以是手机或平板 电脑等，最终再传送至互联网，从而发送至远程服务器中。远程服务器可以是云端服务器， 也可以是预先构建的数据网络服务器。该网络接口 35还可以直接通过无线连接将数据传 送至远程服务器。
[0065] 同时，无线通信工具6还可以通过第一无线收发器及第二无线收发器遥控所述发 射单元2及所述探测单元3工作，以达到实践遥控机械运作，处理数据和进行教学实验的目 的。其中，所述无线通信工具6遥控所述系统的功能包括：
[0066] 1、控制所述发射单元2按半衰期计算平均光/电磁波信号强度、或光/电磁波脉 冲频率、或粒子放射速率，引入所述信号强度或所述信号频率以进行随机起伏调制，发射所 述光/电磁波；
[0067] 2、控制所述探测单元3接收所述光/电磁波、进行所述多个模拟运算、显示所述数 据、并传送到所述计算机5或所述无线通信工具6。
[0068] 优选的，无线通信工具6还可以控制系统开关、设定可更换的光/电磁波可更换发 射组件工作参量和输出信号的形式、计算程序的运作、数据的收发、在无线通信工具6上画 图并显示。
[0069] 本发明所展示的遥控功能可扩展至用于遥控具危险的教学实验、工程操作，和代 替计算机来操作机械。
[0070] 该系统还通过于第一微处理器及第二微处理器内植入相应的软件以实现仿真核 辐射实验的功能，功能包括：
[0071] 1、导出随机调制信号；
[0072] 2、转换经调制后的信号成为放射性粒子计数率；
[0073] 3、产生随机背景辐射计数率而得出模拟总放射性粒子计数率。
[0074] 其中，上述功能均可由第二微处理器与第一微处理器协同完成，也可以由第二微 处理器完成输出及转换功能，第一微处理器完成产生模拟总放射性粒子计数率。
[0075] 对于随机调制信号的获取，可更换发射组件22的输出的随机调制可用如下或其 他不同的方式产生：
[0076] 第一类的方法，是先设定模拟放射源最初有凡个未衰变的原子核数。单位时间内 每个未衰变的原子核发生衰变的机会率为P。在单位时间内按机率P对未衰变的原子核逐 一检查是否发生衰变，得出在此段时间内衰变的原子核数为-A N( > 0)。把此结果按比例 换算成为被发放的连续光/电磁波强度I :
[0077] I = CX (-ΔΝ) (式 1)
[0078] 其中C为一任一常数，而光/电磁波发射强度的概率分布函数如图5a所不。
[0079] 上述-Δ N的结果也可被换算成单位时间内发放的光/电磁波脉冲数Δ Μ :
[0080] ΔΜ = -ΔΝ (式 2)
[0081] 而单位时间内发放的光/电磁波脉冲数目的概率分布函数如图5b所示。式1和 式2的结果都会呈现如图5c所示的衰变原子核数的概率分布。
[0082] 可更换的光/电磁波可更换发射组件22被驱动而发出如（式1)或（式2)所示 的连续光/电磁波或光/电磁波脉冲。然后再把刚衰变的原子核数从尚未衰变的原子核数 扣除。在下一单位时间里，再重复上述随机检测和光/电磁波信号发放的步骤。将可看到 I或ΛΜ随时间下跌，并呈现如真实辐射的随机强度起伏。
[0083] 第二类的方法是利用放射性同位素衰变的概率分布函数（probabi 1 ity distribution function)引入随机起伏。描述核放射过程是二项式分布函数。如未衰变的 原子核数从初始值凡下降到N，此刻的概率分布函数可示意地表示成如图5c的样子。横轴 代表了下一单位时间内发放粒子的数目（即粒子计数率=-AN，当中_ΔΝ>0)。记-ΔΝ =η，而纵轴为出现某η值的机率，Ρ。则函数用如下的公式导出：
[0084]
[0085] 把图线相关范围的面积分成很多面积相同的小格，在此范围内随机抽取一点 U "，η")。如选点落在图线以下面积范围，则令ξ "的值重新被切定成为该小格中心 点所处的横坐标值。它也被切定成-A Ν的值。用（式1)和（式2)把-Δ Ν按比例化为I 或ΔΜ。如选点（ξ "，τι ")落在图线以上的面积范围内，此步则被放弃，并再重新进行另 一次随机选点的操作。每单位时间内应能成功完成一次选点，按所得的-A Ν值驱动可更换 的光/电磁波可更换发射组件发出强度为I的连续光/电磁波或△ Μ个光/电磁波脉冲。 接着把η( = -ΔΝ)从Ν个尚未衰变的原子核中扣除，再在下一单位时间里重复以上过程。 量得的I或AM将随时间下跌，并呈现如真实辐射的随机强度起伏。这统计规率比较适合 于当N值比较小（接近全部衰变时）、使得（式3)所示的数值比较容易计算时采用。
[0086] 当N值很大、但p值很小时，（式3)可用泊松分布来近似。
[0087]
[0088] <n>是某一时刻的平均粒子计数率，可切定为pN。把图线相关范围的面积分成很 多面积相同的小格，在此范围内随机抽取一点（ξ"，η")。如选点落在图线以下面积范 围，则令ξ "的值重新被切定成为该小格中心点所处的横坐标值。它也被切定成-AN的 值，并用（式1)和（式2)获得I或ΔΜ。如选点落在图线以上面积范围，此操作便被放 弃并重新抽取另一点。每单位时间内成功获取的I或AM被用作驱动可更换的光/电磁 波可更换发射组件，令其发出强度为I的连续光/电磁波或AM个光/电磁波脉冲，再把 n( = -AN)从N中扣除，然后重复以上步骤。I或ΔΜ随时间的值及随机起伏也可获得。
[0089] 当<η> = ρΝ >> 1时，（式4)可进一步变换成正态分布。
[0090]
[0091] 函数由每一时刻的<η> = ρΝ和ρ的值来确定。式中的〇是标准偏差，
[0092]
[0093] 当ρ << 1时，σ S此时函数可由ρΝ的值来确定。同上述一样重复进行 随机选点和光/电磁波信号发射过程，可获I或AM随时间的变化及其随机起伏。
[0094] I或ΔΜ于某一单位时间段内的值也可通过从某数域均匀随机取样所得的变量， 代入合适的变换关系来求得拥有所需的统计特征的函数值，进一步求得被模拟核辐射的随 机变化强度值。以下是用Box-Muller变换来获取呈现正态分布的随机数值以模拟具有正 态分布的随机变化核辐射强度值的一个例子。该方法是先在（〇，1)的区间内，均匀随机抽 取两个数字：R和Θ。然后令u和v等于：
[0095]
[0096] ^ .
[0097] 那么，u和v就会是0与1之间呈正态分布的随机乱数。利用u和v可得出某单 位时间内出现的粒子计数率η( = - ΔΝ)如下：
[0098]
[0099]
[0100] 把结果放进（式1)和（式2)，求得上述时间内连续光/电磁波强度，I = CX (-ΔΝ) = Cn，或发放的电磁波脉冲数ΔΜ = -ΔΝ = n。而采用该方法可使上述计算程 序比较简单。
[0101] 除了正态分布之外，也可以采用其他适合的变换关系，把从某线性数域中随机取 样所得的变量变换成呈现其他统计特征的函数值，并用结果来求取被模拟的核辐射随机变 化强度值。
[0102] 当采用泊松分布或正态分布函数时，也可用理论计算得出<η>随时间的变化。可 先设定一半衰期值Τ 1/2，从而算出ρ如下：
[0103] ρ = 1η ⑵/Τ1/2 (式 11)
[0104] ρ等于衰变常数，k。在任何一时刻尚未衰变的平均原子数<Ν>随时间的变化按指 数衰减公式来描述：
[0105] <N(t) > = N0exp(-kt) (式 12)
[0106] 或 <N(t)> = P^expl^-pt) (式 13)
[0107] N。是在初始时间的未衰变原子数。下一单位时间内平均衰变原子数：
[0108] <η> = <- Δ N> = p<N (t) > Δ t (式 14)
[0109] 可设Δ t为单位时间，等于1，则
[0110] <η> = <- Δ N> = p<N> (式 15)
[0111] 或 <n> =〈- Δ N> = p N〇exp (_kt) (式 16)
[0112] 如衰变概率服从正态分布，则任一时刻的概率分布函数由其中值<n> = p〈N> (式 15)和近似。并由公式（式1)、（式2)得出I和ΔΜ的平均值为
[0113] <I> = Cp N0exp(-kt) (式 17)
[0114] < Δ M> = p N0exp (~kt) (式 18)
[0115] 分别得出每单位时间内所发出的连续光/电磁波的平均强度，或每单位时间内所 发出的光/电磁波脉冲的平均计数率。
[0116] -个特殊情况是p极小，亦即半衰期T1/2极长时，<N>几乎不随时间而变，亦即 〈-Δ N>几乎不变。此时可把可更换的光/电磁波可更换发射组件22的驱动信号设定为常 数，令〈1>或<AM>的值维持在固定水平。最后，再采用随机选点的步骤来引入I或ΔΜ的 随机起伏，然后加到平均值〈1>或〈AM>去。
[0117] 对于模拟总放射粒子计数率的获得，每当实验透过光电传感器32来量度连续光 /电磁波强度I，从而获得模拟放射粒子计数率时，光电传感器32的输出，ζ (电流或电 压）一般并不与输入信号成线性关系。所以须用传感器32的响应曲线进行定标，以找出输 出-输入信号的转换关系。
[0118] 图6为本发明提供的光电传感器的响应曲线图，如图6所示，显示了输入连续光/ 电磁波强度与其输出电信号的关系。这曲线可从直接测量获得，也可从器件供货商取得。利 用这函数或反函数的关系，可进行I与ζ之间的正向或反向转换。
[0119] 本发明的又一实施例可用于同位素半衰期模拟实验：
[0120] 本实验的设置如图1所示。先选定被模拟放射性同位素的半衰期Τ1/2，其大小最好 令实验能在合理时间内（如一般的一课堂内）完成，比如说15分钟。并且选定初始光或电 磁信号强度值，〈1。>。它正比于初始未衰变原子数，凡。
[0121] 打开系统电源后，可更换的光/电磁波可更换发射组件开始发射光/电磁波信号 强度，〈1>，按时的变化如（式17)所示。〈1>正比于在该时刻的粒子放射速率，或放射粒子 计数率。再按正态概率分布函数加入随机调制。调制后的信号被测量，导出了有随机起伏 的总放射粒子计数率。教学时可令使用者（如学生）把背景影响扣除。再绘出放射粒子计 数率随时间的关系。用指数衰减方程拟合实验图线，从中取得k的最优拟合值，k*，再计算 半衰期的最优估算值T 1/2* = ln(2)/k*，并与原先设定值，T1/2，相比较。
[0122] 采用本实施例所述系统，选定被仿真放射性同位素的半衰期Τ1/2= 7分钟。光/电 磁波输出信号的平均强度值，〈1>，将随时间成指数形式下跌。经调制后输出强度呈现出随 机涨落，加强了模拟实验的真实感。扣除平均"背景辐射强度"后，光电传感器的输出被记 录，并被转换成放射粒子计数率。数据，ln〈I>，的对数值随时间的关系示于图7。图中可见 ln〈I>随时间呈现线性趋势下跌，并包含随机跳动。再用一直线拟合数据点后，得出k的最 优拟合值k* = 1. 633X 10 3/秒。而半衰期的最优估值为T1/2* = ln(2)/k* = 424. 6秒，近 似于设定值的7分钟。
[0123] 本发明的又一实施例还可以用于平方反比定律模拟实验：
[0124] 令可更换的光/电磁波可更换发射组件输出的光/电磁波信号有固定强度值， 〈1>，代表放射粒子平均计数率。再加入随机调制。教学时可令使用者（如学生）把可更换 的光/电磁波可更换发射组件与光电传感器之间的距离逐次改变，并记录光电传感器的输 出，扣除背景辐射的影响。信号总强度向各方向发散。在距可更换的光/电磁波可更换发 射组件为X的地方，光电传感器会测得光或电磁信号强度为
[0125]
(式 19)
[0126] 当中Const是一个比例常数。可令使用者画出〈1>对1/x2的变化，确认线性关系 后，再求取直线斜率来确定Const的数值。
[0127] 此外，本发明的另一实施例还可用于随机放射模拟实验：先假设被模拟放射同位 素的衰变过程服从正态分布。半衰期很长（P很小）、未衰变原子数（NJ很大，而pN>> 1。 令可更换的光/电磁波可更换发射组件输出的光/电磁波信号有固定强度值，〈1>，代表放 射粒子的平均计数率，pn。代表概率分布函数的标准偏差再把随机调制 加入到光/电磁波输出信号。系统记录仿真粒子计数率随时间的变化。教学时可令使用者 (如学生）把在不同时间所录得的粒子计数率画成频谱，再检查频谱是否符合正态统计规 率。
[0128] 采用本实施例所述系统，先假定被仿真的放射性同位素有一很长的半衰期，而且 ρΝ>>1。其放射强度的起伏依从正态分布函数。可令可更换的光/电磁波可更换发射组 件发出有固定强度值为〈1>的连续光/电磁波，代表十分稳定的放射粒子的平均计数率， PN。令^/^?代表概率分布函数的标准偏差#?'。上述正态分布函数已可确定。采用随 机选点过程把随机调制加入到光/电磁波输出强度上去。从光电传感器得到的数据点被绘 成如图8所示的频率图。数据点的分布符合正态统计规率，并显示随机起伏。
[0129] 图9为本发明提供的用于仿真核辐射试验的系统的一种运作流程图。它用在同位 素半衰期模拟实验的实施例中可作为一个特例。如图9所示，该流程主要包括以下步骤：
[0130] S101、在发射单元2中，按照尚未衰变的原子核数和半衰期，计算下一单位时间的 平均衰变的原子核数、或是将要发射的连续光/电磁波的平均强度值、或是将要发射的光/ 电磁波的平均脉冲数。
[0131] S102、在发射单元2中，按照放射概率分布函数，采取抽样的方法，确定随机起伏 调制信号，令平均衰变的原子核数、或是将要发射的连续光/电磁波的平均强度值、或是将 要发射的光/电磁波的平均脉冲数出现随机调制。
[0132] S103、在发射单元2中，发出经调制信号驱动光/电磁波发射元件发射连续光/电 磁波或光/电磁波脉冲。
[0133] S104、在探测单元3中，将光电传感器所接收到的信号换算成粒子计数率。
[0134] S105、在探测单元3中，产生随机背景辐射计数率。
[0135] S106、在探测单元3中，将随机背景辐射计数率插入到实验中以得到总放射粒子 计数率。
[0136] S107、在探测单元3的发声元件中，产生模拟探测器的响声。
[0137] S108、在发射单元2中，把已发放的原子核数（或连续光/电磁波强度、或光/电 磁波脉冲数）从尚未衰变的原子核数（或连续光/电磁波强度、或光/电磁波脉冲数）中 扣除。
[0138] 其中，步骤S108结束后还可以回到步骤S101。由于平均未衰变的原子核数可按指 数衰减函数如（式12)、（式13)等计算出来，而随机调制信号则可另行导出，然后才迭加到 平均值去。如此，步骤S108就可以省去。
[0139] 当模拟半衰期很长的放射性同位素衰变时，可令可更换的光/电磁波可更换发射 组件维持着一稳定输出。随机调制信号则另行导出后才迭加到此稳定值上去。步骤S108 就可以省去。
[0140] 上述步骤还可通过在单一个微处理器（即第一微处理器或第二微处理器中的任 一个）来实现。
[0141] 图10为本发明提供的用于仿真核辐射实验的系统的另一种运作流程图。它用在 又一实施例中作为一个特例。如图10所示，该实施例不同于图9所示的实施例之处在于采 用概率分布函数并采用抽样方法确定随机起伏调制信号的步骤在探测单元3中进行。该实 施例具体包括以下步骤：
[0142] S201、在发射单元2中，按照尚未衰变的原子核数和半衰期，计算下一单位时间的 平均衰变的原子核数、或是将要发射的连续光/电磁波的平均强度值、或是将要发射的光/ 电磁波的平均脉冲数。
[0143] S202、在发射单元2中，发出经调制信号驱动光/电磁波发射元件发射连续光/电 磁波或光/电磁波脉冲。
[0144] S203、在探测单元3中，将光电传感器所接收到的信号换算成粒子计数率。
[0145] S204、在探测单元3中，按照放射概率分布函数，采取抽样的方法，确定随机起伏 调制信号，令平均衰变的原子核数、或是将要发射的连续光/电磁波的平均强度值、或是将 要发射的光/电磁波的平均脉冲数出现随机调制。
[0146] S205、在探测单元3中，产生随机背景辐射计数率。
[0147] S206、在探测单元3中，将随机背景辐射计数率插入到实验中以得到总放射粒子 计数率。
[0148] S207、在探测单元3的发声元件中，产生模拟探测器的响声。
[0149] S208、在发射单元2中，把已发放的原子核数（或连续光/电磁波强度、或光/电 磁波脉冲数）从尚未衰变的原子核数（或连续光/电磁波强度、或光/电磁波脉冲数）中 扣除。
[0150] 如同位素半衰期模拟实验，步骤S208结束后还可以回到步骤S201。由于平均未衰 变的原子核数可按指数衰减函数如（式12)、（式13)等计算出来，而随机调制信号则可另 行导出，然后才迭加到平均值去。如此，步骤S208就可以省去。
[0151] 当模拟半衰期很长的放射性同位素衰变时，可令可更换的光/电磁波可更换发射 组件维持着一稳定输出。随机调制信号则另行导出后才迭加到此稳定值上去。步骤S208 就可以省去。
[0152] 上述步骤还可通过在第一微处理器及第二微处理器中实现。
[0153] 图11为本发明第二实施例提供的用于仿真核辐射实验的系统结构图，如图11所 示，该实施例不同于第一实施例之处在于，所述系统还包括用于吸收光/电磁波的吸收装 置4,所述吸收装置4设置于所述可更换发射组件22与所述光电传感器32之间。所述吸收 装置4为中性密度滤光片，所述中性密度滤光片使所述光/电磁波输出减弱到一预设的强 度值。
[0154] 该实施例可用于模拟放射线强度在物质中的指数衰减：
[0155] 中性密度滤光片令可更换的光/电磁波可更换发射组件输出的光/电磁波信号有 固定强度值，〈1>，代表放射粒子平均计数率。可再加入随机调制。教学时可令使用者逐次 改变中性密度滤光片的厚度d，并记录光电传感器的输出，〈1>，再扣除背景辐射的影响。理 论表明〈1>随d成指数关系下降
[0156] <I(d)> = IDe "d (式 20)
[0157] 如图12所示，使用者可画出ln(Io/〈I>)对d的变化，确认线性关系后，再求取直 线斜率来确定μ的数值。
[0158] 图13为本发明第三实施例提供的用于仿真核辐射实验的系统结构图，如图13所 示，该实施例不同于第二实施例之处在于吸收装置4为滤光片组，所述滤光片组用于滤除 所述光/电磁波中对应波长的光/电磁波。
[0159] 该实施例可用于模拟识别放射线种类实验：
[0160] 本实验的设置示于图13,在控制单元1内装上多种（一般三种）可更换的光/电 磁波可更换发射组件，各发出不同波长的电磁波，分别扮演α-，β-和γ射线。令每个可 更换的光/电磁波可更换发射组件输出有固定强度的光/电磁波信号，也可各自加入随机 调制。可更换的光/电磁波可更换发射组件与光电传感器之间可放入三种可过滤不同波段 的滤光片。3个滤光片的选择要配合各可更换发射组件的输出波段。它们分别扮演纸张，铝 片和铅片。做成的模拟效果是当插上"纸张"时可滤掉" α -射线"，当插上"铝片"时可滤掉 " α -和β -射线"，而当插上和"铅片"时可滤掉所有"射线"，如图14所示。教学时可点亮 不同组合的可更换光/电磁波可更换发射组件，令使用者插入不同的滤光片，从而识别放 射线里所含辐射的种类。
[0161] 上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体 实施方式，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员 在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多 形式，这些均属于本发明的保护之内。
【主权项】
1. 一种用于仿真核辐射实验的系统，其特征在于，该系统包括基座（1)，以及设置于所 述基座（1)之上的发射单元（2)及探测单元（3); 所述发射单元（2)包括用于产生光/电磁波以仿真所述核辐射实验的发射控制单元 (21)及用于发射所述光/电磁波的可更换发射组件（22);所述探测单元（3)包括用于探测 所述光/电磁波的光电传感器（32)及依据所述光/电磁波执行预设的模拟运算的探测控 制单元（31)。2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述基座（1)包括用于测量所述发射单元 (2)及所述探测单元（3)的长度及距离的量尺（11)。3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光/电磁波包括连续光/电磁波、光 /电磁脉冲。4. 根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述可更换发射组件（22)还包含充放电 路，其中，以所述充放电路或以所述发射控制单元（21)或探测控制单元（31)内含预设的函 数程序驱动所述可更换发射组件（22)，从而产生强度成指数衰减的所述光/电磁波，以模 拟短半衰期同位素的放射强度。5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括用于吸收光/电磁波的 吸收装置（4)，所述吸收装置（4)设置于所述可更换发射组件（22)与所述光电传感器（32) 之间。6. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述吸收装置（4)为中性密度滤光片，所 述中性密度滤光片使所述光/电磁波减弱到一预设的强度值。7. 根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述吸收装置（4)为滤光片组，所述滤光 片组用于滤除所述光/电磁波中对应波长的光/电磁波。8. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发射控制单元（21)用于调制所述光 /电磁波的信号强度或信号频率，以使其呈现电离辐射的随机强度起伏的现象，从而仿真所 述核辐射实验。9. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述核辐射实验为模拟同位素半衰期实 验，所述同位素半衰期实验为按衰变机率或衰变概率分布函数逐次定出每单位时间衰变的 原子核数，并从尚未衰变的原子核数里逐次扣除；其中，所述计算方法用于包括二项式分 布、泊松分布及正态分布的概率分布函数。10. 根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述计算方法还包括从预设的数域中随 机均匀地抽取自变量，并将其代入相应的非线性数学函数，从而获得所需的统计特性的函 数值，用以模拟所述核辐射的随机变化强度值。11. 根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述发射控制单元（21)还用于按半衰期 计算平均光/电磁波信号强度、或光/电磁波脉冲频率、或粒子放射速率，并引入所述信号 强度或所述信号频率以进行随机起伏调制。12. 根据权利要求11所述的系统，其特征在于，所述探测控制单元（31)还用于模拟包 括计数器的核辐射探测器；其中，所述计数器的工作过程中采用所述光电传感器（32)的响 应曲线关系，并将探测所得的光/电磁波信号转换成放射粒子计数率。13. 根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述探测控制单元（31)还用于按照不 同次序执行多个预设的模拟运算，所述多个模拟运算包括平均光/电磁波信号强度和信号 频率、随机调制、随机背景辐射计数率以及模拟总放射粒子计数率的计算。14. 根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述探测控制单元（31)还用于导出所 述随机背景辐射计数率或所述模拟总放射粒子计数率。15. 根据权利要求8-14任一项所述的系统，其特征在于，在所述发射控制单元（21)和 所述探测控制单元（31)中所作的计算各自分开完成或合并在同一预设的运算部件中完 成。16. 根据权利要求14所述的系统，其特征在于，所述探测单元（3)还包括显示设备 (33)、存储装置（34)及网络接口（35); 所述显示设备（33)用于显示所述系统进行所述仿真核辐射实验所产生的数据；所述 存储装置（34)用于存储所述数据；所述网络接口（35)用于通过有线或无线数据传递方式 把所述数据传送到预设的计算机（5)或预设的无线通信工具（6)，再通过互联网传送至预 设的远程服务器。17. 根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述无线通信工具（6)还用于遥控所述 系统的功能，所述功能包括： 控制所述发射单元（2)按半衰期计算平均光/电磁波信号强度、或光/电磁波脉冲频 率、或粒子放射速率，引入所述信号强度或所述信号频率以进行随机起伏调制，发射所述光 /电磁波； 控制所述探测单元（3)接收所述光/电磁波、进行所述多个模拟运算、显示所述数据、 并传送到所述计算机（5)或所述无线通信工具（6)。
【文档编号】G09B23/20GK106033650SQ201510108541
【公开日】2016年10月19日
【申请日】2015年3月12日
【发明人】黄文翰
【申请人】黄文翰