疫情环境下Ultralab在远程虚拟核实验中的应用.pdf

第 卷第 期大学物理实验.年 月 .收稿日期:基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目()国家自然科学基金国际交流合作项目()通讯联系人文章编号:()疫情环境下 在远程虚拟核实验中的应用王 媛申玉宽杨莉莉(中山大学 物理与天文学院珠海 广东)摘要:为解决疫情环境下本科生近代物理实验的操作安全性问题设计了远程操作系统 和虚拟核实验相结合的远程虚拟核实验 学生通过 的管理功能预约好实验时间后可在家、教室或宿舍远程完成虚拟核实验 通过对不同虚拟放射源 和 的能量标定确定 粒子的能量峰值和道址的线性关系从而测出 粒子穿过薄膜时薄膜的厚度 远程虚拟核实验使实验教学的灵活度增强老师和学生可不受疫情和场地的限制自如开展实验 更可使学生的自主性和创新性增强通过灵活重构虚拟核实验的各种参量可实现 粒子测量、粒子测量等多个虚拟核实验以及相关实验以达到熟悉和掌握放射性粒子与物质相互作用规律的目的关键词:远程实验虚拟核实验 粒子薄膜厚度中图分类号:.文献标志码:./.大学物理实验投稿网址:/.新冠疫情的不断变化对国内的生活和经济造成了巨大影响 在教育领域远程线上教学成为普遍现象 而高校中的近代物理实验大部分都需现场操作很难进行线上操作 基于对疫情防控的考虑近代物理实验中的虚拟核实验可以尝试与 系统联合进行远程操作尤其对于有多个校区的高校每个校区都有近代物理实验的课程安排更可通过 对一个实验室的虚拟核实验进行远程操作共享实验资源从而节省学校和各学院的实验室建设经费降低实验室空间占用率和提高实验工作人员的管理效率 在疫情环境下还可以避免学生在实验室实地操作极大减少病毒传播的机会 系统与虚拟核实验的构建.远程实验操控系统近十几年来 作为远程实验教学系统被国内外多所高校用在教学和实验中该系统由北京普源精电科技有限公司开发通过网络能够对多校区、多个实验室的多项实验进行操作中山 大 学 物 理 与 天 文 实 验 教 学 中 心 不 但 把 应用到数字回路、模拟电路等基础物理实验课程中还逐渐把这个系统用在了近代物理实验的锁相放大器与弱信号测量实验以及本文的虚拟核实验和核测量中 我实验中心采用 远程操作系统的最初目的是增加学生实验的灵活性和减少现场人为因素干扰 在疫情环境下 的优势凸显为学生可以居家做实验不扎堆不聚集有效阻断了实验室密闭空间疫情的传播 的工作原理如图 所示由服务器、交换机和一系列实验台作为用户终端所构成这些用户终端可以为示波器、函数信号发生器、数字万用表、线性可编程电源等具有网络接口的设备在本文中用户终端为连接着虚拟核仪器的电脑 除了具有在线实验的控制功能还有管理功能使得老师和实验工作人员对实验室的课程管理、仪器管理和实验管理清晰明了 正是由于 在高校远程实验中的易操作性和合理性使得它优于其他远程操控系统而被采纳用于我们的远程虚拟核实验图 工作原理图.虚拟核实验考虑到核与辐射类实操实验开展过程中存在的放射源监管压力、学生操作安全风险和辐射危害等问题中山大学物理与天文实验教学中心采用了蒙特卡洛模拟作为虚拟核仿真信号源该虚拟核信号源产生脉冲信号从而替代了真实的放射源、探测器、高压电源与电荷灵敏放大器的使用图()和()是虚拟核实验的实验原理图和仪器工作原理图在实际实验中我们采用的是图()所示的设备 如图()所示上半部分圆柱形状的设备集合了图()和()中的虚拟核放射源、真空腔、探测器、高压腔和电荷灵敏放大器的功能 下半部分黑色带多个连接端口的盒子是虚拟核信息采集器也是图()和()中的多道信号输出 其输入端口(即信号采集端口)与虚拟核仪器上方的信号输出端口相连其输出端口与电脑的网口相连在电脑上用配套软件即可开始虚拟核反应实验 由于是网线传播数据使得这套设备需和电脑网络端口绑定在没有远程操作系统的情况下只能在实验室对拥有设定 的电脑和设备进行实地操作 在 年以前的学期里我们一直采用的是设定 在固定电脑上进行虚拟核仪器实验这就要求学生必须来实验室实地操作虚拟核实验 当疫情封校时实验设备只能空置无法操作这个实验图 ()虚拟核实验原理图()虚拟核实验仪器工作图()虚拟核反应仪器实物图.和虚拟核实验的结合 作为远程实验操作系统也需跟电脑的固定 绑定这样才能对指定的电脑进行远程实验 为了能够远程操作虚拟核实验需要对同一台电脑安装 个网络端口一个端口用于设定虚拟核仪器的连接 虚拟核实验的数据通过设定 端口的网线传输到电脑由专用软件进行数据收集和分析另一个网络端口为实验室该电脑连接校园网的固定 使得 通过该固定可以对电脑进行远程操作从而进行远程虚拟核实验如图()所示 图()是在远离实验室的教师办公室由学生用办公室电脑远程操作虚拟核实验的实际效果截图 第 期王 媛等:疫情环境下 在远程虚拟核实验中的应用()()图()通过网线与虚拟核仪器相连()操控下的虚拟核实验 学生远程虚拟核实验数据分析以远程 粒子的能量损失测量为例实验数据来自中山大学物理与天文学院 级郭诗雨实验电压为 在网页输入 的网址进入登录界面如图()所示 图()为 的操作管理页面 在这个页面上可以看到哪些虚拟核实验工作台已连接好 可进行远程操作 灰色的工作台代表没开机或者没连接实验室固定网络绿色的工作台则代表已连接好 点击绿色的工作台即可远程操作虚拟核实验()()图 ()登录页面()工作管理页面.能量刻度关系的标定图()和()为两种不同元素放射源的能量峰值所对应的道址图()()图 ()放射源能谱图()放射源能谱图大 学 物 理 实 验 年 能量峰值为.峰位道址为.能量峰值为.峰位道址为.由于软件设置好能量峰值和道址的关系是线性关系可对这两组不同放射性元素的能量峰值和对应的道址进行线性标定如图 所示得到能量和道址的标定公式():.()式()中 为 粒子的能量()为该能量峰对应的道址 确定了在 电压下不同放射源的能量刻度峰位道址图 和 能量和峰道地址的线性拟合曲线.测量吸收薄膜的厚度当 粒子穿过薄膜时与介质相互作用通常会使靶原子发生电离而损失能量 不同能量对应不同的道址软件读出道址后可通过公式()算出能量再由能量损失能够得到不同材质薄膜的厚度不同的介质对于粒子的阻止能力用/来表征而阻止截面()可以表示为:()()其中 为吸收体单位体积内的原子数 根据经验公式 某种材料的阻止截面可由公式()得到:()/()其中、和 是低能 粒子阻止本领的系数可由表 查到表 低能氦粒子阻止本领的系数(固体)靶.当 粒子穿过厚度为 的薄吸收体后能量由 变为 可写成:平均.()平均是平均能量 ()/的能量损失率薄膜厚度 可表示为:平均.()带入公式()()()()()即可由薄膜材料的阻止截面()、单位体积的原子数和穿入穿出薄膜材料的能量差计算出薄膜材料的厚度.铝膜厚度采用 为放射源选取 膜为待测厚度的吸收膜 由图 可知穿入和穿出铝膜时对应的两个能量峰的道址分别为:.图 软件设置铝膜后 放射源能谱图由经验公式()和表 算出:().而铝膜单位体积内的原子数 可由物质的 第 期王 媛等:疫情环境下 在远程虚拟核实验中的应用性质计算出来:././(.)./()带入公式():()()()(./)(.).()即铝膜的薄膜厚度为.教学效果远程虚拟核实验极大程度上方便了疫情环境下学生不受场地和时间的限制可以根据需要与兴趣反复设置不同参数来验证预期的结论 远程虚拟核实验还不受设备数量的限制现场实验要求 个学生一台设备其中只有一人可操作电脑软件另一人旁观并处理数据 而远程实验可保障每人操作一台设备使得学生的实验体验效果更佳对实验的了解更充分 级和 级全部本科生完成了虚拟核实验只有少部分 级学生选择了远程虚拟核实验 参与远程实验的学生认为远程实验测量时间灵活同时也认为远程实验有问题不便于当面及时地指导反馈 在数据结果方面从实验报告来看由于本实验是虚拟核实验虽然有实验设备但该设备其实是由数据存储器和线路板构成实验中所有的测量数据都来自于蒙特卡洛数据随机产生的 粒子的能量数据并不是真实的核反应实验数据远程操作与否都是电脑随机产生的虚拟核数据故而不影响实验结果 结 语由 远程系统结合虚拟核实验平台做的 粒子实验对两种不同的放射源标定出能量刻度再任选其中一个放射源通过释放的 粒子穿入、穿出已知材料的薄膜产生的能量峰值能够测出薄膜的厚度 整个远程虚拟实验实验效果理想满足老师和学生对核实验教学的需求锻炼了学生的自学和自主设计实验的能力极大提升了学生做虚拟核实验的兴趣 结合虚拟核实验平台除了做 粒子的实验还可以远程操作 和 粒子的实验项目学生和老师更可根据需要远程在虚拟核实验平台上设置实验条件和参数自主设计多个核实验项目当疫情使得现场实验变得越来越困难时远程虚拟核实验有多种可操作的途径学生们可根据需要采用各种途径的远程虚拟核实验减少疫情对实验的影响 在同一个局域网内远程虚拟核实验的重构与设计会更加灵活和多样能够极大程度培养学生的创新思维和动手能力 接下来的工作以中山大学物理与天文学院实验教学中心为依托对多项基础、近代物理和专业物理实验建立远程操作系统使得每一台具有网络结构的通用设备和大型设备组合可被远程操作从而扩大远程操作实验的覆盖面增加实验项目的种类使得在后疫情时代学生们可以更加自由地拓展实验致谢感谢中山大学物理与天文学院的何振辉教授对实验项目严谨求实、大胆创新带领近代物理实验室老师们构建了远程实验教学项目培养了实验室老师和学生们自主开发新实验、不断拓展原有实验的能力并对此文提出了宝贵的修改意见参考文献:张小锋.新冠肺炎疫情防控对中国高等教育的多重影响.北京教育(高教版)():.李永涛王雪杰王增旭等.后疫情时代大学物理实验教学模式改革与实践.大学物理实验():.苗永平于阳李忠丽等.新冠疫情常态化背景下大学物理实验教学实践.大学物理实验():.():.崔玉龙范逸强于浩然等.网络实验平台建设.中国现代教育装备():.冯光文陈恒雷.大学物理实验课程开设核与辐射仿真实验探讨.教育教学论坛():.杨东侠刘安平韩忠等.核物理虚拟仿真实验教学平台搭建 基于开放式实验教学.物理与工程():.刘海林吴奕初杨智慧等.虚实结合的核物理综合实验系统的设计与教学实践.物理实验():.王旗朱雨莲朱盼盼.“核物理综合实验”虚拟仿真实验项目的建设.大学物理实验():大 学 物 理 实 验 年.北京大学复旦大学.核物理实验.北京:原子能出版社.高等教育电子音像出版社有限公司.国家虚拟仿真实验教学课程共享平台/.().:/./.():.:(上接第 页)():.:第 期王 媛等:疫情环境下 在远程虚拟核实验中的应用