核技術(shù)與核工程課程教學(xué)與學(xué)生能力培養(yǎng)探索

郭立平　劉傳勝

摘要文章介紹了筆者在核技術(shù)與核工程課程教學(xué)與學(xué)生能力培養(yǎng)方面的一些經(jīng)驗(yàn)和嘗試。重點(diǎn)介紹了以粒子加速器和核反應(yīng)堆為代表的大型核科學(xué)平臺(tái)以及在其上建立的應(yīng)用廣泛的重要核技術(shù)。在講授基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，突出了當(dāng)代核技術(shù)及應(yīng)用最新進(jìn)展。在提高學(xué)生能力方面，嘗試了課程論文、業(yè)余科研和畢業(yè)設(shè)計(jì)三種實(shí)踐模式，并獲得了良好的效果。

關(guān)鍵詞核技術(shù)核工程教學(xué)研究畢業(yè)設(shè)計(jì)

1課程簡(jiǎn)介

基于核物理原理而發(fā)展起來(lái)的核技術(shù)和核工程對(duì)人類的生存和發(fā)展起著極為重要的、甚至不可替代的作用。2008年以來(lái)，筆者在武漢大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院為物理學(xué)專業(yè)高年級(jí)學(xué)生開設(shè)了核技術(shù)與核工程這門專業(yè)選修課，目的是使高年級(jí)本科生對(duì)核工程技術(shù)有比較全面系統(tǒng)的了解，為畢業(yè)后從事相關(guān)工作或繼續(xù)深造打下一定的基礎(chǔ)。由于核科學(xué)和工程技術(shù)的廣泛性，不可能在一門課程中面面俱到地加以介紹。在有限的課時(shí)內(nèi)，為避免泛泛而談的科普性介紹，必須對(duì)授課內(nèi)容有所取舍。筆者通過(guò)自身的工作經(jīng)歷認(rèn)識(shí)到，核反應(yīng)堆和粒子加速器是當(dāng)代核技術(shù)和核工程領(lǐng)域中最具代表性的大型科學(xué)裝置，利用這些裝置和在其上建立的各種核技術(shù)，既可以開展最前沿的科學(xué)研究，也可以在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、國(guó)防等極為寬廣的領(lǐng)域開展各種應(yīng)用。因此，本課程以粒子加速器和核反應(yīng)堆這兩類代表當(dāng)今核工程技術(shù)水平的大型科學(xué)裝置為主線，介紹了它們的原理和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在此基礎(chǔ)上，介紹了在這兩大類科學(xué)裝置上發(fā)展起來(lái)的各種核技術(shù)原理、設(shè)備和應(yīng)用。鑒于本院物理專業(yè)的本科生畢業(yè)后百分之八十以上繼續(xù)攻讀研究生，本課程重點(diǎn)介紹了多種當(dāng)今主流的實(shí)驗(yàn)技術(shù)和最新的重要成果，大力拓展學(xué)生的視野，并直接把學(xué)生帶向?qū)W科前沿。

本課程在講授中強(qiáng)調(diào)理論、技術(shù)和應(yīng)用三者緊密結(jié)合，教學(xué)過(guò)程中要求學(xué)生通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研和專題研究論文的撰寫，對(duì)一到兩種核技術(shù)有比較深入的理解和掌握。同時(shí)，結(jié)合筆者科研項(xiàng)目的需要，帶領(lǐng)有興趣且學(xué)有余力的學(xué)生開展業(yè)余科研活動(dòng)。對(duì)于選修過(guò)本課程的學(xué)生，在畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)幫助其進(jìn)行選題和研究指導(dǎo)，為其以后從事核科學(xué)技術(shù)工作或在核科技領(lǐng)域進(jìn)一步深造打下一定的基礎(chǔ)。

2課程內(nèi)容設(shè)置

本課程的授課內(nèi)容參考了多位前輩和專家的教學(xué)和科研著作，介紹了最新的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)和會(huì)議報(bào)告等所報(bào)道的研究成果，也融入了筆者多年從事核技術(shù)及應(yīng)用研究的一些科研成果。本課程的主要內(nèi)容簡(jiǎn)列如下：

（1）核物理基礎(chǔ)：原子核的基本性質(zhì)、核衰變、核反應(yīng)、核結(jié)構(gòu)、核裂變、核聚變、中子物理、射線與物質(zhì)的相互作用等。這些基礎(chǔ)知識(shí)并不是集中在一章中介紹，而是融入到各個(gè)章節(jié)之中，在需要了解各種核技術(shù)的相關(guān)背景和物理基礎(chǔ)時(shí)加以介紹。

（2）射線源：介紹中子、X射線、%＼射線、%Z射線、%[射線、電子束、質(zhì)子和其他各種離子的產(chǎn)生原理和技術(shù)。其中，對(duì)于最新的基于大面積納米陣列的場(chǎng)發(fā)射和場(chǎng)電離的原理、技術(shù)和在多種射線源中的應(yīng)用給予了特別的關(guān)注和深入的介紹。另外，部分射線源的內(nèi)容放在各章中分散介紹。

（3）加速器原理和技術(shù)：回旋加速器、高壓倍加器、靜電加速器、串列加速器、直線加速器、同步加速器的原理和技術(shù)。

（4）基于加速器的實(shí)驗(yàn)技術(shù)：基于加速器的核分析技術(shù)，包括加速器-透射電鏡聯(lián)機(jī)，加速器質(zhì)譜，同步輻射等特色分析技術(shù)。其中，同步輻射的原理和實(shí)驗(yàn)技術(shù)是重點(diǎn)內(nèi)容，介紹了同步輻射X射線衍射、X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)譜學(xué)（XAFS）、X射線反射、小角X射線散射、X射線熒光譜學(xué)、X射線成像、X射線微束加工等技術(shù)的原理、裝置、實(shí)驗(yàn)方法及應(yīng)用進(jìn)展。

（5）核反應(yīng)堆原理和類型：首先介紹了反應(yīng)堆物理中的一些基本概念如核反應(yīng)截面，核反應(yīng)率密度，中子通量，俘獲-裂變比，漫化能力，漫化比，有效增值系數(shù)等；然后重點(diǎn)介紹了中子循環(huán)的各個(gè)環(huán)節(jié)和實(shí)現(xiàn)臨界的條件；討論了核燃料的消耗速率、燃燒深度、轉(zhuǎn)化比、實(shí)現(xiàn)增值的條件等。介紹了核反應(yīng)堆的各種分類方法。通過(guò)對(duì)反應(yīng)堆物理中的一些基本概念、基本過(guò)程和基本規(guī)律的學(xué)習(xí)，可以定性了解反應(yīng)堆工程中的許多具體做法的內(nèi)在理由，也可以對(duì)許多問題進(jìn)行初步的分析。

（6）基于核反應(yīng)堆的實(shí)驗(yàn)技術(shù)：中子散射原理和技術(shù)，中子活化分析技術(shù)，中子照相等。鑒于中子散射技術(shù)被公認(rèn)為是與同步輻射互補(bǔ)的先進(jìn)核分析技術(shù)，對(duì)各種中子散射技術(shù)的原理、譜儀和應(yīng)用做了重點(diǎn)介紹。

（7）核電站工程技術(shù)基礎(chǔ)：壓水堆核電站，快中子反應(yīng)堆核電站，核聚變和聚變堆核電站。介紹了核電站的系統(tǒng)構(gòu)成、選址、廠房布置、主要設(shè)施、安全措施等。對(duì)于核電站關(guān)鍵材料在輻射、高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕等嚴(yán)酷服役環(huán)境下的行為特別是輻照損傷行為以及新材料的研發(fā)亦做了必要介紹。

由于在本院物理專業(yè)其他的選修課程中對(duì)核探測(cè)技術(shù)和常規(guī)實(shí)驗(yàn)室核分析技術(shù)以及輻射防護(hù)技術(shù)已有介紹，本課程中不再講授。本課程對(duì)核武器技術(shù)也沒有作介紹。

3課程教學(xué)與課程論文相結(jié)合

本課程的教學(xué)內(nèi)容技術(shù)性和應(yīng)用性都很強(qiáng)，為調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)其能力，拓寬其視野，筆者要求學(xué)生結(jié)合課堂教學(xué)內(nèi)容，開展一些課程論文的調(diào)研和寫作。要求學(xué)生根據(jù)給定的題目，在進(jìn)行文獻(xiàn)調(diào)研并至少閱讀一篇英文文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，按照規(guī)范的格式，寫出不少于3000字的綜述論文。本課程教學(xué)期間，要求每個(gè)學(xué)生寫出3篇課程論文。這種方法試行了多年，取得了較好的效果。

例如，在介紹完離子源的類型和工作原理后，結(jié)合筆者所在實(shí)驗(yàn)室的擁有的加速器設(shè)備條件，給學(xué)生布置的一個(gè)課程論文的題目是《潘寧離子源的原理和應(yīng)用》。學(xué)生可以到實(shí)驗(yàn)室參觀，甚至可以親手調(diào)試離子源。通過(guò)調(diào)研，學(xué)生不僅對(duì)潘寧離子源的工作原理和類型、設(shè)計(jì)和制作技術(shù)以及國(guó)內(nèi)外最新應(yīng)用進(jìn)展有了更深入細(xì)致的了解，而且對(duì)離子源放電的數(shù)值模擬、等離子體參數(shù)的診斷、離子源的引出特性等當(dāng)前存在的問題和未來(lái)的發(fā)展方向也有所了解。實(shí)際上，當(dāng)學(xué)生調(diào)研到這一步的時(shí)候，就已經(jīng)接觸到了該技術(shù)的最前沿。有的學(xué)生通過(guò)課程學(xué)習(xí)和文獻(xiàn)調(diào)研，激發(fā)出濃厚的研究興趣，提出并加入到筆者的課題組做業(yè)余科研。

又如，鑒于XAFS技術(shù)是同步輻射裝置上應(yīng)用最廣泛的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，是研究局域結(jié)構(gòu)最有力的手段，物理專業(yè)的學(xué)生將來(lái)搞科研很可能能用上這種技術(shù)，筆者對(duì)其原理、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理、計(jì)算方法、軟件使用等做了深入的介紹。在此基礎(chǔ)上，給學(xué)生出了一個(gè)課程論文題目是《XAFS原理和應(yīng)用》，要求學(xué)生就其感興趣的應(yīng)用方向開展文獻(xiàn)調(diào)研。通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，學(xué)生們真切感受到這種技術(shù)內(nèi)在的優(yōu)越性、應(yīng)用的廣泛性和成果的新穎性。2005級(jí)學(xué)生李鐵成同學(xué)在學(xué)習(xí)本課程之后，應(yīng)用XAFS方法對(duì)國(guó)際熱點(diǎn)研究方向的硅錳稀磁半導(dǎo)體進(jìn)行局域結(jié)構(gòu)分析，獲得了摻雜原子局域結(jié)構(gòu)參數(shù)，為合理解釋其磁性起源提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

4課程教學(xué)與學(xué)生業(yè)余科研相結(jié)合

對(duì)于這門技術(shù)性強(qiáng)的課程，筆者在講授的同時(shí)，也嘗試接納興趣濃厚且學(xué)有余力的學(xué)生來(lái)課題組進(jìn)行業(yè)余科研，以培養(yǎng)鍛煉其動(dòng)手能力。對(duì)于動(dòng)手能力的培養(yǎng)，往往誤以為就是培養(yǎng)學(xué)生儀器設(shè)備的操作能力。作者認(rèn)為，只會(huì)儀器操作是不夠的，而是更加強(qiáng)調(diào)對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)、部件加工、功能改進(jìn)、故障排除等多方面的鍛煉。

例如，2005級(jí)彭國(guó)良和2006級(jí)張蛟龍等同學(xué)在文獻(xiàn)調(diào)研學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，到筆者課題組開展了潘寧離子源及其引出系統(tǒng)的離子光學(xué)研究，參與了離子光學(xué)系統(tǒng)的部分設(shè)計(jì)工作。彭國(guó)良同學(xué)還先后繪制了濺射潘寧離子源和冷陰極潘寧離子源內(nèi)部各部件結(jié)構(gòu)圖和總裝圖，吸極、三圓筒聚焦透鏡、離子束偏轉(zhuǎn)電極、限束光闌和四刀狹縫等部件的結(jié)構(gòu)圖，真空腔內(nèi)相關(guān)的支撐、絕緣、密封、加電、真空泵接口等圖紙，以及按離子光路傳輸?shù)膶?shí)際幾何布局進(jìn)行組裝的總裝圖紙。加工完成后，又參加了系統(tǒng)安裝、離子源起弧和離子束傳輸調(diào)試和研究。彭國(guó)良等同學(xué)還進(jìn)行了盧瑟福背散射分析譜儀的自動(dòng)控制和測(cè)量編程研究。該同學(xué)牽頭的5人業(yè)余科研小組，獲得了國(guó)家自然科學(xué)人才培養(yǎng)基金子課題資助，為其科研能力的培養(yǎng)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

2007級(jí)學(xué)生胡聰同學(xué)的業(yè)余科研課題是低活化鋼的高溫輻照損傷研究。但是，作者所在的加速器實(shí)驗(yàn)室此前二十年來(lái)一直沒有高溫輻照條件。為解決這一問題，胡聰同學(xué)積極參與了課題組的高溫離子輻照設(shè)備研究工作。該學(xué)生通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料優(yōu)選，成功研制出高效的高溫輻照靶，解決了小靶室下的高溫離子輻照技術(shù)問題。該同學(xué)以第一發(fā)明人獲得授權(quán)實(shí)用新型專利一項(xiàng)，第三作者專利一項(xiàng)。在這兩項(xiàng)自主研發(fā)的專利技術(shù)基礎(chǔ)上，為多家單位、多個(gè)課題、多種材料提供了高溫離子輻照服務(wù)。

5課程教學(xué)與學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)相結(jié)合

在完成本課程學(xué)習(xí)后，學(xué)生很快就進(jìn)入畢業(yè)設(shè)計(jì)階段。畢業(yè)設(shè)計(jì)是學(xué)生獲取初步科研能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。本著學(xué)以致用的原則，筆者每年都為學(xué)修過(guò)本課程的同學(xué)和參加過(guò)業(yè)余科研的同學(xué)提供做畢業(yè)設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，以進(jìn)一步培養(yǎng)其對(duì)核技術(shù)的研究興趣和科研能力，畢業(yè)設(shè)計(jì)題目全部來(lái)自于所承擔(dān)的核技術(shù)科研項(xiàng)目。通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，提高學(xué)生的文獻(xiàn)調(diào)研能力、動(dòng)手能力、數(shù)據(jù)處理能力、分析能力和寫作能力，為畢業(yè)后在核科技領(lǐng)域工作或深造打下良好的基礎(chǔ)。

我們要求學(xué)生每?jī)芍軈⒓右淮伪拘〗M例行的科研研討會(huì)，做讀書報(bào)告和文獻(xiàn)綜述報(bào)告，匯報(bào)工作進(jìn)展，介紹碰到的疑難問題，提出下一步的研究方案，與研究生一起進(jìn)行學(xué)術(shù)討論。通過(guò)組會(huì)，讓學(xué)生切實(shí)感受到科研工作的思路、創(chuàng)新性要求和不斷面臨的新挑戰(zhàn)，活躍學(xué)生的思維，拓展其視野，讓學(xué)生深入了解學(xué)科的前沿和熱點(diǎn)，享受創(chuàng)新的喜悅，培養(yǎng)鉆研的激情和克服困難的勇氣。

例如，2010屆畢業(yè)生楊霜同學(xué)的本科設(shè)計(jì)題目為《鉻離子注入制備硅基稀磁性半導(dǎo)體》，任務(wù)是研究離子注入單晶硅的鐵磁性與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。該生通過(guò)深入系統(tǒng)的文獻(xiàn)調(diào)研，對(duì)國(guó)內(nèi)外進(jìn)展有了完整清晰的了解，又通過(guò)組內(nèi)討論，明確了具體的研究?jī)?nèi)容，制定了詳細(xì)的研究方案和進(jìn)度安排。先后完成了樣品制備、離子注入、樣品退火、磁性測(cè)量、數(shù)據(jù)處理和分析、離子注入模擬計(jì)算和截面透射電鏡表征等研究?jī)?nèi)容。該學(xué)生的研究發(fā)現(xiàn)，p-Si（100）被1？016cm-2的Cr離子注入并經(jīng)900℃退火后呈現(xiàn)出最大的室溫飽和磁化強(qiáng)度，并用退火過(guò)程中富空位區(qū)域中鉻原子的再分布和積累對(duì)飽和磁化強(qiáng)度的增強(qiáng)進(jìn)行了合理解釋。該生將其研究成果撰寫成學(xué)術(shù)論文，于畢業(yè)前投稿到國(guó)際著名專業(yè)期刊上并被接受發(fā)表，該生為第一作者。

6結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了筆者在核技術(shù)與核工程課程教學(xué)與學(xué)生能力培養(yǎng)方面的一些思考和嘗試。授課內(nèi)容注重先進(jìn)性和實(shí)用性，重點(diǎn)介紹了加速器和反應(yīng)堆大型平臺(tái)以及在其上建立的應(yīng)用廣泛的核技術(shù)，突出了當(dāng)代核技術(shù)及應(yīng)用的最新進(jìn)展。在提高學(xué)生能力方面，嘗試了課程論文、業(yè)余科研和畢業(yè)設(shè)計(jì)三種逐步提高的實(shí)踐模式。在本課程的教學(xué)過(guò)程中，有本科生作為第一作者在國(guó)際專業(yè)期刊上發(fā)表了SCI論文，有本科生作為第一作者獲得了授權(quán)的實(shí)用新型專利，表明這些嘗試獲得了良好的效果。在核技術(shù)發(fā)展極為迅猛發(fā)展的今天，如何不斷地更新教學(xué)內(nèi)容和方法，是一個(gè)值得不斷地思考和探索的課題。

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