放射源定位方法研究引入實驗教學(xué)的實踐與探索
——基于創(chuàng)新型人才培養(yǎng)視角

劉輝蘭，宋玉收，齊美玲，侯英偉

(哈爾濱工程大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150001)

創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)模式不是單一的，也不是固定化的，近幾年，國內(nèi)各大高校都非常重視創(chuàng)新型人才培養(yǎng)和拔尖人才培養(yǎng)模式的探索[1-3]。本科生要在掌握了一定專業(yè)知識的基礎(chǔ)上積極參與科學(xué)研究訓(xùn)練，這是創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要途徑和模式?？茖W(xué)研究要向?qū)嶒灲虒W(xué)轉(zhuǎn)化，將科學(xué)研究的優(yōu)勢資源引入實驗教學(xué)，為實驗教學(xué)提供指導(dǎo)方向，促進(jìn)實驗教學(xué)質(zhì)量的提高，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力，打造以創(chuàng)新型人才培養(yǎng)為目標(biāo)的高校實驗實踐環(huán)境?？茖W(xué)研究向?qū)嶒灲虒W(xué)的轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新人才培養(yǎng)提供實踐訓(xùn)練的作用不容忽視，哈爾濱工程大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院非常重視將科學(xué)研究的優(yōu)勢資源引入實驗教學(xué)。

1 放射源定位方法的研究意義及引入實驗教學(xué)的基礎(chǔ)

1.1 研究意義

隨著核科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，我國對于放射源的應(yīng)用越來越廣泛。在實驗課程的實踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)開展放射源定位方法研究實驗項目，可以使學(xué)生在實驗課程中有機會接觸和了解社會對核科學(xué)與技術(shù)專業(yè)關(guān)鍵技術(shù)的需求及專業(yè)未來發(fā)展趨勢，鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新能力、發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的綜合能力，為以后的科學(xué)研究奠定基礎(chǔ)。

1.2 引入實驗教學(xué)的基礎(chǔ)

哈爾濱工程大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院科研團(tuán)隊教師針對放射源定位方法已經(jīng)做了較多研究，一系列相關(guān)的學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目也得到了學(xué)校專項基金的支持?；谇捌诘目茖W(xué)研究及學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練，將放射源定位方法引入實驗教學(xué)已經(jīng)具備了較好的研究基礎(chǔ)和保障條件。學(xué)院大力支持科研成果向?qū)嶒灲虒W(xué)的轉(zhuǎn)化，積極鼓勵教師將課題組的科學(xué)研究優(yōu)勢資源引入實驗教學(xué)，實現(xiàn)科學(xué)研究與實驗教學(xué)的有機結(jié)合。

2 放射源定位實驗的具體實施方案、途徑與方法

2.1 放射源定位實驗方案

放射源定位有兩種方案，一種是裝備一個探頭，移動測量，如果是理想點源，兩個測量位置就可以定位了；如果不是點源，需測量多個位置來同時確定源的方位和源的形狀。每次測量需記錄輻射信息和空間位置，以便做數(shù)據(jù)重構(gòu)和定位計算。這種方案的好處在于系統(tǒng)簡單，成本低，可以在行進(jìn)過程中邊走邊測，走完就測完。缺點是一個探頭測量多個位置，測量過程中需要逐步采點，測量時間較長。另一種模式是使用多個輻射探測器進(jìn)行輻射場的分點測量，然后根據(jù)分點測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)空間模型的構(gòu)建，得到源的方位和形狀。由于逐步采點測量時間較長，考慮到學(xué)生實驗的時間限制，在實驗中采用第二種放射源定位方案。

2.2 放射源定位實現(xiàn)的途徑與方法

實驗中利用4個NaI閃爍體探測器同時測量137Cs放射源得到的計數(shù)率，采用極大似然估計的定位方法，通過EM算法迭代計算和插值方法對空間輻射場進(jìn)行分析計算和重構(gòu)，根據(jù)探測器的計數(shù)率和探測器的空間位置來確定若干未知活度點狀放射源的空間位置、活度及數(shù)量。為了驗證放射源定位方法引入實驗教學(xué)的可行性，采用實驗室現(xiàn)有的137Cs放射源，通過多次實驗驗證該定位方法的可靠性及誤差范圍，分析可能影響算法的因素，設(shè)計放大器電路，通過EDA設(shè)計軟件進(jìn)行模擬，進(jìn)而完成PCB的設(shè)計與制作和室內(nèi)一般條件下的放射源定位實驗設(shè)計。

3 放射源定位方法實驗的關(guān)鍵問題及創(chuàng)新之處

3.1 伽馬放射源定位儀開發(fā)

放射源定位方法能成功引入實驗教學(xué)的一個關(guān)鍵因素就是自研實驗樣機伽馬放射源定位儀。開發(fā)實驗教學(xué)使用的伽馬放射源定位儀要解決兩個關(guān)鍵問題，一個是基于技術(shù)型探測器的定位算法。目前，常見的放射源定位主要使用成像探測器，通過成像進(jìn)行定位，但成像定位需要的探測器通常成本較高，系統(tǒng)復(fù)雜。本研究采用的是一種簡單的只需要計數(shù)的方式來進(jìn)行未知源項定位，定位算法是定位儀開發(fā)的一個關(guān)鍵問題和創(chuàng)新之處。對整個系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)調(diào)測試，驗證有效性，這是自制定位儀的另一個關(guān)鍵問題。探測器系統(tǒng)包括探頭、光電轉(zhuǎn)換器件、信號處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)、上位主機、偏置高壓、低壓供電等構(gòu)成部分，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)涉及輻射探頭的設(shè)計開發(fā)、信號處理、算法與程序設(shè)計等多種技術(shù)的綜合利用。

3.2 輻射場測量

常規(guī)的伽馬放射源定位中輻射場的測量方法是通過輻射探測器進(jìn)行逐點測量，得到輻射場中離散的測量點，通過插值算法得到整個輻射場的測量結(jié)果。本研究采用輻射源項多點測量的方法得到輻射源項的位置、能譜、活度等相關(guān)信息?；谠摐y量方法，使用解析算法對場所的全空間輻射場進(jìn)行構(gòu)建，從而得到輻射場測量結(jié)果。

4 放射源定位實驗的教學(xué)實踐

首先，將放射源定位方法引入科學(xué)研究與實驗教學(xué)的切合點，調(diào)研學(xué)生對放射源定位實驗的意向，制訂合理的實驗項目。利用前期學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練的基礎(chǔ)，初步設(shè)計制訂了兩個實驗項目，伽馬放射源定位實驗和伽馬輻射場監(jiān)測實驗，明確不同層次的實驗?zāi)繕?biāo)，編寫完成兩個實驗項目的實驗講義。其次，調(diào)研學(xué)生對這兩個實驗項目的參與意向，實現(xiàn)學(xué)生和教師的雙向選擇，以試點方式開展實驗。最后，廣泛調(diào)研參與實驗學(xué)生的反饋信息，根據(jù)學(xué)生的實驗實踐及反饋信息優(yōu)化實驗項目，修改實驗講義，修訂完善實驗所需其他資料，如實驗注意事項、設(shè)備的使用說明書及各個部件的性能、技術(shù)指標(biāo)、技術(shù)圖紙等內(nèi)容。

5 定位方法研究引入實驗教學(xué)的預(yù)期效果與推廣價值

通過將科學(xué)研究的優(yōu)勢資源引入實驗教學(xué)，實現(xiàn)放射源定位方法研究與實驗教學(xué)的有機結(jié)合，不斷完善創(chuàng)新實驗教學(xué)理念，增強本科生實驗教學(xué)的前沿性、創(chuàng)新性及實用性，逐步建立以培養(yǎng)能力為主線的實驗教學(xué)體系，讓學(xué)生通過實驗教學(xué)鍛煉綜合能力，進(jìn)一步在實驗教學(xué)中引導(dǎo)學(xué)生參加相關(guān)的科研和創(chuàng)新活動，逐步在實驗教學(xué)實踐中探索培養(yǎng)本科生創(chuàng)新精神和實踐能力的有效途徑。在實驗探索中，應(yīng)不斷改進(jìn)完善放射源定位方法研究和實驗設(shè)備設(shè)計，努力實現(xiàn)放射源定位實驗儀器的開發(fā)和推廣。