郭立平　劉傳勝

摘要文章介紹了筆者在核技術與核工程課程教學與學生能力培養(yǎng)方面的一些經(jīng)驗和嘗試。重點介紹了以粒子加速器和核反應堆為代表的大型核科學平臺以及在其上建立的應用廣泛的重要核技術。在講授基礎知識的同時，突出了當代核技術及應用最新進展。在提高學生能力方面，嘗試了課程論文、業(yè)余科研和畢業(yè)設計三種實踐模式，并獲得了良好的效果。

關鍵詞核技術核工程教學研究畢業(yè)設計

1課程簡介

基于核物理原理而發(fā)展起來的核技術和核工程對人類的生存和發(fā)展起著極為重要的、甚至不可替代的作用。2008年以來，筆者在武漢大學物理科學與技術學院為物理學專業(yè)高年級學生開設了核技術與核工程這門專業(yè)選修課，目的是使高年級本科生對核工程技術有比較全面系統(tǒng)的了解，為畢業(yè)后從事相關工作或繼續(xù)深造打下一定的基礎。由于核科學和工程技術的廣泛性，不可能在一門課程中面面俱到地加以介紹。在有限的課時內，為避免泛泛而談的科普性介紹，必須對授課內容有所取舍。筆者通過自身的工作經(jīng)歷認識到，核反應堆和粒子加速器是當代核技術和核工程領域中最具代表性的大型科學裝置，利用這些裝置和在其上建立的各種核技術，既可以開展最前沿的科學研究，也可以在工業(yè)、農業(yè)、醫(yī)學、國防等極為寬廣的領域開展各種應用。因此，本課程以粒子加速器和核反應堆這兩類代表當今核工程技術水平的大型科學裝置為主線，介紹了它們的原理和技術實現(xiàn)。在此基礎上，介紹了在這兩大類科學裝置上發(fā)展起來的各種核技術原理、設備和應用。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，本課程重點介紹了多種當今主流的實驗技術和最新的重要成果，大力拓展學生的視野，并直接把學生帶向學科前沿。

本課程在講授中強調理論、技術和應用三者緊密結合，教學過程中要求學生通過文獻調研和專題研究論文的撰寫，對一到兩種核技術有比較深入的理解和掌握。同時，結合筆者科研項目的需要，帶領有興趣且學有余力的學生開展業(yè)余科研活動。對于選修過本課程的學生，在畢業(yè)設計時幫助其進行選題和研究指導，為其以后從事核科學技術工作或在核科技領域進一步深造打下一定的基礎。

2課程內容設置

本課程的授課內容參考了多位前輩和專家的教學和科研著作，介紹了最新的國內外文獻和會議報告等所報道的研究成果，也融入了筆者多年從事核技術及應用研究的一些科研成果。本課程的主要內容簡列如下：

（1）核物理基礎：原子核的基本性質、核衰變、核反應、核結構、核裂變、核聚變、中子物理、射線與物質的相互作用等。這些基礎知識并不是集中在一章中介紹，而是融入到各個章節(jié)之中，在需要了解各種核技術的相關背景和物理基礎時加以介紹。

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

（3）加速器原理和技術：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。

（4）基于加速器的實驗技術：基于加速器的核分析技術，包括加速器-透射電鏡聯(lián)機，加速器質譜，同步輻射等特色分析技術。其中，同步輻射的原理和實驗技術是重點內容，介紹了同步輻射X射線衍射、X射線吸收精細結構譜學（XAFS）、X射線反射、小角X射線散射、X射線熒光譜學、X射線成像、X射線微束加工等技術的原理、裝置、實驗方法及應用進展。

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

（6）基于核反應堆的實驗技術：中子散射原理和技術，中子活化分析技術，中子照相等。鑒于中子散射技術被公認為是與同步輻射互補的先進核分析技術，對各種中子散射技術的原理、譜儀和應用做了重點介紹。

（7）核電站工程技術基礎：壓水堆核電站，快中子反應堆核電站，核聚變和聚變堆核電站。介紹了核電站的系統(tǒng)構成、選址、廠房布置、主要設施、安全措施等。對于核電站關鍵材料在輻射、高溫、高壓、強腐蝕等嚴酷服役環(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核探測技術和常規(guī)實驗室核分析技術以及輻射防護技術已有介紹，本課程中不再講授。本課程對核武器技術也沒有作介紹。

3課程教學與課程論文相結合

本課程的教學內容技術性和應用性都很強，為調動學生學習的積極性，培養(yǎng)其能力，拓寬其視野，筆者要求學生結合課堂教學內容，開展一些課程論文的調研和寫作。要求學生根據(jù)給定的題目，在進行文獻調研并至少閱讀一篇英文文獻的基礎上，按照規(guī)范的格式，寫出不少于3000字的綜述論文。本課程教學期間，要求每個學生寫出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，結合筆者所在實驗室的擁有的加速器設備條件，給學生布置的一個課程論文的題目是《潘寧離子源的原理和應用》。學生可以到實驗室參觀，甚至可以親手調試離子源。通過調研，學生不僅對潘寧離子源的工作原理和類型、設計和制作技術以及國內外最新應用進展有了更深入細致的了解，而且對離子源放電的數(shù)值模擬、等離子體參數(shù)的診斷、離子源的引出特性等當前存在的問題和未來的發(fā)展方向也有所了解。實際上，當學生調研到這一步的時候，就已經(jīng)接觸到了該技術的最前沿。有的學生通過課程學習和文獻調研，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技術是同步輻射裝置上應用最廣泛的實驗技術，是研究局域結構最有力的手段，物理專業(yè)的學生將來搞科研很可能能用上這種技術，筆者對其原理、實驗技術、數(shù)據(jù)處理、計算方法、軟件使用等做了深入的介紹。在此基礎上，給學生出了一個課程論文題目是《XAFS原理和應用》，要求學生就其感興趣的應用方向開展文獻調研。通過文獻調研，學生們真切感受到這種技術內在的優(yōu)越性、應用的廣泛性和成果的新穎性。2005級學生李鐵成同學在學習本課程之后，應用XAFS方法對國際熱點研究方向的硅錳稀磁半導體進行局域結構分析，獲得了摻雜原子局域結構參數(shù)，為合理解釋其磁性起源提供了關鍵數(shù)據(jù)。

4課程教學與學生業(yè)余科研相結合

對于這門技術性強的課程，筆者在講授的同時，也嘗試接納興趣濃厚且學有余力的學生來課題組進行業(yè)余科研，以培養(yǎng)鍛煉其動手能力。對于動手能力的培養(yǎng)，往往誤以為就是培養(yǎng)學生儀器設備的操作能力。作者認為，只會儀器操作是不夠的，而是更加強調對設備結構、部件加工、功能改進、故障排除等多方面的鍛煉。

例如，2005級彭國良和2006級張蛟龍等同學在文獻調研學習的基礎上，到筆者課題組開展了潘寧離子源及其引出系統(tǒng)的離子光學研究，參與了離子光學系統(tǒng)的部分設計工作。彭國良同學還先后繪制了濺射潘寧離子源和冷陰極潘寧離子源內部各部件結構圖和總裝圖，吸極、三圓筒聚焦透鏡、離子束偏轉電極、限束光闌和四刀狹縫等部件的結構圖，真空腔內相關的支撐、絕緣、密封、加電、真空泵接口等圖紙，以及按離子光路傳輸?shù)膶嶋H幾何布局進行組裝的總裝圖紙。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試和研究。彭國良等同學還進行了盧瑟福背散射分析譜儀的自動控制和測量編程研究。該同學牽頭的5人業(yè)余科研小組，獲得了國家自然科學人才培養(yǎng)基金子課題資助，為其科研能力的培養(yǎng)邁出了堅實的一步。

2007級學生胡聰同學的業(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驗室此前二十年來一直沒有高溫輻照條件。為解決這一問題，胡聰同學積極參與了課題組的高溫離子輻照設備研究工作。該學生通過結構設計和材料優(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問題。該同學以第一發(fā)明人獲得授權實用新型專利一項，第三作者專利一項。在這兩項自主研發(fā)的專利技術基礎上，為多家單位、多個課題、多種材料提供了高溫離子輻照服務。

5課程教學與學生畢業(yè)設計相結合

在完成本課程學習后，學生很快就進入畢業(yè)設計階段。畢業(yè)設計是學生獲取初步科研能力的一個重要環(huán)節(jié)。本著學以致用的原則，筆者每年都為學修過本課程的同學和參加過業(yè)余科研的同學提供做畢業(yè)設計的機會，以進一步培養(yǎng)其對核技術的研究興趣和科研能力，畢業(yè)設計題目全部來自于所承擔的核技術科研項目。通過畢業(yè)設計，提高學生的文獻調研能力、動手能力、數(shù)據(jù)處理能力、分析能力和寫作能力，為畢業(yè)后在核科技領域工作或深造打下良好的基礎。

我們要求學生每兩周參加一次本小組例行的科研研討會，做讀書報告和文獻綜述報告，匯報工作進展，介紹碰到的疑難問題，提出下一步的研究方案，與研究生一起進行學術討論。通過組會，讓學生切實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)，活躍學生的思維，拓展其視野，讓學生深入了解學科的前沿和熱點，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)生楊霜同學的本科設計題目為《鉻離子注入制備硅基稀磁性半導體》，任務是研究離子注入單晶硅的鐵磁性與微觀結構的關系。該生通過深入系統(tǒng)的文獻調研，對國內外進展有了完整清晰的了解，又通過組內討論，明確了具體的研究內容，制定了詳細的研究方案和進度安排。先后完成了樣品制備、離子注入、樣品退火、磁性測量、數(shù)據(jù)處理和分析、離子注入模擬計算和截面透射電鏡表征等研究內容。該學生的研究發(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度，并用退火過程中富空位區(qū)域中鉻原子的再分布和積累對飽和磁化強度的增強進行了合理解釋。該生將其研究成果撰寫成學術論文，于畢業(yè)前投稿到國際著名專業(yè)期刊上并被接受發(fā)表，該生為第一作者。

6結束語

本文介紹了筆者在核技術與核工程課程教學與學生能力培養(yǎng)方面的一些思考和嘗試。授課內容注重先進性和實用性，重點介紹了加速器和反應堆大型平臺以及在其上建立的應用廣泛的核技術，突出了當代核技術及應用的最新進展。在提高學生能力方面，嘗試了課程論文、業(yè)余科研和畢業(yè)設計三種逐步提高的實踐模式。在本課程的教學過程中，有本科生作為第一作者在國際專業(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的實用新型專利，表明這些嘗試獲得了良好的效果。在核技術發(fā)展極為迅猛發(fā)展的今天，如何不斷地更新教學內容和方法，是一個值得不斷地思考和探索的課題。

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