核技术与核工程课程教学与学生能力培养探索

摘要　文章介绍了笔者在核技术与核工程课程教学与学生能力培养方面的一些经验和尝试。重点介绍了以粒子加速器和核反应堆为代表的大型核科学平台以及在其上建立的应用广泛的重要核技术。在讲授基础知识的同时，突出了当代核技术及应用最新进展。在提高学生能力方面，尝试了课程论文、业余科研和毕业设计三种实践模式，并获得了良好的效果。

关键词　核技术　核工程　教学研究　毕业设计

1　课程简介

基于核物理原理而发展起来的核技术和核工程对人类的生存和发展起着极为重要的、甚至不可替代的作用。2008年以来，笔者在武汉大学物理科学与技术学院为物理学专业高年级学生开设了核技术与核工程这门专业选修课，目的是使高年级本科生对核工程技术有比较全面系统的了解，为毕业后从事相关工作或继续深造打下一定的基础。由于核科学和工程技术的广泛性，不可能在一门课程中面面俱到地加以介绍。在有限的课时内，为避免泛泛而谈的科普性介绍，必须对授课内容有所取舍。笔者通过自身的工作经历认识到，核反应堆和粒子加速器是当代核技术和核工程领域中最具代表性的大型科学装置，利用这些装置和在其上建立的各种核技术，既可以开展最前沿的科学研究，也可以在工业、农业、医学、国防等极为宽广的领域开展各种应用。因此，本课程以粒子加速器和核反应堆这两类代表当今核工程技术水平的大型科学装置为主线，介绍了它们的原理和技术实现。在此基础上，介绍了在这两大类科学装置上发展起来的各种核技术原理、设备和应用。鉴于本院物理专业的本科生毕业后百分之八十以上继续攻读研究生，本课程重点介绍了多种当今主流的实验技术和最新的重要成果，大力拓展学生的视野，并直接把学生带向学科前沿。

本课程在讲授中强调理论、技术和应用三者紧密结合，教学过程中要求学生通过文献调研和专题研究论文的撰写，对一到两种核技术有比较深入的理解和掌握。同时，结合笔者科研项目的需要，带领有兴趣且学有余力的学生开展业余科研活动。对于选修过本课程的学生，在毕业设计时帮助其进行选题和研究指导，为其以后从事核科学技术工作或在核科技领域进一步深造打下一定的基础。

2　课程内容设置

本课程的授课内容参考了多位前辈和专家的教学和科研著作，介绍了最新的国内外文献和会议报告等所报道的研究成果，也融入了笔者多年从事核技术及应用研究的一些科研成果。本课程的主要内容简列如下：

（1）核物理基础：原子核的基本性质、核衰变、核反应、核结构、核裂变、核聚变、中子物理、射线与物质的相互作用等。这些基础知识并不是集中在一章中介绍，而是融入到各个章节之中，在需要了解各种核技术的相关背景和物理基础时加以介绍。

（2）射线源：介绍中子、　X射线、%＼射线、%Z射线、%[射线、电子束、质子和其他各种离子的产生原理和技术。其中，对于最新的基于大面积纳米阵列的场发射和场电离的原理、技术和在多种射线源中的应用给予了特别的关注和深入的介绍。另外，部分射线源的内容放在各章中分散介绍。

（3）加速器原理和技术：回旋加速器、高压倍加器、静电加速器、串列加速器、直线加速器、同步加速器的原理和技术。

（4）基于加速器的实验技术：基于加速器的核分析技术，包括加速器-透射电镜联机，加速器质谱，同步辐射等特色分析技术。　其中，同步辐射的原理和实验技术是重点内容，介绍了同步辐射X射线衍射、X射线吸收精细结构谱学（XAFS）、X射线反射、小角X射线散射、X射线荧光谱学、X射线成像、X射线微束加工等技术的原理、装置、实验方法及应用进展。

（5）核反应堆原理和类型：首先介绍了反应堆物理中的一些基本概念如核反应截面，核反应率密度，中子通量，俘获-裂变比，漫化能力，漫化比，有效增值系数等；然后重点介绍了中子循环的各个环节和实现临界的条件；讨论了核燃料的消耗速率、燃烧深度、转化比、实现增值的条件等。介绍了核反应堆的各种分类方法。通过对反应堆物理中的一些基本概念、基本过程和基本规律的学习，可以定性了解反应堆工程中的许多具体做法的内在理由，也可以对许多问题进行初步的分析。

（6）基于核反应堆的实验技术：中子散射原理和技术，中子活化分析技术，中子照相等。鉴于中子散射技术被公认为是与同步辐射互补的先进核分析技术，对各种中子散射技术的原理、谱仪和应用做了重点介绍。

（7）核电站工程技术基础：压水堆核电站，快中子反应堆核电站，核聚变和聚变堆核电站。介绍了核电站的系统构成、选址、厂房布置、主要设施、安全措施等。对于核电站关键材料在辐射、高温、高压、强腐蚀等严酷服役环境下的行为特别是辐照损伤行为以及新材料的研发亦做了必要介绍。

由于在本院物理专业其他的选修课程中对核探测技术和常规实验室核分析技术以及辐射防护技术已有介绍，本课程中不再讲授。本课程对核武器技术也没有作介绍。

3　课程教学与课程论文相结合

本课程的教学内容技术性和应用性都很强，为调动学生学习的积极性，培养其能力，拓宽其视野，笔者要求学生结合课堂教学内容，开展一些课程论文的调研和写作。要求学生根据给定的题目，在进行文献调研并至少阅读一篇英文文献的基础上，按照规范的格式，写出不少于3000字的综述论文。本课程教学期间，要求每个学生写出3篇课程论文。这种方法试行了多年，取得了较好的效果。

例如，在介绍完离子源的类型和工作原理后，结合笔者所在实验室的拥有的加速器设备条件，给学生布置的一个课程论文的题目是《潘宁离子源的原理和应用》。学生可以到实验室参观，甚至可以亲手调试离子源。通过调研，学生不仅对潘宁离子源的工作原理和类型、设计和制作技术以及国内外最新应用进展有了更深入细致的了解，而且对离子源放电的数值模拟、等离子体参数的诊断、离子源的引出特性等当前存在的问题和未来的发展方向也有所了解。实际上，当学生调研到这一步的时候，就已经接触到了该技术的最前沿。有的学生通过课程学习和文献调研，激发出浓厚的研究兴趣，提出并加入到笔者的课题组做业余科研。

又如，鉴于XAFS技术是同步辐射装置上应用最广泛的实验技术，是研究局域结构最有力的手段，物理专业的学生将来搞科研很可能能用上这种技术，笔者对其原理、实验技术、数据处理、计算方法、软件使用等做了深入的介绍。在此基础上，给学生出了一个课程论文题目是《XAFS原理和应用》，要求学生就其感兴趣的应用方向开展文献调研。通过文献调研，学生们真切感受到这种技术内在的优越性、应用的广泛性和成果的新颖性。2005级学生李铁成同学在学习本课程之后，应用XAFS方法对国际热点研究方向的硅锰稀磁半导体进行局域结构分析，获得了掺杂原子局域结构参数，为合理解释其磁性起源提供了关键数据。

4　课程教学与学生业余科研相结合

对于这门技术性强的课程，笔者在讲授的同时，也尝试接纳兴趣浓厚且学有余力的学生来课题组进行业余科研，以培养锻炼其动手能力。对于动手能力的培养，往往误以为就是培养学生仪器设备的操作能力。作者认为，只会仪器操作是不够的，而是更加强调对设备结构、部件加工、功能改进、故障排除等多方面的锻炼。

例如，2005级彭国良和2006级张蛟龙等同学在文献调研学习的基础上，到笔者课题组开展了潘宁离子源及其引出系统的离子光学研究，参与了离子光学系统的部分设计工作。彭国良同学还先后绘制了溅射潘宁离子源和冷阴极潘宁离子源内部各部件结构图和总装图，吸极、三圆筒聚焦透镜、离子束偏转电极、限束光阑和四刀狭缝等部件的结构图，真空腔内相关的支撑、绝缘、密封、加电、真空泵接口等图纸，以及按离子光路传输的实际几何布局进行组装的总装图纸。加工完成后，又参加了系统安装、离子源起弧和离子束传输调试和研究。彭国良等同学还进行了卢瑟福背散射分析谱仪的自动控制和测量编程研究。该同学牵头的5人业余科研小组，获得了国家自然科学人才培养基金子课题资助，为其科研能力的培养迈出了坚实的一步。

2007级学生胡聪同学的业余科研课题是低活化钢的高温辐照损伤研究。但是，作者所在的加速器实验室此前二十年来一直没有高温辐照条件。为解决这一问题，胡聪同学积极参与了课题组的高温离子辐照设备研究工作。该学生通过结构设计和材料优选，成功研制出高效的高温辐照靶，解决了小靶室下的高温离子辐照技术问题。该同学以第一发明人获得授权实用新型专利一项，第三作者专利一项。在这两项自主研发的专利技术基础上，为多家单位、多个课题、多种材料提供了高温离子辐照服务。

5　课程教学与学生毕业设计相结合

在完成本课程学习后，学生很快就进入毕业设计阶段。毕业设计是学生获取初步科研能力的一个重要环节。本着学以致用的原则，笔者每年都为学修过本课程的同学和参加过业余科研的同学提供做毕业设计的机会，以进一步培养其对核技术的研究兴趣和科研能力，毕业设计题目全部来自于所承担的核技术科研项目。通过毕业设计，提高学生的文献调研能力、动手能力、数据处理能力、分析能力和写作能力，为毕业后在核科技领域工作或深造打下良好的基础。

我们要求学生每两周参加一次本小组例行的科研研讨会，做读书报告和文献综述报告，汇报工作进展，介绍碰到的疑难问题，提出下一步的研究方案，与研究生一起进行学术讨论。通过组会，让学生切实感受到科研工作的思路、创新性要求和不断面临的新挑战，活跃学生的思维，拓展其视野，让学生深入了解学科的前沿和热点，享受创新的喜悦，培养钻研的激情和克服困难的勇气。

例如，2010届毕业生杨霜同学的本科设计题目为《铬离子注入制备硅基稀磁性半导体》，任务是研究离子注入单晶硅的铁磁性与微观结构的关系。该生通过深入系统的文献调研，对国内外进展有了完整清晰的了解，又通过组内讨论，明确了具体的研究内容，制定了详细的研究方案和进度安排。先后完成了样品制备、离子注入、样品退火、磁性测量、数据处理和分析、离子注入模拟计算和截面透射电镜表征等研究内容。该学生的研究发现，　p-S　i　（1　0　0）被1？016　cm-2的Cr　离子注入并经900℃退火后呈现出最大的室温饱和磁化强度，并用退火过程中富空位区域中铬原子的再分布和积累对饱和磁化强度的增强进行了合理解释。该生将其研究成果撰写成学术论文，于毕业前投稿到国际著名专业期刊上并被接受发表，该生为第一作者。

6　结束语

本文介绍了笔者在核技术与核工程课程教学与学生能力培养方面的一些思考和尝试。授课内容注重先进性和实用性，重点介绍了加速器和反应堆大型平台以及在其上建立的应用广泛的核技术，突出了当代核技术及应用的最新进展。在提高学生能力方面，尝试了课程论文、业余科研和毕业设计三种逐步提高的实践模式。在本课程的教学过程中，有本科生作为第一作者在国际专业期刊上发表了SCI论文，有本科生作为第一作者获得了授权的实用新型专利，表明这些尝试获得了良好的效果。在核技术发展极为迅猛发展的今天，如何不断地更新教学内容和方法，是一个值得不断地思考和探索的课题。

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