1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Изучение дисциплины имеет целью обеспечение подготовки в области регистрации и измерения энергетического распределения различных типов ионизирующих излучений.
Предметом дисциплины являются различные спектрометрические устройства и математические методы обработки спектрометрической информации.
Задачами преподавания дисциплины является усвоение основных сведений и приобретение навыков работы с современными спектрометрами ионизирующих излучений.
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП
2.1. Междисциплинарные связи с обеспечивающими (предыдущими) дисциплинами
Изучение дисциплины требует от студентов специальных знаний по ядерной физике, физике твердого тела, источникам излучения, математической статистике и теории вероятности, экспериментальным методам ядерной физики, электронике и автоматике физических установок. Данной дисциплине должны предшествовать такие учебные дисциплины:
ядерная физика; физика твердого тела; теория вероятности и математическая статистика; источники излучения; экспериментальные методы ядерной физики; электроника и автоматика физических установок.2.2. Междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами:
- научно-исследовательская работа; выпускная квалификационная работа.
3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
После изучения данной дисциплины студент должен получить специальную подготовку, необходимую для успешного выполнения научно-исследовательских работ в области регистрации и измерения ионизирующих излучений и выполнения выпускной квалификационной работы по специальности «Электроника и автоматика физических установок».
Требования к знаниям и умениям по дисциплине:
студент должен
иметь представление:
- о номенклатуре спектрометров излучения; о способах получения спектрометрической информации;
- о возможных математических методах обработки полученной спектрометрической информации;
знать:
- физические процессы взаимодействия различных типов ионизирующих излучений с рабочим веществом детекторов излучения;
- основные характеристики спектрометрических устройств, применяемых для измерения энергетического распределения ионизирующих излучений; способы построения электронных трактов различных спектрометров излучения; меры безопасности при проведении спектрометрических измерений;
уметь:
- выбрать спектрометр для оптимального решения конкретной спектрометрической задачи;
- выбрать необходимый режим работы спектрометра; самостоятельно проводить градуировку спектрометров по энергии и эффективности; применять полученные знания для измерения основных характеристик спектрометра;
владеть:
- навыками практической работы со спектрометрами различных типов и назначения;
- навыками анализа измеренных амплитудных распределений;
иметь опыт:
- проведения математической обработки полученной спектрометрической информации; интерпретации результатов измерения различных спектров излучения.
4. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
Виды учебной работы по дисциплине и формы итогового контроля знаний, соответствующие данной образовательной программе, с разбивкой объема работы по часам и семестрам для существующих форм обучения приведены в табл. 4.1.
Таблица 4.1. Трудоемкость дисциплины в академических часах
Виды учебной работы, формы контроля | Всего, час. | Учебный семестр |
10 | ||
Общая трудоемкость по учебному плану | 85 | 85 |
Аудиторные занятия | 51 | 51 |
Лекции (Л) | 34 | 34 |
Практические занятия (ПЗ) | 0 | 0 |
Лабораторные работы (ЛР) | 17 | 17 |
Самостоятельная работа студентов (СРС) | 34 | 34 |
кол-во контр. меропр. | 4 | 4 |
объем в часах | 8 | 8 |
Курсовой проект (КП) | 0 | 0 |
Курсовая работа (КР) | 0 | 0 |
Расч.-граф. работа (РГР) | 0 | 0 |
Расчетная работа (РР) | 0 | 0 |
Графическая работа (ГР) | 0 | 0 |
Домашнее задание к лабораторным работам | 0 | 0 |
Реферат | 0 | 0 |
Коллоквиум | 8 | 8 |
Контрольная работа | 0 | 0 |
Подготовка к аудиторным занятиям | 26 | 26 |
Вид промежуточного контроля | ||
Зачет (З) | ||
Экзамен (Э) | Э | |
Зачет дифференцир. (ЗД) |
5. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
5.1 Содержание разделов дисциплины
5.1.1 Введение
Предмет ядерной спектрометрии. Определение и классификация спектрометров. Спектрометры энергии, их основные характеристики: энергетическое и временное разрешение, эффективность (светосила), форма аппаратурной линии. Связь аппаратурных спектров с энергетическими.
5.1.2 Спектрометрия рентгеновского и гамма - излучения.
Однокристальные сцинтилляционные гамма - спектрометры. Форма аппаратурной линии, ее зависимость от различных факторов. Энергетическое и временное разрешение, эффективность по пику полного поглощения.
Многокристальные гамма-спектрометры: с защитой антисовпадениями, комптоновский, комптоновский со сложением амплитуд и др. Форма аппаратурной линии этих спектрометров, основные характеристики и области применения.
Кристалл-диффракционная гамма – спектрометрия. Физические основы метода и основные характеристики спектрометров. Области применения кристалл-диффракционных спектрометров.
Спектрометрия рентгеновского и гамма - излучения с полупроводниковыми детекторами. Особенности спектрометров с ППД. Форма аппаратурной линии. Шумовые параметры ППД. Понятие оптимальной фильтрации.
5.1.3 Спектрометрия нейтронов.
Метод ядер отдачи. Физические основы, область применения. Сцинтилляционный нейтронный спектрометр с органическим сцинтиллятором. Форма аппаратурного спектра, его зависимость от различных факторов. Способы градуировки спектрометра по энергии. Преобразование амплитудного распределения в энергетическое. Основные характеристики спектрометра.
Способы дискриминации гамма – фона. Идентификация частиц по форме импульса детектора.
Сцинтилляционный спектрометр быстрых нейтронов с двумя датчиками.
Метод ядерных реакций. Физические основы, область применения. Спектрометры нейтронов, использующие ядерные реакции. Факторы, влияющие на форму амплитудного распределения, основные характеристики. Градуировка спектрометра.
H-спектрометр нейтронов. Область применения. Градуировка и обработка результатов измерения.
Метод времени пролета. Физические основы, область применения, требования к различным элементам спектрометра. Основные характеристики.
Метод кристаллического монохроматора.
Интегральные методы определения нейтронных спектров.
5.1.4 Спектрометрия зараженных частиц.
Виды и особенности спектрометров для регистрации тяжелых заряженных частиц и электронов.
Магнитные спектрометры заряженных частиц, их разновидности: с однородным магнитным полем и полукруговой фокусировкой, с неоднородным магнитным полем и двойной фокусировкой, секторным и продольным магнитным полем. Форма аппаратурной линии, энергетическое разрешение и светосила этих спектрометров.
Спектрометры с линейным преобразованием энергия – амплитуда (Е-А), их разновидности. Газовые, полупроводниковые и сцинтилляционные спектрометры: диапазон измеряемых энергий, предельные параметры. Факторы, влияющие на энергетическое и временное разрешение. Основные причины искажения формы аппаратурных спектров. Стабилизация характеристик Е – А спектрометров во времени.
Сравнительные характеристики, области применения и примеры использования спектрометров заряженных частиц.
5.1.5 Спектрометрические измерения и обработка приборных спектров
Обратная задача спектрометрии. Амплитудное распределение как уравнение Фредгольма. Понятие о классе математически некорректных задач. Основные принципы регуляризации и способы решения математически некорректных задач.
Учет погрешностей при спектрометрических измерениях: статистическая погрешность, мертвое время аппаратуры. Сглаживание амплитудных распределений, численное дифференцирование.
Обработка линейчатых распределений. Методы поиска пиков – метод производной, метод максимума, метод плавающего отрезка. Способы описания фона – линейным полиномом, экспоненциальным полиномом, итерационные способы, способ ортогональных полиномов. Описание пиков амплитудного распределения одномодальными функциями (Гаусс, Лоренц и др.). Описание пиков асимметричными функциями и суммой нескольких функций.
Моделирование спектров.
Метрологическое обеспечение спектрометрических измерений.
5.2 Разделы дисциплины и виды занятий
Перечень разделов дисциплины с указанием трудоемкости их освоения в академических часах, видов учебной работы с учетом существующих форм освоения приведен в табл. 5.1.
Таблица 5.1 - Перечень разделов дисциплины с указанием трудоемкости их освоения
Разделы дисциплины | Трудоемкость освоения раздела дисциплины, час. | |||||||||||||||||
Номер раздела | Наименование раздела | Семестр изучения | Общая трудоемкость раздела, час | Аудиторные занятия по данному разделу, час | Лекции | Практические занятия | Лабораторные работы | Самостоятельная работа студентов | Курсовой проект (КП) | Курсовая работа (КР) | Расчетно-граф. работа (РГР) | Расчетная работа (РР) | Графическая работа | Домашнее задание к лабораторным работам | Реферат | Коллоквиум | Контрольная работа | Подготовка к ауд. занятиям |
5.1.1 | Введение | 10 | 3 | 2 | 2 | 1 | 1 | |||||||||||
5.1.2 | Спектрометрия рентгеновского и гамма - излучения. | 10 | 24 | 14 | 10 | 4 | 10 | 3 | 7 | |||||||||
5.1.3 | Спектрометрия нейтронов. | 10 | 18 | 10 | 10 | 8 | 8 | |||||||||||
5.1.4 | Спектрометрия зараженных частиц. | 10 | 18 | 12 | 4 | 8 | 6 | 2 | 4 | |||||||||
5.1.5 | Спектрометрические измерения и обработка приборных спектров | 10 | 22 | 13 | 8 | 5 | 9 | 3 | 6 | |||||||||
Итого по дисциплине | 85 | 51 | 34 | 17 | 34 | 8 | 26 |
6. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ И САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
6.1. Лабораторный практикум
Наименования лабораторных работ с указанием разделов дисциплины, к которым они относятся, приведены в табл. 6.1.
Таблица 6.1 - Распределение лабораторных работ по разделам дисциплины
Номер работы | Номер раздела | Наименование работы | Время на выполнение работы, час |
1 | 5.1.4, 5.1.5 | Альфа - спектрометр с полупроводниковым детектором | 4 |
2 | 5.1.2, 5.1.5 | " Сцинтилляционный гамма - спектрометр ". | 4 |
3 | 5.1.2, 5.1.5 | Рентгеновский спектрометр с ППД. | 5 |
4 | 5.1.4, 5.1.5 | Моделирование спектров обратного рассеяния тяжелых ионов. | 4 |
Практические занятия не предусмотрены.
Самостоятельная работа студентов и мероприятия текущего контроля Примерный перечень тем рефератовНе предусмотрены.
Примерный перечень тем домашних работНе предусмотрены.
6.3.3. Примерный перечень тем контрольных работ
Не предусмотрены.
6.3.4. Примерный перечень тем расчетных работ
Не предусмотрены.
6.3.5. Примерный перечень тем расчетно-графических работ
Не предусмотрены.
6.3.6. Примерная тематика коллоквиумов
1. Альфа - спектрометр с полупроводниковым детектором
2. Сцинтилляционный гамма - спектрометр.
3. Рентгеновский спектрометр с ППД.
4. Моделирование спектров обратного рассеяния тяжелых ионов.
7.Тематика курсового проектирования
Курсовой проект не предусмотрен.
8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
8.1 Рекомендуемая литература
8.1.1 Основная литература
Акимов методы регистрации излучений. Дубна, ОИЯИ, 2006г., 281 с , , Ушаков ядерной спектрометрии. М.: Энергоатомиздат, 1990г., 256с.8.1.2 Дополнительная литература
Экспериментальное исследование полей гамма-излучения и нейтронов. Под ред. М.: Атомиздат, 1984. Полупроводниковые детекторы в экспериментальной физике. Под ред. М., Энергоатомиздат, 1989г., , Ярина нейтронов и гамма – излучения в радиационной физике. М.: Энергоатомиздат, 1991 Альфа-, бета - и гамма спектрскопия. Т.1, Под ред. К. Зигбана. Атомиздат, 1969г., 568с. Glenn F Knoll. Radiation detection and measurement. 1989. , , Матусевич экспериментальных методов ядерной физики. М.: Энергоатомиздат, 1985г., 480 с.8.1.3 Методические разработки кафедры
Обработка и моделирование спектров резерфордовского обратного рассеяния: метод. указания / Урал. гос. техн. ун-т - УПИ ; сост. , ; науч. ред. . - Екатеринбург: [УГТУ-УПИ], 2004. - 32 с.: ил. 21.8.2 Программное обеспечение
Специализированное программное обеспечение для спектрометрических измерений.8.3 Базы данных, информационно-справочные и поисковые системы
Материалы в электронном виде на сервере кафедры ЭФ:
//DC. учеба. Пулин
9. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
9.1 Общие требования
- Аудитория интерактивных средств обучения, Специализированная лаборатория для проведения лабораторных работ.
9.2 Сведения об оснащенности дисциплины специализированным и лабораторным оборудованием
- Аудитория интерактивных средств обучения, оснащенная проектором с видеотерминала персонального компьютера на экран (Ф-349); Специализированная лаборатория, оснащенная современными спектрометрическими устройствами, персональными компьютерами и специализированным программным обеспечением (Ф-347).
10. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
10.1 Рекомендации для преподавателя
- глубокое освоение теоретических аспектов тематики курса, ознакомление, переработку литературных источников; составление списка литературы, обязательной для изучения и дополнительной литературы; проведение собственных исследований в этой области; разработку методики изложения курса: структуры и последовательности изложения материала; составление тестовых заданий, контрольных вопросов; разработку методики проведения и совершенствование тематик лабораторных работ; использование в лабораторном практикуме современных алгоритмов обработки спектрометрической информации. разработка методики самостоятельной работы студентов; постоянная корректировка структуры и содержания курса.
10.2 Рекомендации для студента
- обязательное посещение лекций ведущего преподавателя; лекции – основное методическое руководство при изучении дисциплины, наиболее оптимальным образом структурированное и скорректированное на современный материал; в лекции глубоко и подробно, аргументировано и методологически строго рассматриваются главные проблемы темы; в лекции даются необходимые разные подходы к исследуемым проблемам; подготовка и активная работа на лабораторных занятиях; подготовка к лабораторным занятиям, выполняемая в часы самостоятельной работы, включает проработку материалов лекций, рекомендованной учебной литературы, материалов методических указаний; к выполнению лабораторной работы студент допускается только после сдачи теоретического коллоквиума и наличии отчета по предыдущей лабораторной работе.
10.3 Перечень контрольных вопросов для подготовки к итоговой аттестации по дисциплине
Классификация спектрометров излучения. Основные характеристики спектрометров. Сцинтилляционный метод спектрометрии. Требования к сцинтилляторам и ФЭУ. Зависимость формы сигнала на аноде ФЭУ от параметров сцинтиллятора и ФЭУ. Однокристальный сцинтилляционный гамма – спектрометр с неорганическим сцинтиллятором. Основные характеристики, форма аппаратурной линии и ее зависимость от различных факторов. Комптоновский гамма – спектрометр. Принцип работы, структурная схема, выбор детекторов и оптимальной геометрии, форма аппаратурной линии, основные характеристики. Сцинтилляционный гамма – спектрометр с защитой антисовпадениями. Принцип действия, структурная схема, основные характеристики. Сцинтилляционный гамма – спектрометр пар. Кристалл-диффракционная гамма – спектрометрия. Физические основы метода, основные характеристики спектрометров. Форма аппаратурной линии. Спектрометры с ППД. Физические основы ППД. Требования к материалу детекторов. Классификация детекторов. Особенности ППД по сравнению с другими детекторами. Формирование амплитудного распределения в спектрометре с ППД. Фактор Фано. Влияние флуктуаций (ионизация, собирание заряда, шумы аппаратуры) на разрешение. Форма аппаратурного распределения в рентгеновском ППД – спектрометре. Спектрометр с ППД – спектральное представление источников шума. Простейший формирователь на основе CR – RC фильтра. Методы спектрометрии нейтронного излучения, их физические основы и сравнительные характеристики, области применения. Однокристальный спектрометр нейтронов с органическим сцинтиллятором. Физические основы, форма аппаратурного распределения и его преобразование в энергетическое распределение. Основные характеристики спектрометра. Дискриминация гамма – фона в однокристальном сцинтилляционном спектрометре нейтронов. Физические основы и структурные схемы. Способы градуировки однокристального спектрометра быстрых нейтронов с органическим сцинтиллятором. Сцинтилляционный спектрометр быстрых нейтронов с двумя датчиками. Структурная схема, основные характеристики, последовательность обработки результатов. Спектрометр нейтронов, использующий реакцию на В10. Форма аппаратурной линии, основные характеристики. Не3 – спектрометр нейтронов. Физические основы, форма аппаратурной линии, влияние краевых эффектов. Н-спектрометр нейтронов. Физические основы. Градуировка и обработка результатов измерения. Область применения. Спектрометрия нейтронов методом времени пролета. Физические основы, основные соотношения. Перевод временной шкалы в энергетическую. Основные характеристики метода, источники погрешностей. Спектрометрия нейтронов методом пролета. Зависимость скорости счета нейтронов от параметров спектрометра. Критерий сравнения двух спектрометров. Использование ядерных реакций для спектрометрии нейтронов. Требования к рабочему веществу. Сцинтилляционный спектрометр нейтронов с кристаллом LiI(Eu). Способы описания фона в амплитудных распределениях. Спектрометр нейтронов на основе кристаллического монохроматора. Принцип действия и основные характеристики. Оценка энергетического распределения нейтронов методом пороговых индикаторов. Оценка энергетического распределения нейтронов методом резонансных индикаторов. Магнитные спектрометры заряженных частиц. Принцип действия и классификация магнитных спектрометров. Основные характеристики и область применения. Спектрометр с полукруговой фокусировкой однородным магнитным полем. Энергетическое разрешение, светосила, форма аппаратурной линии. Обратная задача спектрометрии. Математическая некорректность задачи и способы регуляризации. Обратная задача спектрометрии. Метод итерационной регуляризации. Процедуры сглаживания спектров, способы реализации. Методы поиска пиков в амплитудных распределениях. Способы описания фона в амплитудных распределениях. Погрешность в определении площади пика и фона. Способы описания пиков в амплитудном распределении.Перечень ключевых слов дисциплины
Таблица 10.4. Ключевые слова
№ раздела | Наименование раздела, темы | Ключевые слова |
5.1.1 | Введение | Спектрометрия. Классификация спектрометров. Энергетическое разрешение. Эффективность регистрации. Энергетический диапазон. |
5.1.2 | Спектрометрия рентгеновского и гамма - излучения. | Взаимодействие гамма-излучения с веществом. Сцинтилляционный гамма-спектрометр с неорганическим сцинтиллятором. Многокристальные гамма-спектрометры. Кристалл-дифракционные гамма-спектрометры. Полупроводниковый гамма-спектрометр. Шумовые характеристики. Оптимальная фильтрация в рентгеновском ППД-спектрометре. |
5.1.3 | Спектрометрия нейтронов. | Сцинтилляционный спектрометр быстрых нейтронов с органическим сцинтиллятором. Спектрометрия нейтронов с использованием ядерных реакций. Время-пролетная спектрометрия нейтронов. |
5.1.4 | Спектрометрия зараженных частиц. | Магнитные спектрометры. Спектрометры с линейным преобразованием энергия – амплитуда. |
5.1.5 | Спектрометрические измерения и обработка приборных спектров | Обратная задача спектрометрии. Математически некорректные задачи. Основные принципы регуляризации. Способы описания фона. Алгоритмы поиска пиков. Способы описания пиков. |
СОДЕРЖАНИЕ
1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
2. МЕСТО ДИСЦИПЛИНЫ В СТРУКТУРЕ ООП
3. ТРЕБОВАНИЯ К РЕЗУЛЬТАТАМ ОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
4. ОБЪЕМ ДИСЦИПЛИНЫ И ВИДЫ УЧЕБНОЙ РАБОТЫ
5. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
6. ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ И САМОСТОЯТЕЛЬНАЯ РАБОТА
7. Тематика курсового проектирования
8. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
9. МАТЕРИАЛЬНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
10. МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ
