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大学核物理实验作为核与粒子物理学课程的一个重要组成部分,旨在加强实验科学,提高学生的实验动手能力,进一步发展物理基础学科,培养核科学与技术领域的研究人才。本文介绍了一种基于可重构技术的大学核物理实验平台,通过对实验平台软硬件的可重构和配置,使之构成不同的实验系统完成不同的实验,学生不仅能够在这个实验平台上完成核与粒子物理实验课中的各种实验,学到现代物理实验的一些新的方法和理念,同时也能重构实验平台自己设计实验。
通过对大学核物理实验平台的系统需求、特点及可行性进行分析,利用数字化技术和基于FPGA的可重构技术,本文给出针对大学核物理实验平台的硬件设计方案;采用USB总线接口,通过接口程序的设计阐述了上位机程序与硬件通信的实现方法;基于LabWindows/CVI虚拟仪器技术开发的配套软件,既能适用于给定流程的指导实验,又能开发新实验。最后结合现代化教学管理的需求,提出建立服务器,实现基于B/S/和C/S网络模式的管理系统,完成设备监控,学生管理,实验数据保存,实验成绩管理等功能。
目前该实验平台已经能够较好的完成实验测量所需要的定标器,甄别器,波形显示,多道分析器等必要仪器功能,实现了半导体α探测器和α粒子的能量损失、X射线吸收和特征谱测量、电流电离室、长塑料闪烁计数器、放射性核素半衰期测量等核物理教学实验,性能也已经达到或超过原有设备的性能指标,具有实际的工程应用价值。
本论文的主要特色在于:
(1) 充分利用数字化技术及可重构技术,将当前核与粒子物理实验的新测量方法和手段融入实验平台,使得平台整体功能完善,仪器使用灵活,实验针对性强,扩展性好;
(2) 实验平台可以通过网络与服务器相连,指导老师可以通过服务器指导学生实验、了解每个学生的实验过程、接受学生提交的实验报告;
(3) 学生可根据实验的要求,自行配置实验系统,有利于学生对实验的理解和创新能力的培养;由于采用一个实验平台来完成不同的实验,大大减少了所使用的仪器设备种类和数目,降低了实验平台的建设成本和维护成本;
(4) 针对核与粒子物理实验而专门设计的软硬件平台及其网络化在国内尚未见到报道。