基于LabVIEW的核衰变统计规律虚拟实验系统设计_孙超.pdf
《基于LabVIEW的核衰变统计规律虚拟实验系统设计_孙超.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于LabVIEW的核衰变统计规律虚拟实验系统设计_孙超.pdf(5页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第 35 卷第 6 期大学物理实验Vol35 No62022 年 12 月PHYSICAL EXPEIMENT OF COLLEGEDec2022收稿日期:2022-04-27基金项目:吉林大学实验技术项目(SYXM2021b028)文章编号:1007-2934(2022)06-0091-05基于 LabVIEW 的核衰变统计规律虚拟实验系统设计孙超1,段彬2,胡长城1,姚烨1,于跃1(1吉林大学 物理学院,吉林 长春130012;2吉林大学 公共物理教学与研究中心,吉林 长春130012)摘要:针对核物理教学实验安全难题,设计了基于 LabVIEW 的核衰变统计规律虚拟实验系统。采用算法模拟
2、放射源、虚拟盖革-米勒计数器,实现核衰变统计规律测量;运用高斯拟合控件开发数据处理模块,完善虚拟实验系统。该虚拟实验系统完全仿真实际仪器,操作步骤与教学使用的实验仪器一致,可以高效地培养和锻炼学生的核物理实验能力,解决放射源保存限制,拓宽核物理实验教学在各学科中应用。关键词:核衰变统计规律;虚拟实验;盖革-米勒计数器;LabVIEW中图分类号:TP 3919;G 434文献标志码:ADOI:1014139/jcnkicn22-1228202206019核物理实验是近代物理实验的重要部分,是大学生了解核物理基础知识的重要途径1。区别于理论教学,实验会更吸引学生2,更能让学生接受知识,了解核辐射的
3、原理和过程,以及核危害的程度。但是由于放射源的特殊性,需要长期保存,给高校实验室管理带来了极大不便3,导致只有物理学院的本科生可以在近代物理实验中接触到核物理实验,而其他学院的学生只能在书本上了解理论知识,无法亲身感受核物理实验现象4。此外,学生缺乏操作放射源及射线装置的经验和技能,对放射源的使用与管理也带来一定的风险和困难。因此,建立大学生核物理虚拟实验系统,既满足学生实验需求,又可保证学生安全。核衰变统计规律实验是大学核物理教学实验中的基础实验之一5,6,本文基于 LabVIEW7-9 平台开发了核衰变统计规律虚拟实验系统。该系统完全仿真实际仪器,操作步骤与教学使用的实验仪器一致,可以高效
4、地培养和锻炼学生的核物理实验能力,学生可以通过该实验初步了解核物理知识,了解核辐射的原理和过程,以及核危害的程度,使学生在面对核危害时,具备自我防护能力;在出现核灾害时,不恐慌,不谈核色变。1核衰变统计规律实验原理核衰变的过程是相互独立的,每个原子核发生衰变的时间纯属偶然而无法确定10。但是,对于原子核数目巨大的核衰变事件,遵循一定的规律。当保持放射源强度和各种实验条件不变时,核衰变的次数将会围绕某一个平均值上下涨落11。当平均值小时(20),核衰变的次数遵循泊松分布,概率如公式(1)所示;当平均值大时(20),核衰变的次数遵循高斯分布,概率如公式(2)所示。p(n)=mnn!em(1)p(n
5、)=12me(mn)22m(2)式中 n 为核衰变数,m 为平均核衰变数。核衰变统计规律实验通常采用盖革-米勒(G-M)计数器作为测试仪器12。盖革-米勒计数器由定标器、前置放大器、高压电源和 G-M 计数管组成13。当放射源发出的射线进入计数管后,会引起 一 系 列 效 应,在 阳 极 形 成 一 个 电 压 脉冲14,15。前置放大器将电压脉冲放大、转向引出,然后定标器进行鉴别计数。当进入计数管的射线数目不变时,改变计数管两端所加电压,定标器所得核衰变数变化曲线称为坪特性曲线。曲线中间有一段平坦部分称为“坪区”或者“盖革区”,在实验时,电压应处于“坪区”的左 1/31/2 处。2虚拟实验设
6、计21总体结构设计根据实验原理和过程,利用 LabVIEW 软件虚拟放射源、G-M 计数管、定标器等仪器,整体结构如图 1 所示。虚拟实验系统可以完成坪曲线测量、有源核衰变统计测量、本底核衰变统计测量等实验。同时运用 LabVIEW 软件中的高斯拟合控件开发数据处理模块,完成坪曲线测量数据和核衰变数据统计处理,完善虚拟实验系统。图 1虚拟实验结构框图22放射源虚拟设计核衰变统计规律的实验过程是通过多次测量规定时间内放射源核衰变的数目,然后运用统计学手段,验证核衰变规律。因此,在本实验中,放射源的作用是提供核衰变的数目,从编程的角度上看,放射源相当于一个数据源,每次测试时向定标器提供一个衰变数值
7、,所以在虚拟实验系统中采用数据源模拟放射源。根据理论分析,当核衰变平均值小时遵循泊松分布;当核衰变平均值大时遵循高斯分布,因此虚拟实验系统采用双数据源。221高斯分布数据源本实验通过转换思想实现高斯分布数据源算法编写,将高斯分布曲线转换成数组,然后通过特定算法选取数组中数据,作为核衰变数据,程序流程如图 2 所示。对于数学期望为 m,标准误差为 的高斯分布,曲线从正无穷到负无穷积分的概率为 1,为了计算方便,本实验选取 m3 为随机变量区间。根据高斯分布曲线特性,随机变量落在 m3 之外的概率小于 03%,属于小概率事件,对本实验结果没有影响。图 2高斯分布数据源算法流程图高斯分布数据源算法应
8、用 LabVIEW 软件中exp(x)控件计算 m3 内每一个随机变量出现的概率;然后,建立一个一维数组,数组元素全部为该变量,数组长度为该变量出现概率乘以 1 000的最近整数;随后,将每个变量组成的数组依次连接成一个大的一维数组,并给数组内每个变量按顺序标记地址,因为随机变量落在 m3 之内的概率为 997%,所以地址值为 1-997;最后,建立一个可以随机 1-997 数值的函数,将随机数值作为地址值指针,将该地址中的变量提出,作为核衰变值。本算法即实现了单次核衰变统计的随机性,又实现了多次核衰变统计的高斯分布特性。算法程序框图如图 3 所示。图 3高斯分布数据源算法程序框图29大学物理
9、实验2022 年222泊松分布数据源泊松分布数据源算法与高斯分布数据源算法类似,同样采用转换思想实现,程序流程如图4 所示。图 4泊松分布数据源算法流程图由于泊松分布适用于核衰变平均值小于 20的情况,为了让核衰变平均值取 20 以内任意值,泊松分布曲线积分值都为 1,根据泊松分布公式积分计算,将核衰变数目变量取 0-49。泊松分布数据源算法应用 LabVIEW 软件中exp(x)控件、xy 控件和 n!控件计算 0-49 内每一个随机变量出现的概率;然后,建立一个一维数组,数组元素全部为该变量,数组长度为该变量出现概率乘以 1 000 的最近整数;随后,将每个变量组成的数组依次连接成一个大的
10、一维数组,并给数组内每个变量按顺序标记地址,地址值为 1-1 000;最后,建立一个可以随机 1-1000 数值的函数,将随机数值作为地址值指针,将该地址中的变量提出,作为核衰变值,算法程序框图如图 5所示。图 5泊松分布数据源算法程序框图23G-M 计数管虚拟设计核衰变统计规律的实验中,G-M 计数管的作用是在不同的电压下提供核衰变计数值,在程序中相当于一个数据源。根据 G-M 计数管特性,不同的计数管,形成的坪特性曲线也不同,因此本实验通过采集一个 G-M 计数管的坪特性曲线,将其转化为多段函数,函数的变量是电压,因变量是核衰变计数值。在虚拟实验的程序设计中,采用条件结构控件实现多段函数,
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 LabVIEW 衰变 统计 规律 虚拟 实验 系统 设计
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。