（1）实验原理：

本系列实验包含八个任务达标模式的实验项目：核衰变规律；γ射线的吸收；康普顿散射；辐射外照射防护设计；α射线能谱和射程测量；β射线能谱；X射线荧光分析；符合测量方法等。下面对其中核衰变规律、α能谱测量、X射线荧光分析的实验原理，做举例说明

1. 核衰变规律是最基础的衰变辐射实验。我们使用闪烁体探测器获得伽马射线产生的脉冲电信号，并通过线性放大器放大整形后，输入单道筛选出特征伽马射线的信号并利用定标器和计时器，获得该衰变在一定时间内的计数。根据这个数据验证核衰变规律符合何种概率分布形式，并定量分析和归纳结果。

2. α射线能谱和射程测量是射线与物质相互作用的经典实验。我们利用金硅面垒探测器获得α射线产生的脉冲电信号，并通过线性放大器放大整形后，1，输入多道分析器，得到其能谱，并分析能谱调节最佳实验条件。2，在最佳实验条件表，将信号输入单道，筛选出特征信号后，利用计时器和定标器，获得一定时间内，α射线穿过一定密度的介质（空气）后的计数。通过改变介质密度，得到计数的变化。然后根据空气密度和空气距离的等效衰减关系，获得特定能量α射线的射程。并根据理论公式验证实验和操作的准确性。

3. X射线荧光分析是核技术分析的经典实验。使用X射线发生器产生X射线照射样品，激发样品中原子的电子，之后退激跃迁产生样品物质的特征X射线荧光。使用半导体探测器捕获这些X射线荧光，通过放大、整形、甄别、累积，获得相应的能谱。虚拟实验室提供了6种纯的物质样品，根据已知的特征峰信息，可以对能谱进行校刻获得能量和能谱道址之间的关系。最后探测未知的A和B样品，从其复合的能谱中解析出特征峰能量，并判读组成的物质类型和含量，从而鉴别哪一个样品是真银币而另一枚为伪造。

知识点：

共 12 个

1. 核衰变的物理机制和统计规律

2. γ射线在探测器中的作用机制

3. α射线在探测器中的作用机制

4. X射线在探测器中的作用机制

5. 辐射产生脉冲电信号的电子学处理方法和数据处理方法

6. 核电子学仪器的使用方法和注意事项

7. 辐射与介质的作用机理

8. X射线发生器的工作机制和使用方法

9. 物质的X射线特征谱线的基本原理

10. 能谱数据的数学处理方法

11. 随机事件采集的实验方法

12. 古代银币的制造工艺和成分（核科技考古）

（2）核心要素仿真设计：

实验室整体层面包括：固体道具的力学属性仿真，显示动画等的仿真，与设备进行交互的模拟（VR和Web端），人体运动的仿真，实验设备的光影效果和声音的仿真，等核心要素。

单个实验层面，以上述三个实验举例，仿真主要涉及：

1. 核衰变光子产生的蒙特卡洛模拟，光子和背景信号在探测器中产生的电脉冲信号的蒙特卡洛模拟，放大器对信号的整形和放大的处理，单道对输入信号的甄别和方波输出信号的模拟，定标器对输入方波的计数过程，等。

2. α射线产生的蒙特卡洛模拟，光子信号从探测器直到后端数据产生机构的各项模拟（参考1），充气腔室和泵的开关交互与物理参数变化的仿真，α射线在不同密度空气中的能损的蒙特卡洛模拟，等。

3. X射线发射器的蒙特卡洛模拟，X射线照射样品产生X射线荧光光子的蒙特卡洛模拟，光子信号从探测器直到后端数据产生机构的各项模拟（参考1），混合元素样品产生特征谱线光子的蒙特卡洛模拟，等。

现场教学模式：

1. 首先通过学生自习和老师讲述，让学生在操作前充分理解基本原理。通过老师演示，让学生对后续的实验操作和背后内涵能了然于心，对注意事项和安全要求也能知晓和熟记。

2. 让学生进入任务达标模式的实验。根据任务提示，并依托之前已经完成的预习知识，一步一步完成实验，得到数据结果，并导出后，进行更为深层的后期处理和总结归纳。在这个过程中，系统将自动对学生的操作进行评判和打分，并记录后台。

3. 课后学生根据实验数据分析结果，作实验报告，教师根据系统对操作的自动打分和实验报告给出综合评价。

4. 在讨论课上，依据之前记录的操作动作数据，在虚拟空间中再现学生的操作过程，与学生复盘和讨论操作中的问题和经验。让学生进行更全面和深层的思考，对实验有了更完整和深入的理解。在学生出错处可以中断再现，在其领悟问题之后，让其进入虚拟空间，继续正确的实验。

5. 对于部分学有余力的同学，鼓励其利用已学知识，在虚拟实验室中构建新的实验方式，研究更多的物理现象，并自主开展调研，得出研究结论。

6. 鼓励同学们将实验拓展，展开某些需要团队合作的实验，群策群力共同去设计和运行更为复杂和宏大的实验构思，从而得细致观察某些更为深层次的现象，得到更为深藏的规律和知识。

远程教学模式：

类同于现场教学模式。最大的区别是，老师在远程端，通过动作捕捉系统，生动地接入到虚拟实验室中。在虚拟空间中与学生相会，通过语音和动作进行教学实践，展开上述6条教学过程。并且在学生实验时可以在旁观看，在需要的时候也可以直接手把手进行操作，高度模仿真实实验教学，但突破了时空的局限。

（1）学生交互性操作步骤：共14 步

（2）交互性步骤详细说明：

以α射线能谱和射程测量实验为例，共分为14个大的步骤集。

1. 将所有需要的仪器安装到一起，按次序打开各个电源，检查仪器都处于正常待机状态，按实验设定连接好所有的信号线。

2. 在保险箱内找到正确的放射源，安全取出，并用正确的方式拿取放射源，移动到放射源腔室内。

3. 按正确的次序，根据实验设计，逐一调节各个仪器的参数设置，使得整个仪器平台进入正常工作状态。

4. 将前放的脉冲信号引入到示波器的CH1，通过正确使用示波器，以适当的参数显示该脉冲的波形。将通过线性放大器后的信号引入到CH2，同样调节示波器使之被恰当的显示。

5. 将放大后的信号引入到多道分析器中，通过正确设置多道参数，在投影屏上恰当地显示累积能谱。

6. 通过调节前端设备的参数，并实时监控多道的能谱输出，根据实验要求使得能谱峰型达到最优。

7. 将优化后的信号引入定标器，配合使用定时器，获得在设定时间内的有效信号的计数

8. 调节气泵向射源腔室内的充气，从而改变其中的气压即气体的密度。重复7的操作，在不少于15个气压选择点上，获得设定时间内的有效信号计数。

9. 使用系统内的工具，导出能谱数据和计数数据到本地计算机。并进行作图和分析。

10. 根据标尺，改变探测器装置。根据新实验设计，在不少于15个距离点上，重复7的操作，获得相应的计数数据。

11. 使用系统内的工具，导出新的计数数据到本地计算机。并进行作图和分析。

12. 采用正确的方式拿取放射源，并移动到保险柜中。

13. 按正确的次序，将各设备参数归零，进入待机状态后，关机。

14. 按照正确的流程，拆除信号线，并放到指定位置。将各仪器断开后放到指定位置。整理实验台，结束实验。

以α射线能谱和射程测量实验为例：

最终的结果应该包括，经过优化的α射线能谱数据，不同气压下的计数率数据，以及不同间隔距离下的计数率数据。

从这些可以得到一些结论，

1. 解释α射线能谱的物理机理。

2. 得到α射线在空气中的吸收率与气压的关系，将其转化为射程后可以与理论计算比较进行验证。

3. 直接得到α射线在空气中的射程，并与理论对比验证，与气压等效方式得到的结果对比验证，并推测出相应的差别的来源。

而在不同的实验条件和操作下：

1. 如果学生不能正确辨别高压连接和低压信号连接的区别，就无法完成连线，设备无法正常运行，信号数据不能产生。

2. 如果不能正确设置各仪器参数，得到的脉冲波形可能有较大畸变，从而对解释能谱机制产生错误的理解。同时可能会影响后端计数率的正确获得，导致射程结果出错。

3. 学生在气压设定上，如果不能做到合理取值，可能导致计数率突变区域的数据误差极高，甚至找不到该区域，无法得到结果。

4. 学生在距离选择上，如果不能做到合理取值，可能导致计数率突变区域的数据误差极高，甚至找不到该区域，无法得到结果。

5. 学生在计数率测量上，应该选择适当的时间，保证数据有足够的统计性，否者可能严重影响结果的准确性，甚至出现性质的差别，导致实验失败。

6. 学生不了解部分仪器的安全阈值，使之长期工作在超限范围，仪器将损坏，导致实验失败。

7. 学生如果在操作中，不理解放射源取放的要求，可能会被意外辐照，使得健康值降低，甚至归零导致实验中断。

8. 各仪器都将实时反馈学生操作带来的结果，可以有各种结果的组合方式，最终的效果将是各个操作效果的综合，由计算机自行仿真给出。