Лаборатория специализации "Современный физический эксперимент. Магнито-резонансные методы исследований"

Abstract

Программа дисциплины «Современный физический эксперимент. Магнито-резонансные методы исследований» разработана для специализации 1-31 04 06 01 «Ядерная физика и электроника» специальности 1-31 04 06 «Ядерные физика и технологии» первой ступени высшего образования. Настоящая программа является оригинальной и разработана с учетом соответствующих требований образовательного стандарта специальности 1-31 04 06 «Ядерные физика и технологии» (ОСВО 1-31 04 06-2013). В современной науке, промышленности, геологии и медицине в настоящее время широко применяются магниторезонансные методы исследования состава, структуры и свойств вещества. Эти методы находят применение не только в научных исследованиях, но и имеют широкие практические применения в магнитометрии, расходометрии, влагометрии, а также применяются в биологии и медицине, например, при магниторезонансной томографии. Лаборатория специализации «Современный физический эксперимент. Магнито-резонансные методы исследований» дает основные практические навыки проведения экспериментов в области техники магнитного резонанса и его основных применений. Магниторезонансная спектроскопия имеет свои особенности в проведении экспериментальных исследований, которые студенты должны понять и научится использовать в практической работе. Ряд лабораторных работ по технике магнитного резонанса направлен на то, чтобы студенты непосредственно на эксперименте научились методам работы с аппаратурой для наблюдения магнитного резонанса, практически изучили основные характеристики и области применения этого явления. Для моделирования процессов взаимодействия элементарных частиц широкого диапазона высоких энергий с веществом, в настоящее время наиболее часто используемым специалистами является объектно-ориентированный пакет библиотек GEANT4, разработанный международной научной коллаборацией в Европейской лаборатории физики частиц CERN (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, Европейская организация ядерных исследований, Швейцария). Встроенные средства GEANT4 позволяют полностью описать физический эксперимент: геометрию системы, химический состав образующих его материалов, типы частиц, участвующих в эксперименте, и физические процессы управляющие взаимодействием частиц. GEANT4 представляет собой объектно-ориентированную библиотеку программ для UNIX семейства операционных систем, написанную на языке программирования “C++”, и включает в себя описание всех известных частиц и физических процессов, протекающих при взаимодействии излучения с веществом. Для моделирования используются статистические методы Монте-Карло. Необходимость появления такого пакета была продиктована увеличением сложности экспериментальных задач и структуры установок. Поэтому все серьёзнее становилась проблема математического моделирования как самого процесса прохождения частиц в веществе, так и реакции детекторов установок на различные типы излучения. Моделирование было необходимо для планирования эксперимента и интерпретации его результатов. Такое моделирование в настоящее время является неотъемлемой частью эксперимента не только на современных ускорителях, но и для менее масштабных проектов исследований. В настоящее время GEANT4 используется в физике частиц, ядерной физике, проектировании ускорителей и космических аппаратов, в медицинской физике. Целью учебной дисциплины является практическое изучение методов наблюдения явления магнитного резонанса, изучение особенностей этих явлений и их применение в различных областях науки и техники, развитие навыков компьютерного моделирования взаимодействия излучения с веществом методами Монте-Карло. Основное внимание уделяется: обучению студентов практическим методам работы с приборами для наблюдения и применения методов магнитного резонанса для решения широкого круга прикладных научно-технических задач, обучению навыкам компьютерного моделирования ядерно-физических процессов. Материал лабораторных работ основан на знаниях и представлениях, полученных в рамках следующих дисциплин: «Физика атома и атомных явлений», «Основы радиоэлектроники», «Основы С, С++ и их применение для решения физико-технических задач», «Основы автоматизации эксперимента», «Современный физический эксперимент», «Спектрометрия и радиометрия ядерных излучений», «Методы и устройства регистрации излучений». В результате изучения дисциплины студент должен:

Знать:  основные методы наблюдения и регистрации сигналов магнитного резонанса;  особенности этих явлений в движущейся жидкости;  особенности стационарного и импульсного методов регистрации сигналов магнитного резонанса;  методы измерения релаксационных характеристик вещества;  методы измерения параметров магнитного поля.  основы синтаксиса языка программирования С, С++;  обладать навыками программирования на С, С++;  основные процессы взаимодействия различных ионизирующих излучений с веществом;  принцип построения ядерно-физических детекторных систем;

Уметь:  использовать различные виды спиновых детекторов для наблюдения и регистрации сигналов магнитного резонанса;  измерять времена спин-решеточной и спин спиновой релаксации;  измерять параметры геомагнитного поля;  измерять скорость течения жидкости в трубопроводе;  моделировать процессы поглощения энергии ионизирующего в веществе сложной геометрии и химического состава;  моделировать генерацию сцинтилляционных и черенковских фотонов в материалах детектора, а также транспорт оптического излучения через детектор с учётом процессов поглощения, преломления и отражения;  на основе смоделированных процессов получать информацию, необходимую для расчёта характеристик как ионизирующего излучения (энергия, интенсивность), так и детектора (эффективность регистрации, энергетическое разрешение, линейность отклика);

Владеть:  методами измерения параметров магнитного поля;  практическими навыками работы с магнитоизмерительной аппаратурой;  практическими навыками применения методов магнитного резонанса;  практическими навыками применения статистических методов Монте-Карло для задач ядерно-физического эксперимента.

Программа курса составлена в соответствии с требованиями образовательного стандарта ОСВО 1-31 04 06-2013. Освоение учебной программы лаборатории специализации: «Современный физический эксперимент. Магнито-резонансные методы исследований» для специальности 1-31 04 06 Ядерные физика и технологии должно обеспечить формирование следующих компетенций:  уметь применять базовые научно-теоретические знания для решения теоретических и практических задач;  владеть системным и сравнительным анализом;  владеть исследовательскими навыками;  уметь работать самостоятельно;  иметь навыки, связанные с использованием технических устройств, управлением информацией и работой с компьютером;  иметь лингвистические навыки (устная и письменная коммуникация);  обладать качествами гражданственности;  быть способным к социальному взаимодействию;  обладать способностью к межличностным коммуникациям;  владеть навыками здорового образа жизни;  применять знания теоретических и экспериментальных основ ядерной физики и ядерных технологий, ядерно-физических методов исследования, методов измерения физических величин, методов автоматизации эксперимента, методов планирования, организации и ведения научно-производственной, научно-педагогической, производственно-технической, опытно-конструкторской работы в области ядерно-физических технологий и атомной энергетики.  применять полученные знания фундаментальных положений физики, экспериментальных, теоретических и компьютерных методов исследования, планирования, организации и ведения научно-технической работы.  вести переговоры, разрабатывать планы сотрудничества с другими организациями.  пользоваться глобальными информационными ресурсами.  пользоваться государственными языками Республики Беларусь и иными иностранными языками как средством делового общения.  реализовывать методы защиты производственного персонала и населения в условиях возникновения аварий, катастроф, стихийных бедствий и обеспечения радиационной безопасности при осуществлении научной, производственной и педагогической деятельности.  осуществлять поиск, систематизацию и анализ информации по перспективным направлениям развития отрасли, инновационным технологиям, проектам и решениям.  определять цели инноваций и способы их реализации.  оценивать конкурентоспособность и экономическую эффективность разрабатываемых технологий.  применять методы анализа и организации внедрения инноваций в научно-производственной, научно-педагогической и научно-технической деятельности.

Общее количество часов, отводимое на изучение учебной дисциплины – 124 часа. Аудиторные часы проводятся в виде выполнения лабораторных работ в лаборатории - 80 часов. Занятия проводятся в 9-ом семестре. Форма текущей аттестации по учебной дисциплине – зачет.