Лаборатория специализации "Схемотехника ядерной электроники"

Abstract

Программа лаборатории специализации «Схемотехника ядерной электроники» 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. Она предназначена для более глубокого изучения студентами схемотехнических решений в ядерной электронике, связанных с необходимостью использования современных электронных компонентов для автоматизации ядерно-физических измерений. 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). Программа лаборатории специализации «Схемотехника ядерной электроники» состоит из четырех циклов лабораторных работ: 1. Изучение архитектуры и принципов программирования периферийных устройств микроконтроллеров STM32 семейства CORTEX-M4 с целью создания методики построения многоканального накопителя спектрометрических данных. 2. Изучение многоканального амплитудного анализатора. 3. Изучение схемотехники предварительного спектрометрического усилителя и освоение методики измерения характеристик усилителя. 4. Изучение схемотехники источников опорного напряжения (ИОН), цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей и методики измерения их основных характеристик. Важным разделом ядерной электроники являются вопросы, связанные с автоматизацией ядерно-физических исследований. При проведении физических исследований возникает необходимость автоматизированного сбора и обработки больших потоков экспериментальных данных, что наиболее эффективно может быть организовано с применением микроконтроллеров. В последние годы радиометрические и спектрометрические приборы создаются на основе встроенных систем, которые представлены широким классом современных микроконтроллеров. В связи с этим студенты должны изучить архитектуру, систему команд, инструментальные средства и принципы программирования периферийных устройств современного микроконтроллера, технические характеристики которого позволяют на его основе строить многоканальные накопители спектрометрических данных. В результате выполнения лабораторных работ этого цикла у обучающихся должно сформироваться представление о роли и месте современных микроконтроллеров в системах управления и автоматизации ядерно-физических исследований и приобретены практические навыки их применения. Знание архитектуры, особенностей программирования и сопряжения современных микроконтроллеров с внешними экспериментальными устройствами и компьютером являются необходимым условием успешной профессиональной деятельности специалиста в области ядерных технологий. Большинство детекторов ионизирующих излучений преобразуют энергию, теряемую ионизирующей частицей в рабочем объеме детектора, в электрический импульсный сигнал тока или напряжения. Для того чтобы получить информацию о параметрах (временных и энергетических) ионизирующего излучения требуется произвести обработку выходного сигнала детектора с помощью специализированных устройств обработки (специализированной электроники), среди которых основную роль играет многоканальный амплитудный анализатор (МАА), который предназначен для регистрации распределения по амплитуде импульсов тока детекторов ионизирующих излучений.

В ходе физического эксперимента на выходе измерительных приборов информация появляется в аналоговом виде. В то же время обработка больших массивов данных с высокой скоростью требует использования цифровых средств вычислительной техники. Отсюда следует, что аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразования информации - основа современного автоматизированного физического эксперимента на линии с ЭВМ. В настоящее время область применения аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей постоянно расширяется. Практически в любом современном физическом эксперименте используется большое количество разнообразных аналого-цифровых устройств, выполненных с использованием интегральных микросхем. Знание принципов аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, особенностей различных типов АЦП и ЦАП, умение грамотно применять их для решения задач обработки информации являются необходимым условием успешной работы физика-экспериментатора.

Цель лаборатории специализации  сформировать у обучающихся систематические знания и практические навыки в области схемотехнических решений в ядерной электронике и использования современных электронных компонентов для автоматизации ядерно-физических измерений. В результате выполнения лабораторных работ обучающийся должен знать:  архитектуру микроконтроллера STM32 семейства CORTEX-M4;  систему команд;  инструментальные средства разработки и отладки программного обеспечения;  принципы программирования периферийных устройств;  интерфейсы микроконтроллера;  организацию взаимодействия микроконтроллера с периферийными устройствами и персональным компьютером;  структуру многоканального амплитудного анализатора;  методы обработки импульсов детекторов ионизирующих излучений;  принципы отображения спектров;  схемотехнику зарядочувствительного усилителя;  методы измерения основных характеристик предварительного усилителя;  принцип работы ИОН, ЦАП и методы измерения их основных характеристик. уметь:  программировать периферийные устройства микроконтроллера;  программно реализовать взаимодействие микроконтроллера для об ме-на данными с внешними устройствами и персональным компьютером;  обрабатывать импульсы от детекторов ионизирующих излучений;  проектировать зарядочувствительный усилитель;  измерять основные характеристики спектрометрического усилителя;  разрабатывать, исследовать ИОН, ЦАП и измерять их основные характеристики. владеть:  практическими навыками использования ресурсов 32-разрядного микроконтроллера в качестве встроенных в измерительную аппаратуру систем для автоматизации процесса накопления и обработки экспериментальных данных в ядерно-физических исследованиях;  методом гистограммирования для построения энергетических спектров ионизирующих излучений;  методами проектирования усилительных схем;  методиками измерения основных характеристик спектрометрических усилителей;  практическими навыками монтажа радиоэлектронной аппаратуры, умением использовать радиоизмерительные приборы для измерения ее основных характеристик. В результате учебной программы лаборатории специализации «Схемотехника ядерной электроники» у обучающегося должны быть сформированы следующие компетенции:  уметь применять базовые научно-теоретические знания для решения практических задач;  владеть системным и сравнительным анализом;  владеть исследовательскими навыками;  уметь работать самостоятельно;  пользоваться компьютерными методами сбора, хранения и обработки информации, системами автоматизированного программирования, научно-технической и патентной литературой;  уметь учиться, повышать свою квалификацию в течение всей жизни;  иметь навыки, связанные с использованием технических устройств, управлением информацией и работой с компьютером;  обладать навыками устной и письменной коммуникации;  обладать способностью к межличностным коммуникациям;  уметь работать в команде;  применять знания теоретических и экспериментальных основ ядерной электроники для автоматизации физических экспериментов;  использовать новейшие открытия в естествознании, методы научного анализа, информационные образовательные технологии, физические основы современных технологических процессов, научное оборудование и аппаратуру;  проводить планирование и реализацию физического эксперимента, оценивать функциональные возможности сложного физического оборудования;  пользоваться глобальными информационными ресурсами, компьютерными методами сбора, хранения и обработки информации, системами авто-матизированного программирования, научно-технической и патентной литературой;  пользоваться государственными языками Республики Беларусь и иными иностранными языками как средством делового общения;  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. Форма получения высшего образования — очная, дневная. Общее количество часов – 90, количество аудиторных часов – 52. Аудиторные занятия проводятся в виде лабораторных работ. Занятия проводятся на 5-м курсе в 10-м семестре. Формы текущей аттестации по учебной дисциплине — зачет (10 семестр).