核物理多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀的教學(xué)應(yīng)用與功能開發(fā)

任延宇，馬永和，霍　雷，馮啟春，唐圭新

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 物理系，黑龍江 哈爾濱 150001)

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核物理多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀的教學(xué)應(yīng)用與功能開發(fā)

任延宇，馬永和，霍雷，馮啟春，唐圭新

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 物理系，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：根據(jù)教學(xué)要求自主設(shè)計(jì)了核物理多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀，該儀器集高壓、低壓、放大、單道脈沖幅度分析器、IVC、VFC、定時(shí)、定標(biāo)、控制與顯示于一體，利用主機(jī)的公共資源，通過切換不同種類的探測(cè)器，選配不同種類、不同能量的放射源和不同幾何配置的被探測(cè)樣品，實(shí)現(xiàn)多功能的實(shí)驗(yàn)教學(xué)任務(wù).

關(guān)鍵詞：核物理；放射源；探測(cè)器

核物理實(shí)驗(yàn)是核物理專業(yè)的中心教學(xué)環(huán)節(jié). 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和實(shí)驗(yàn)手段的提高，近年來出現(xiàn)了一些新的高性能實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備[1-2]. 特別是計(jì)算機(jī)在核物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用，為核物理實(shí)驗(yàn)增添了無限的生機(jī)，推動(dòng)了核科學(xué)技術(shù)的變革，開創(chuàng)了核技術(shù)應(yīng)用的新時(shí)代. 核儀器的小型化、微機(jī)化、智能化，都促進(jìn)了原子核物理不斷開拓新的研究和應(yīng)用領(lǐng)域. 核物理實(shí)驗(yàn)是理論與實(shí)踐密切結(jié)合的基礎(chǔ)課程，體現(xiàn)了多種學(xué)科實(shí)驗(yàn)技術(shù)的綜合運(yùn)用. 核物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際，善于發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決實(shí)際問題的能力，使學(xué)生初步掌握核物理的研究方法、核物理實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)、一般流程和規(guī)律，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、實(shí)事求是和堅(jiān)韌不拔的工作作風(fēng).

基礎(chǔ)性的核物理實(shí)驗(yàn)主要是強(qiáng)度測(cè)量，其次是能量測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)往往由高壓電源、低壓電源、線性脈沖放大器[3-4]、單道脈沖幅度分析器、定標(biāo)器等儀器組成. 測(cè)量系統(tǒng)連接繁瑣且所占空間很大. 隨著NIM系統(tǒng)的出現(xiàn)，組合插件構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng)可使儀器結(jié)構(gòu)緊湊，連接方便，但NIM系統(tǒng)成本較高，功能也較為單一.

圖1　核物理多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀實(shí)物圖

為滿足核物理專業(yè)的教學(xué)要求，哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系自主設(shè)計(jì)了核物理多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器，如圖1所示. 自制的核物理多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器是集高壓、低壓、放大、單道脈沖幅度分析器、IVC、VFC、定時(shí)、定標(biāo)、控制與顯示于一體，在充分利用主機(jī)公共資源的基礎(chǔ)上，通過后面板上的接插件切換不同類型的探測(cè)器. 選配不同種類、不同能量的放射源和源探測(cè)器及不同幾何參量的被探測(cè)樣品，可實(shí)現(xiàn)多樣性配置，從而實(shí)現(xiàn)多樣性的功能.

1核物理多功能教學(xué)儀的結(jié)構(gòu)概述

圖2為核物理多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀的電氣組成原理框圖. 低壓電源采用組件電源，固定在機(jī)殼地板上. ±15 V為線性脈沖放大器、甄別及分頻供電，±12 V為I/V和V/F變換及高壓電源供電，+5 V為定時(shí)、定標(biāo)、控制和顯示供電，+24 V為機(jī)外X射線發(fā)生器供電.

全部電路分成5塊印刷電路板[5]，安裝在主機(jī)箱內(nèi)，分別是放大與單道板[6]、I/N與V/F板、定時(shí)與控制板、計(jì)數(shù)與顯示板[7]、高壓電源板[8].

高壓電源采用集成模塊結(jié)構(gòu)[9]，3個(gè)高壓模塊安裝在高壓電源板上，其輸出高壓由后面板引出. 可調(diào)高壓主要為閃爍探測(cè)器供電，也兼為G-M計(jì)數(shù)管和電流電離室飽和特性及線性測(cè)試時(shí)供電. 固定高壓+380 V為G-M計(jì)數(shù)管的工作高壓，-600 V為電流電離室的工作高壓.

前面板集中了全部控制、顯示、操作部件，包括定時(shí)設(shè)定、預(yù)置數(shù)設(shè)定、高壓顯示、計(jì)數(shù)顯示、工作與自檢選擇、自動(dòng)與手動(dòng)選擇、停止、清除、預(yù)置、啟動(dòng)按鈕、高壓調(diào)節(jié)、閾值及道寬調(diào)節(jié)、電源開關(guān)等.

后面板上的接插件可為切換閃爍探測(cè)器、計(jì)數(shù)管、電離室3類主要探測(cè)器提供方便. 后面板中間的信號(hào)輸入座、四芯低壓座、高壓輸出座3個(gè)接插件只接閃爍探測(cè)器，并且與FJ374(A),SG1121,FJ367等閃爍器兼容. 電離室的七芯插座針腳接線為自定義，其中+24 V接X射線發(fā)生器箱體，供產(chǎn)生X射線代替發(fā)射源之用. ±12 V接電離室，為就近I/V變換產(chǎn)生-600 V供電，作為應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)之用；做性能測(cè)試時(shí)，電離室轉(zhuǎn)出電流可直接引出，也可直接就近I/V變換，而固定高壓則改為可變高壓. 最右邊的五芯計(jì)數(shù)管座的針腳也是自定義，既可適應(yīng)性能測(cè)試、二線制電路實(shí)驗(yàn)，也可適應(yīng)FJ365計(jì)數(shù)器探頭.

圖2　電氣原理框圖

2核物理多功能教學(xué)儀器的配置

一般來說，核物理實(shí)驗(yàn)少不了發(fā)射源和探測(cè)器2個(gè)部件，還要有被測(cè)樣品. 放射源S、探測(cè)器D和被測(cè)樣品按其相對(duì)幾何位置的不同，可分為穿透式測(cè)量和反散射式測(cè)量. 穿透式測(cè)量是指放射源和探測(cè)器分置于被測(cè)物的兩側(cè)，如圖3所示. 反散射式測(cè)量是指放射源和探測(cè)器位于被測(cè)物的同側(cè)，放射源和探測(cè)器的軸線可以互成一定角度，如圖4所示，也可以相重合.

圖3　穿透式測(cè)量幾何布局示意圖

圖4　反散射式測(cè)量幾何布局示意圖

放射源可以是不同能量的X射線源、γ射線源、α射線源、β射線源、中子源等，不同種類的放射源和不同能量的射線需與不同種類的探測(cè)器相配合.

探測(cè)器采用工業(yè)應(yīng)用和實(shí)驗(yàn)室常用的3類主要探測(cè)器：閃爍探測(cè)器、計(jì)數(shù)管和電離室. 閃爍探測(cè)器由閃爍體和光電倍增管組合而成，通過改換閃爍體的類型可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同種類射線的探測(cè). 例如：用厚NaI(TL)閃爍晶體可探測(cè)中、高能γ射線，用薄NaI(TL)閃爍晶體可探測(cè)X射線和低能γ射線，用ZnS(Ag)涂層閃爍體可探測(cè)α射線，用塑料閃爍體可探測(cè)β射線，用鋰玻璃閃爍體可探測(cè)中子，等等. 常用的計(jì)數(shù)管和電離室通過制作工藝改變靈敏體積、電極材料、充氣種類及壓力、窗材料及厚度等也可實(shí)現(xiàn)對(duì)各種射線的探測(cè).

被測(cè)物或被測(cè)樣品可以是固體、液體、氣體. 固體可呈板狀、帶狀、片狀、膜狀，也可呈具有不同粒度分布的散狀物料. 流體和氣體沒有固定形狀，可在自然界散在分布，也可人為局限在不同形狀不同尺寸的各類容器中.

3核物理多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀功能的多樣性

由以上介紹可知，放射源、探測(cè)器和被探測(cè)樣品的配置具有多樣性，這也決定了儀器功能的多樣性. 核物理多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀可完成以下理論驗(yàn)證型和應(yīng)用型教學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)：

1) G-M計(jì)數(shù)管坪特性、分辨時(shí)間性能測(cè)試;

2) 電流電離層、飽和特性、線性等性能測(cè)試;

3) 閃爍探測(cè)器分辨時(shí)間、能量分辨率等性能測(cè)試;

4) 放射源衰變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律實(shí)驗(yàn);

5) 放射源計(jì)數(shù)的平方反比衰減規(guī)律實(shí)驗(yàn);

6) 穿透式/反散射式各種板帶材、紙張、橡膠、塑料薄膜等厚度的測(cè)量;

7) 穿透式/反散射式各種流體密度的測(cè)量;

8) 穿透式/反散射式各種散物料物位的測(cè)量;

9) 反散射式煤炭灰分/缺陷的檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn);

10) γ射線的質(zhì)量吸收系數(shù)/半減弱層厚度等防護(hù)量測(cè)量;

11) G-M計(jì)數(shù)管二線制電路長(zhǎng)線傳輸抗衰減和干擾的實(shí)驗(yàn);

12) X射線發(fā)生器及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)研究.

4利用238Pu低能γ源實(shí)驗(yàn)舉例

238Pu為低能光子源，發(fā)射幾種能量的γ射線，其主要成分的能量Eγ=15 keV. 該源外形尺寸為φ10 mm×6 mm，活性面為薄不銹鋼窗. 適合探測(cè)低能γ射線的探測(cè)器選用φ40 mm×1 mm薄NaI(Tl)閃爍探測(cè)器，其型號(hào)為FJ374A，外形尺寸為φ65 mm×230 mm. 使用時(shí)將源裝于銅皮套筒內(nèi)，活性面朝下，通過薄片拉筋固于圓環(huán)形源架上. 當(dāng)將環(huán)形源架套在閃爍探測(cè)器的下端并通過頂絲固定，其下放置被測(cè)樣品，則可構(gòu)成反散射測(cè)量方式. 當(dāng)將環(huán)形源架翻過來，使源活性面朝上并與閃爍探測(cè)器相距一定距離，其間放置被測(cè)樣品，則可構(gòu)成穿透測(cè)量方式.

4.1反散射式測(cè)量

反散射強(qiáng)度與γ射線的能量、散射物質(zhì)的原子序數(shù)或密度、散射物質(zhì)的厚度有關(guān)，當(dāng)γ射線能量和散射物質(zhì)確定后，反散射強(qiáng)度I只與物質(zhì)厚度d有關(guān)，隨厚度增加，反散射強(qiáng)度最初是快速增加，然后變化趨緩，最后達(dá)到一穩(wěn)定值，對(duì)應(yīng)穩(wěn)定值的厚度ds稱飽和反散射厚度，如圖5所示.

圖5　反散射強(qiáng)度隨厚度的變化關(guān)系

利用低能γ射線反散射方法測(cè)量物質(zhì)(集體)成分時(shí)，應(yīng)使被測(cè)物的厚度大于飽和反散射厚度；測(cè)量輕質(zhì)材料厚度時(shí)，應(yīng)使被測(cè)厚度范圍遠(yuǎn)小于飽和反散射厚度，使其處于線性變化區(qū)段.

4.1.1煤炭灰分的測(cè)量實(shí)驗(yàn)

煤炭燃燒后的剩余物叫灰分(ash),灰分是煤炭的主要質(zhì)量指標(biāo). 為分析方便，可把煤炭看成是二元或類二元的混合物. 一元是可燃成分，也叫煤質(zhì)，其成分為C,H,O,N,S等，其等效原子序數(shù)約為6；另一元是不可燃燒的礦物質(zhì)，其主要成分是Si,Ca,Al,Fe,Mg等，其等效原子序數(shù)約為12. 低能γ射線與物質(zhì)的相互作用主要是光電效應(yīng)和康普頓散射效應(yīng). 光電效應(yīng)截面正比于原子序數(shù)Z的5次方，故與原子序數(shù)有強(qiáng)烈的依賴關(guān)系. 當(dāng)灰分較低時(shí)，高Z物質(zhì)含量較少，光電效應(yīng)較弱，散射γ射線較強(qiáng)；當(dāng)灰分較高時(shí)，高Z物質(zhì)含量較多，光電效應(yīng)較強(qiáng)，散射γ射線較弱. 因此，在反散射條件下，通過測(cè)量反散射γ射線的強(qiáng)度就可以反映出煤炭的灰分含量. 理論和實(shí)踐證明，在比較窄的灰分范圍內(nèi)，灰分A與反散射γ射線的計(jì)數(shù)N具有線性關(guān)系：A=a+bN，式中a和b是標(biāo)定常量，可通過對(duì)已知灰分的標(biāo)準(zhǔn)煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定來確定.

表1列出了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)灰分樣品的實(shí)驗(yàn)標(biāo)定結(jié)果，煤樣粒度為3 mm，煤樣表面距源5 mm，煤樣面密度2.9 g/cm2，高壓VH=680 V，輸入信號(hào)Vi=55 mV，放大倍數(shù)K=100，閾值Vy=0.5 V,計(jì)數(shù)分頻F=64，定時(shí)t=30 s，N取2次測(cè)量的平均值.

表1　低能γ射線反散射方法標(biāo)定煤炭灰分A的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

灰分的擬合方程A=a+bN=53.140-0.016 6N,回歸系數(shù)R=-0.997 0,標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)偏差σ=0.15.

4.1.2缺陷檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

缺陷檢測(cè)的依據(jù)是反散射強(qiáng)度與密度成正比. 實(shí)驗(yàn)中采用深5 cm的長(zhǎng)條形木箱裝滿粒度為3 mm的土壤，在不同位置埋入乒乓球、煙盒、空心金屬等，刮平土壤表面，源端面距樣品表面5 mm，移動(dòng)木箱，每隔1 cm測(cè)1次計(jì)數(shù). 圖6為實(shí)驗(yàn)測(cè)得的計(jì)數(shù)(率)隨位置的變化關(guān)系曲線. 如采用高能γ源可測(cè)得幾十cm的深度，可應(yīng)于墻體、路基、水壩等缺陷檢測(cè).

圖6　　　　低能γ射線反散射方法檢測(cè)均勻介質(zhì)　　　內(nèi)部缺陷的關(guān)系曲線

4.1.3低能γ射線反散射方法測(cè)量輕質(zhì)材料的厚度

在飽和厚度以下反散射強(qiáng)度與厚度近似成線性關(guān)系. 實(shí)驗(yàn)中應(yīng)設(shè)法去除被測(cè)物周圍及下方不必要物體散射引起的干擾. 測(cè)量對(duì)象為140 g/cm2紙片，源與樣品相距2 cm. 在1 000 g/cm2以下，厚度d與反散射計(jì)數(shù)N的標(biāo)定方程為

d=a+bN=-149.6+4.2×10-3N,

R=0.994 2.

如果對(duì)同種基體材料上不同鍍層或涂層的樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，反散射方法也可測(cè)鍍層或涂層的厚度.

4.2穿透式測(cè)量

測(cè)量對(duì)象為100 μm厚的鋁箔樣品. S與D間距5 cm，定時(shí)t為10 s，其余電氣參量同反散射測(cè)量. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2.

表2　低能γ射線穿透方法測(cè)鋁箔厚度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

對(duì)數(shù)標(biāo)定方程為

d=a+blnN=15 225.9-1 826.48lnN,

R=-0.999 5,

σ=11.28 μm.

線性標(biāo)定方程為

d=a+bN=2 467.03-0.610 7N,

R=-0.994 9,

σ=36.14 μm.

按照吸收曲線的指數(shù)衰減規(guī)律，N-d為指數(shù)衰減關(guān)系[圖7(a)]，即lnN-d為線性關(guān)系[圖7(b)]. 理論上，采用d=a+blnN來標(biāo)定是合理的，回歸系數(shù)更接近-1，標(biāo)定偏差較小，更貼近理論預(yù)算. 但在比較窄的測(cè)量范圍內(nèi)，也可以采用線性關(guān)系d=a+bN來標(biāo)定，采用近似線性關(guān)系標(biāo)定的實(shí)質(zhì)是用1條居中的直線來代替曲線[圖7(c)]，兩端為負(fù)偏差，中間為正偏差.

源衰變的統(tǒng)計(jì)規(guī)律實(shí)驗(yàn):在穿透測(cè)量條件下，使放射源與探測(cè)器相距一定距離，中間不加樣品. 取定時(shí)時(shí)間為10 s，連續(xù)記錄100～200次計(jì)數(shù). 畫出計(jì)數(shù)分布的直方圖，求出單次計(jì)數(shù)的微分概率表達(dá)式，求出多次計(jì)數(shù)的積分概率和計(jì)數(shù)次數(shù)的積分概率.

低能γ射線物位測(cè)量模擬實(shí)驗(yàn):將放射源和探測(cè)器分置于礦泉水瓶?jī)蓚?cè)，中心軸線位于瓶的中部，每次加1 cm的水測(cè)量穿透計(jì)數(shù). 計(jì)數(shù)率隨水位高度的變化如圖8所示，其中虛線代表中心軸線高度.

(a)

(b)

(c)圖7　吸收曲線及線性化處理示意圖

圖8　　低能γ射線物位測(cè)量方法給出的計(jì)數(shù)率與　　　水位高度關(guān)系曲線

5結(jié)論

自制的核物理多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器集高壓、低壓、放大、單道脈沖幅度分析器、IVC、VFC、定時(shí)、定標(biāo)、控制與顯示于一體，在充分利用主機(jī)公共資源的基礎(chǔ)上，通過后面板上的接插件切換不同類型的探測(cè)器. 選配不同種類、不同能量的放射源和探測(cè)器以及不同幾何參量的被探測(cè)樣品，可以實(shí)現(xiàn)多樣性配置，從而實(shí)現(xiàn)儀器多樣性的功能. 從教學(xué)實(shí)踐來看，在該儀器上完全可以實(shí)現(xiàn)多種核物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)課題. 這既加深了學(xué)生們對(duì)核探測(cè)手段的理解又節(jié)約了實(shí)驗(yàn)室資源，取得了非常好的教學(xué)效果. 隨著開設(shè)核物理及相關(guān)專業(yè)的高等院校的不斷增加，我們希望該多功能教學(xué)實(shí)驗(yàn)儀能在未來的核實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域得到更加廣泛的應(yīng)用.

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[責(zé)任編輯：任德香]

Development and application of multifunctional nuclear physics teaching experiment instrument

REN Yan-yu, MA Yong-he, HUO Lei, FENG Qi-chun, TANG Gui-xin

(Department of Physics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Abstract:The multifunctional nuclear physics teaching experiment instrument was designed according to the teaching requirements. In this instrument, high pressure, low pressure, amplification, single channel pulse amplitude analyzer, IVC, VFC, timing, calibration, control and display were integrated together. The instrument could accomplish many experiments by switching different detector, different radiation source and different geometric configuration, thus to meet the practical teaching requirements.

Key words:nuclear physics; radiation source; detector

中圖分類號(hào)：O571.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)05-0001-06

作者簡(jiǎn)介：任延宇(1980-)，男，遼寧沈陽(yáng)人，哈爾濱工業(yè)大學(xué)物理系講師，博士，從事高能重離子碰撞領(lǐng)域的研究.

收稿日期：2016-01-19；修改日期：2016-03-08