任延宇，馬永和，霍　雷，馮啟春，唐圭新

(哈爾濱工業(yè)大學 物理系，黑龍江 哈爾濱 150001)

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核物理多功能教學實驗儀的教學應用與功能開發(fā)

任延宇，馬永和，霍雷，馮啟春，唐圭新

(哈爾濱工業(yè)大學 物理系，黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：根據教學要求自主設計了核物理多功能教學實驗儀，該儀器集高壓、低壓、放大、單道脈沖幅度分析器、IVC、VFC、定時、定標、控制與顯示于一體，利用主機的公共資源，通過切換不同種類的探測器，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樣品，實現(xiàn)多功能的實驗教學任務.

關鍵詞：核物理；放射源；探測器

核物理實驗是核物理專業(yè)的中心教學環(huán)節(jié). 隨著科學技術的進步和實驗手段的提高，近年來出現(xiàn)了一些新的高性能實驗儀器設備[1-2]. 特別是計算機在核物理實驗中的應用，為核物理實驗增添了無限的生機，推動了核科學技術的變革，開創(chuàng)了核技術應用的新時代. 核儀器的小型化、微機化、智能化，都促進了原子核物理不斷開拓新的研究和應用領域. 核物理實驗是理論與實踐密切結合的基礎課程，體現(xiàn)了多種學科實驗技術的綜合運用. 核物理實驗教學可以培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際，善于發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決實際問題的能力，使學生初步掌握核物理的研究方法、核物理實驗的特點、一般流程和規(guī)律，培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W態(tài)度、實事求是和堅韌不拔的工作作風.

基礎性的核物理實驗主要是強度測量，其次是能量測量，測量系統(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、定標器等儀器組成. 測量系統(tǒng)連接繁瑣且所占空間很大. 隨著NIM系統(tǒng)的出現(xiàn)，組合插件構成的測量系統(tǒng)可使儀器結構緊湊，連接方便，但NIM系統(tǒng)成本較高，功能也較為單一.

圖1　核物理多功能教學實驗儀實物圖

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

1核物理多功能教學儀的結構概述

圖2為核物理多功能教學實驗儀的電氣組成原理框圖. 低壓電源采用組件電源，固定在機殼地板上. ±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、定標、控制和顯示供電，+24 V為機外X射線發(fā)生器供電.

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

高壓電源采用集成模塊結構[9]，3個高壓模塊安裝在高壓電源板上，其輸出高壓由后面板引出. 可調高壓主要為閃爍探測器供電，也兼為G-M計數(shù)管和電流電離室飽和特性及線性測試時供電. 固定高壓+380 V為G-M計數(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，包括定時設定、預置數(shù)設定、高壓顯示、計數(shù)顯示、工作與自檢選擇、自動與手動選擇、停止、清除、預置、啟動按鈕、高壓調節(jié)、閾值及道寬調節(jié)、電源開關等.

后面板上的接插件可為切換閃爍探測器、計數(shù)管、電離室3類主要探測器提供方便. 后面板中間的信號輸入座、四芯低壓座、高壓輸出座3個接插件只接閃爍探測器，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變換產生-600 V供電，作為應用性實驗之用；做性能測試時，電離室轉出電流可直接引出，也可直接就近I/V變換，而固定高壓則改為可變高壓. 最右邊的五芯計數(shù)管座的針腳也是自定義，既可適應性能測試、二線制電路實驗，也可適應FJ365計數(shù)器探頭.

圖2　電氣原理框圖

2核物理多功能教學儀器的配置

一般來說，核物理實驗少不了發(fā)射源和探測器2個部件，還要有被測樣品. 放射源S、探測器D和被測樣品按其相對幾何位置的不同，可分為穿透式測量和反散射式測量. 穿透式測量是指放射源和探測器分置于被測物的兩側，如圖3所示. 反散射式測量是指放射源和探測器位于被測物的同側，放射源和探測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　穿透式測量幾何布局示意圖

圖4　反散射式測量幾何布局示意圖

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器相配合.

探測器采用工業(yè)應用和實驗室常用的3類主要探測器：閃爍探測器、計數(shù)管和電離室. 閃爍探測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現(xiàn)對不同種類射線的探測. 例如：用厚NaI(TL)閃爍晶體可探測中、高能γ射線，用薄NaI(TL)閃爍晶體可探測X射線和低能γ射線，用ZnS(Ag)涂層閃爍體可探測α射線，用塑料閃爍體可探測β射線，用鋰玻璃閃爍體可探測中子，等等. 常用的計數(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現(xiàn)對各種射線的探測.

被測物或被測樣品可以是固體、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核物理多功能教學實驗儀功能的多樣性

由以上介紹可知，放射源、探測器和被探測樣品的配置具有多樣性，這也決定了儀器功能的多樣性. 核物理多功能教學實驗儀可完成以下理論驗證型和應用型教學實驗任務：

1) G-M計數(shù)管坪特性、分辨時間性能測試;

2) 電流電離層、飽和特性、線性等性能測試;

3) 閃爍探測器分辨時間、能量分辨率等性能測試;

4) 放射源衰變的統(tǒng)計規(guī)律實驗;

5) 放射源計數(shù)的平方反比衰減規(guī)律實驗;

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量;

7) 穿透式/反散射式各種流體密度的測量;

8) 穿透式/反散射式各種散物料物位的測量;

9) 反散射式煤炭灰分/缺陷的檢驗實驗;

10) γ射線的質量吸收系數(shù)/半減弱層厚度等防護量測量;

11) G-M計數(shù)管二線制電路長線傳輸抗衰減和干擾的實驗;

12) X射線發(fā)生器及應用實驗研究.

4利用238Pu低能γ源實驗舉例

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. 適合探測低能γ射線的探測器選用φ40 mm×1 mm薄NaI(Tl)閃爍探測器，其型號為FJ374A，外形尺寸為φ65 mm×230 mm. 使用時將源裝于銅皮套筒內，活性面朝下，通過薄片拉筋固于圓環(huán)形源架上. 當將環(huán)形源架套在閃爍探測器的下端并通過頂絲固定，其下放置被測樣品，則可構成反散射測量方式. 當將環(huán)形源架翻過來，使源活性面朝上并與閃爍探測器相距一定距離，其間放置被測樣品，則可構成穿透測量方式.

4.1反散射式測量

反散射強度與γ射線的能量、散射物質的原子序數(shù)或密度、散射物質的厚度有關，當γ射線能量和散射物質確定后，反散射強度I只與物質厚度d有關，隨厚度增加，反散射強度最初是快速增加，然后變化趨緩，最后達到一穩(wěn)定值，對應穩(wěn)定值的厚度ds稱飽和反散射厚度，如圖5所示.

圖5　反散射強度隨厚度的變化關系

利用低能γ射線反散射方法測量物質(集體)成分時，應使被測物的厚度大于飽和反散射厚度；測量輕質材料厚度時，應使被測厚度范圍遠小于飽和反散射厚度，使其處于線性變化區(qū)段.

4.1.1煤炭灰分的測量實驗

煤炭燃燒后的剩余物叫灰分(ash),灰分是煤炭的主要質量指標. 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，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，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射線與物質的相互作用主要是光電效應和康普頓散射效應. 光電效應截面正比于原子序數(shù)Z的5次方，故與原子序數(shù)有強烈的依賴關系. 當灰分較低時，高Z物質含量較少，光電效應較弱，散射γ射線較強；當灰分較高時，高Z物質含量較多，光電效應較強，散射γ射線較弱. 因此，在反散射條件下，通過測量反散射γ射線的強度就可以反映出煤炭的灰分含量. 理論和實踐證明，在比較窄的灰分范圍內，灰分A與反散射γ射線的計數(shù)N具有線性關系：A=a+bN，式中a和b是標定常量，可通過對已知灰分的標準煤樣進行實驗標定來確定.

表1列出了對標準灰分樣品的實驗標定結果，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Vi=55 mV，放大倍數(shù)K=100，閾值Vy=0.5 V,計數(shù)分頻F=64，定時t=30 s，N取2次測量的平均值.

表1　低能γ射線反散射方法標定煤炭灰分A的實驗結果

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

4.1.2缺陷檢測實驗

缺陷檢測的依據是反散射強度與密度成正比. 實驗中采用深5 cm的長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，移動木箱，每隔1 cm測1次計數(shù). 圖6為實驗測得的計數(shù)(率)隨位置的變化關系曲線. 如采用高能γ源可測得幾十cm的深度，可應于墻體、路基、水壩等缺陷檢測.

圖6　　　　低能γ射線反散射方法檢測均勻介質　　　內部缺陷的關系曲線

4.1.3低能γ射線反散射方法測量輕質材料的厚度

在飽和厚度以下反散射強度與厚度近似成線性關系. 實驗中應設法去除被測物周圍及下方不必要物體散射引起的干擾. 測量對象為140 g/cm2紙片，源與樣品相距2 cm. 在1 000 g/cm2以下，厚度d與反散射計數(shù)N的標定方程為

d=a+bN=-149.6+4.2×10-3N,

R=0.994 2.

如果對同種基體材料上不同鍍層或涂層的樣品進行實驗標定，反散射方法也可測鍍層或涂層的厚度.

4.2穿透式測量

測量對象為100 μm厚的鋁箔樣品. S與D間距5 cm，定時t為10 s，其余電氣參量同反散射測量. 實驗結果列于表2.

表2　低能γ射線穿透方法測鋁箔厚度的實驗數(shù)據

對數(shù)標定方程為

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

R=-0.999 5,

σ=11.28 μm.

線性標定方程為

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)衰減關系[圖7(a)]，即lnN-d為線性關系[圖7(b)]. 理論上，采用d=a+blnN來標定是合理的，回歸系數(shù)更接近-1，標定偏差較小，更貼近理論預算. 但在比較窄的測量范圍內，也可以采用線性關系d=a+bN來標定，采用近似線性關系標定的實質是用1條居中的直線來代替曲線[圖7(c)]，兩端為負偏差，中間為正偏差.

源衰變的統(tǒng)計規(guī)律實驗:在穿透測量條件下，使放射源與探測器相距一定距離，中間不加樣品. 取定時時間為10 s，連續(xù)記錄100～200次計數(shù). 畫出計數(shù)分布的直方圖，求出單次計數(shù)的微分概率表達式，求出多次計數(shù)的積分概率和計數(shù)次數(shù)的積分概率.

低能γ射線物位測量模擬實驗:將放射源和探測器分置于礦泉水瓶兩側，中心軸線位于瓶的中部，每次加1 cm的水測量穿透計數(shù). 計數(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射線物位測量方法給出的計數(shù)率與　　　水位高度關系曲線

5結論

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

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[責任編輯：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：O571.1

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)05-0001-06

作者簡介：任延宇(1980-)，男，遼寧沈陽人，哈爾濱工業(yè)大學物理系講師，博士，從事高能重離子碰撞領域的研究.

收稿日期：2016-01-19；修改日期：2016-03-08