射线探测、透射、散射系列实验的优化设计

刘超卓

(中国石油大学(华东) 理学院， 山东 青岛 266580)



刘超卓

(中国石油大学(华东) 理学院， 山东 青岛 266580)

系统介绍了实验项目“γ射线的探测技术、透射和散射规律及应用系列实验”建设的工作思路、创新内容和取得的成果。实验整体分为4个主要专题：γ射线探测技术的原理研究、γ射线探测技术的仪器应用研究、γ射线的散射规律及应用研究、γ射线的透射规律及应用研究，使学生系统理解γ射线与物质相互作用的规律，掌握仪器的探测技术原理及射线的透射、散射规律。在基本内容的基础上，与核技术工业应用、石油工程领域应用结合，设置了探索性、设计性、创新性等研究型实验环节；在教学环节上，学生“预习+实验+总结”三位一体，书面和口头考核结合。这些改革有效增强了学生创新意识，培养学生创新能力。

实验设计；射线; 探测； 透射； 散射

γ射线实验涉及“三核”(核科学、核技术、核工程)等专业的实验教学部分核心内容[1-3]。γ射线的探测技术、散射和透射规律研究，是物理类、材料类等相关专业“近代物理实验”课程的重要专题。γ射线与物质相互作用主要有光电效应、康普顿效应、电子对效应。这3种效应是探测γ射线的理论基础，传统上开设的实验项目为“NaI晶体谱仪及γ能谱分析”，仪器采用国内通用的相对论效应实验谱仪[4]，其中的一体化能谱分析器集成了探头电源、信号放大器、多道分析器，其黑箱式的仪器设计，使得学生在认识仪器工作原理方面大打折扣。传统实验项目“γ射线的吸收”操作简单，学生往往意犹未尽，期待创新却缺乏引导[5]。近年来，国内开设“康普顿散射”实验项目的高校逐渐增多[6]，但都与前2个实验项目割裂开来。现有的3个实验项目相对独立，缺乏整体性，学生对原理和规律认识不深，使得创新性内容难上档次，严重削弱了该系列实验的创新教育功能。经过多年设计和实践，确立了“γ射线的探测技术、透射和散射规律及应用系列实验”这一综合实验项目，涵盖了原有内容，注重内容之间的衔接和联系，强化了原理性的认识实验环节，在基本实验内容的基础上，增强实验的研究性和应用性，设计了创新内容环节，实践教学取得了良好效果，教师和学生累计发表研究论文7篇[7-13]，项目在2012年入选学校的首批“精品实验项目”。

1 设计思路和实验内容

围绕γ射线与物质相互作用这一核心内容，加深实验原理介绍和仪器研究，设计探索性、创新性、设计性等研究型的实验环节，提高学生的创新意识、创新能力，在教学环节上做到培养学生的创造性与发挥学生的创造性相结合，从教学内容的整体优化角度出发，精心设计了4个专题。

(1) 拓展一般性内容。“NaI晶体谱仪及γ能谱分析”，设计了专题I“γ射线探测技术的原理研究”、专题II“γ射线探测技术的仪器应用研究”。在专题I部分，采用独立电源、NaI能谱探头、单道脉冲幅度分析器、自动定标器，由学生搭建能谱仪，让学生使用示波器观测并记录各级部件输入和输出信号特征，再通过调整单道脉冲幅度分析器微分工作模式下的甄别电压阈值，手工记录定标器计数，最终实现整个能谱的获得，增强学生对仪器硬件工作原理的了解[7]。在专题II部分，采用集成化的能谱仪，由计算机自动采集数据，侧重研究能谱仪的性能指标、测量方法和结果，如确定合适的工作条件、分析实验测得的γ能谱特征等，为能谱技术的实际应用夯实基础。同时设置探索性实验内容，如未知射线的γ能谱、γ射线的能谱分解研究、石油核测井技术中的γ能谱获得与分析等，满足不同层次学生的需要。

(2) 将经典的“康普顿散射”实验设计成专题III“γ射线的散射规律及其应用研究”[8]。X射线的康普顿散射是近代物理学史上一个获得诺贝尔奖的重要实验，这里采用γ射线研究，与X射线相比，其优点是康普顿散射效应要强得多，结果更加直观，使学生在实验室就能验证γ光的量子性，理解γ射线与物质相互作用的3种重要效应之一：康普顿-吴有训效应。通过散射可以获得不同能量的γ射线，再进行能谱测量，分析其特征，更加深入了解3种相互作用效应的概率特征。通过该实验，使学生学习测量微分散射截面的实验方法，了解截面(发生某种相互作用的概率)这一重要概念。推荐创新性实验内容，如采用散射方法测定物质的浓度、用γ射线散射法尝试检测埋地输油管道中的油垢厚度等。

(3) 设置专题IV“γ射线的透射规律及其应用研究”，使学生进一步了解γ射线与物质相互作用的基本特性、在不同物质中吸收规律的共性(强度随吸收体的厚度呈指数衰减，而光子的能量不变)，测量不同能量的γ射线在不同物质中的吸收系数，为γ射线的辐射防护提供指导。射线的透射技术在工业中应用广泛，例如工业探伤和CT等，一般实验室不可能给学生直接开设这类实验，但是原理基本相同，我们推荐学生开展自主设计实验，如尝试用透射方法测量石油机械部件不同金属的厚度、原油的含气率和含水率等。也鼓励学生开展工业用的密度计、厚度计、液位计的原理研究等，为实验学习和今后的工程实际应用搭建起桥梁。

2 教学实施过程和效果

实验内容改革的同时，在教学方法上也做了相应探索，以教师启发指导学习为主线，以学生自主探索学习为主体，将实验分为3个阶段：

(1) 预习阶段。教师整体讲授实验和仪器基本原理，涵盖4个专题。学生系统预习讲义、熟悉仪器、在实验之前写出预习报告，了解实验内容、仪器构造、操作要领和注意事项，明确实验步骤、草拟数据表格。

(2) 实验阶段。限于仪器数量有限，学生按照4个专题的次序，循环开展4轮实验。教师检查学生预习情况，除预习报告外，对学生进行口头问题式检查。要求学生认真观察实验的每一个细节，高质量完成基本内容，鼓励深入思考，发现新问题，探索新应用。

(3) 总结阶段。要求学生对实验数据进行系统整理，按照科学研究的方式来处理实验数据，写出结论。要求研究有思路、有深入的分析和讨论，鼓励学术报告式的演讲汇报和进一步开展创新课题研究。

通过整体化的内容优化设计，学生对γ射线与物质相互作用的物理过程有了更加系统的认识。实验准备强化了对原理的思考，注重理论知识与实验实践的融会贯通；实验过程学生都有明确的计划步骤和求实认真的实验态度；在实验的总结部分，学生的数据图表规范，分析有自己的见解，部分创新成果以科技论文形式获得了发表。

在专题I部分，学生通过自行搭建实验设备，对实验仪器的原理了解更加深入，避免了“黑箱”式实验仪器教学的误区，为进一步的仪器应用和创新应用研究打下了良好的基础。此设计得到了同行的认可[7]。

在开展专题III的实验时，学生发现放射源铅室处于关闭状态，仍能探测到较强的环境辐射能谱，有一种未知的射线。经过反复实验，最终发现屏蔽室的出射孔位置存在安全隐患，是放射源γ射线在铅室内部发生康普顿散射后的射线，通过出射孔射出，这一结果发表在我国辐射防护领域的核心期刊上[9]，也为仪器的改进提供了很有价值的建议。

在开展专题IV的实验时，学生尝试不同的材料交叉排列，研究γ射线的吸收特征，仔细分析其中原理，写出了1篇发表在《科学技术与工程》上的科技论文[10]。

学生从以前只注重实验内容本身，转变为更加积极地思考实验规律在实际生产中的运用。结合我校服务国家石油能源的特色，先后有多位学生系统开展了散射或透射方法研究原油管道中的油垢厚度的测量实验，发表了科技论文3篇[11-13]。通过实验教学，学生也创造性地提出许多研究小课题，如尝试用小剂量放射源开展康普顿散射实验，先后承担了大学生创新训练项目2项，促进了实验项目内容的不断丰富和发展。

3 小结

(1) 建立了较完备的实验内容体系，设计4个专题涵盖了γ射线探测技术的原理研究、仪器研究、散射规律研究和透射规律研究，有效保障了学生对知识的整体把握。各专题之间的相互联系，加深了学生对原理和方法的认识，为γ射线技术的实际应用打下基础。

(2) 增设了培养学生创新意识的环节，在基本实验内容基础上，开辟探索性、创新性、设计性等研究型实验，培养学生的创新意识和应用知识能力。

(4) 教学过程注重考查学生的全面实验能力，教师积极引导，强化学生自主能力，“预习+实验+总结”三位一体，书面报告和口头汇报结合。

(5) 实验项目建设取得了一批成果，教师和学生先后发表了多篇研究论文，丰富发展了实验教学内容，最终建成了学校的精品实验项目。

References)

[1] 张雪梅,黄敏,陈建新. 复旦大学核技术专业实验教学体系的创建与运行[J]. 中国大学教学,2013(1):88-90.

[2] 胡碧涛,张宇.核科学与技术实验教学体系建设[J]. 高等理科教育,2009 (4):100-102.

[3] 韩冬,王忠,王金爱,等.辐射探测实验室实验平台的建设[J].实验技术与管理,2009,26(5):79-80,87.

[4] 陈玲燕,顾牡,秦树基,等.相对论效应实验谱仪的系列教学实验[J].物理实验,2000,20(3):3-5.

[5] 郑贤利,谢菊英,宋碧英,等.创新核技术实验教学培养创新实践能力[J].高校实验室工作研究,2011(1):86-87.

[6] 顾金虎,刘义保,杨波,等.康普顿效应散射装置简介[J].物理与工程,2009,19(1):33-35,38.

[7] 刘超卓,孙立杰,牛法富. 闪烁γ能谱仪工作过程的实验设计[J]. 实验技术与管理,2012,39(10):76-80.

[8] 刘超卓,张建强,孙立杰,等.γ射线康普顿散射的能谱研究[J].核电子学与探测技术,2012,32(10):1178-1182.

[9] 孙立杰,徐静,孟祥鹏,等.BH1307型康普顿散射谱仪的屏蔽优化[J].辐射防护,2012,32(3):155-159.

[10] 孟军华,徐静,刘超卓.基于异序排列吸收片的γ能谱的深入探究[J].科学技术与工程,2011,11(23):5636-5638.

[11] 徐静,李娜,赵东洋,等.石蜡对γ射线的透射和散射对比研究[J].科学技术与工程,2011,11(28):6823-6826.

[12] 徐静,严佳浩,孟祥鹏,等.基于伽马射线透射法的管道油垢厚度模拟测量[J].油气储运,2013,32(3):267-269.

[13] 张建强,孟祥鹏.用γ射线散射法模拟研究管道油垢厚度响应[J].大学物理,2014,33(2):58-61.

Optimized design of experiments on γ ray detection, transmission and scattering

Liu Chaozhuo

(College of Science,China University of Petroleum (East China),Qingdao 266580, China)

The overall consideration of the construction,the innovative contents and achievements are presented on one experimental teaching project titled by series experiments of γ ray detection,transmission property,scattering property and their application. The experiment is divided into the following four main topics: research on the principle of γ ray detection,on the application of γ ray detection apparatus,the scattering law of γ ray and its application,the transmission rule of γ ray and its application. This design benefits students to systematically understand the interaction of γ ray and matter,to master the principle of detection instruments,and the laws of transmittance and scattering of γ ray. Based on the basic contents,combined with the nuclear technology applications in petroleum engineering and industry,the research-typed steps of exploration,design,innovation are also advised. As for the experiment mode,the trinity of preview-performing-summary,both in written and oral examinations, is adopted. These reforms have improved the students’ innovation consciousness and quality.

experimental design; gamma ray(γ ray); detection; transmission; scattering

2014- 06- 12 修改日期：2014- 09- 16

中国石油大学(华东)教学改革项目(JY-B201437)

刘超卓(1979—)，男，山东阳谷，博士，副教授，主要从事核技术应用方面的研究和教学.

O571.1

A

1002-4956(2015)2- 0179- 03