核物理多功能教学实验仪的教学应用与功能开发

任延宇，马永和，霍　雷，冯启春，唐圭新

(哈尔滨工业大学 物理系，黑龙江 哈尔滨 150001)



核物理多功能教学实验仪的教学应用与功能开发

任延宇，马永和，霍雷，冯启春，唐圭新

(哈尔滨工业大学 物理系，黑龙江 哈尔滨 150001)

摘要：根据教学要求自主设计了核物理多功能教学实验仪，该仪器集高压、低压、放大、单道脉冲幅度分析器、IVC、VFC、定时、定标、控制与显示于一体，利用主机的公共资源，通过切换不同种类的探测器，选配不同种类、不同能量的放射源和不同几何配置的被探测样品，实现多功能的实验教学任务.

关键词：核物理；放射源；探测器

核物理实验是核物理专业的中心教学环节. 随着科学技术的进步和实验手段的提高，近年来出现了一些新的高性能实验仪器设备[1-2]. 特别是计算机在核物理实验中的应用，为核物理实验增添了无限的生机，推动了核科学技术的变革，开创了核技术应用的新时代. 核仪器的小型化、微机化、智能化，都促进了原子核物理不断开拓新的研究和应用领域. 核物理实验是理论与实践密切结合的基础课程，体现了多种学科实验技术的综合运用. 核物理实验教学可以培养学生理论联系实际，善于发现问题、分析问题和解决实际问题的能力，使学生初步掌握核物理的研究方法、核物理实验的特点、一般流程和规律，培养严谨的科学态度、实事求是和坚韧不拔的工作作风.

基础性的核物理实验主要是强度测量，其次是能量测量，测量系统往往由高压电源、低压电源、线性脉冲放大器[3-4]、单道脉冲幅度分析器、定标器等仪器组成. 测量系统连接繁琐且所占空间很大. 随着NIM系统的出现，组合插件构成的测量系统可使仪器结构紧凑，连接方便，但NIM系统成本较高，功能也较为单一.

图1　核物理多功能教学实验仪实物图

为满足核物理专业的教学要求，哈尔滨工业大学物理系自主设计了核物理多功能教学实验仪器，如图1所示. 自制的核物理多功能教学实验仪器是集高压、低压、放大、单道脉冲幅度分析器、IVC、VFC、定时、定标、控制与显示于一体，在充分利用主机公共资源的基础上，通过后面板上的接插件切换不同类型的探测器. 选配不同种类、不同能量的放射源和源探测器及不同几何参量的被探测样品，可实现多样性配置，从而实现多样性的功能.

1核物理多功能教学仪的结构概述

图2为核物理多功能教学实验仪的电气组成原理框图. 低压电源采用组件电源，固定在机壳地板上. ±15 V为线性脉冲放大器、甄别及分频供电，±12 V为I/V和V/F变换及高压电源供电，+5 V为定时、定标、控制和显示供电，+24 V为机外X射线发生器供电.

全部电路分成5块印刷电路板[5]，安装在主机箱内，分别是放大与单道板[6]、I/N与V/F板、定时与控制板、计数与显示板[7]、高压电源板[8].

高压电源采用集成模块结构[9]，3个高压模块安装在高压电源板上，其输出高压由后面板引出. 可调高压主要为闪烁探测器供电，也兼为G-M计数管和电流电离室饱和特性及线性测试时供电. 固定高压+380 V为G-M计数管的工作高压，-600 V为电流电离室的工作高压.

前面板集中了全部控制、显示、操作部件，包括定时设定、预置数设定、高压显示、计数显示、工作与自检选择、自动与手动选择、停止、清除、预置、启动按钮、高压调节、阈值及道宽调节、电源开关等.

后面板上的接插件可为切换闪烁探测器、计数管、电离室3类主要探测器提供方便. 后面板中间的信号输入座、四芯低压座、高压输出座3个接插件只接闪烁探测器，并且与FJ374(A),SG1121,FJ367等闪烁器兼容. 电离室的七芯插座针脚接线为自定义，其中+24 V接X射线发生器箱体，供产生X射线代替发射源之用. ±12 V接电离室，为就近I/V变换产生-600 V供电，作为应用性实验之用；做性能测试时，电离室转出电流可直接引出，也可直接就近I/V变换，而固定高压则改为可变高压. 最右边的五芯计数管座的针脚也是自定义，既可适应性能测试、二线制电路实验，也可适应FJ365计数器探头.

图2　电气原理框图

2核物理多功能教学仪器的配置

一般来说，核物理实验少不了发射源和探测器2个部件，还要有被测样品. 放射源S、探测器D和被测样品按其相对几何位置的不同，可分为穿透式测量和反散射式测量. 穿透式测量是指放射源和探测器分置于被测物的两侧，如图3所示. 反散射式测量是指放射源和探测器位于被测物的同侧，放射源和探测器的轴线可以互成一定角度，如图4所示，也可以相重合.

图3　穿透式测量几何布局示意图

图4　反散射式测量几何布局示意图

放射源可以是不同能量的X射线源、γ射线源、α射线源、β射线源、中子源等，不同种类的放射源和不同能量的射线需与不同种类的探测器相配合.

探测器采用工业应用和实验室常用的3类主要探测器：闪烁探测器、计数管和电离室. 闪烁探测器由闪烁体和光电倍增管组合而成，通过改换闪烁体的类型可实现对不同种类射线的探测. 例如：用厚NaI(TL)闪烁晶体可探测中、高能γ射线，用薄NaI(TL)闪烁晶体可探测X射线和低能γ射线，用ZnS(Ag)涂层闪烁体可探测α射线，用塑料闪烁体可探测β射线，用锂玻璃闪烁体可探测中子，等等. 常用的计数管和电离室通过制作工艺改变灵敏体积、电极材料、充气种类及压力、窗材料及厚度等也可实现对各种射线的探测.

被测物或被测样品可以是固体、液体、气体. 固体可呈板状、带状、片状、膜状，也可呈具有不同粒度分布的散状物料. 流体和气体没有固定形状，可在自然界散在分布，也可人为局限在不同形状不同尺寸的各类容器中.

3核物理多功能教学实验仪功能的多样性

由以上介绍可知，放射源、探测器和被探测样品的配置具有多样性，这也决定了仪器功能的多样性. 核物理多功能教学实验仪可完成以下理论验证型和应用型教学实验任务：

1) G-M计数管坪特性、分辨时间性能测试;

2) 电流电离层、饱和特性、线性等性能测试;

3) 闪烁探测器分辨时间、能量分辨率等性能测试;

4) 放射源衰变的统计规律实验;

5) 放射源计数的平方反比衰减规律实验;

6) 穿透式/反散射式各种板带材、纸张、橡胶、塑料薄膜等厚度的测量;

7) 穿透式/反散射式各种流体密度的测量;

8) 穿透式/反散射式各种散物料物位的测量;

9) 反散射式煤炭灰分/缺陷的检验实验;

10) γ射线的质量吸收系数/半减弱层厚度等防护量测量;

11) G-M计数管二线制电路长线传输抗衰减和干扰的实验;

12) X射线发生器及应用实验研究.

4利用238Pu低能γ源实验举例

238Pu为低能光子源，发射几种能量的γ射线，其主要成分的能量Eγ=15 keV. 该源外形尺寸为φ10 mm×6 mm，活性面为薄不锈钢窗. 适合探测低能γ射线的探测器选用φ40 mm×1 mm薄NaI(Tl)闪烁探测器，其型号为FJ374A，外形尺寸为φ65 mm×230 mm. 使用时将源装于铜皮套筒内，活性面朝下，通过薄片拉筋固于圆环形源架上. 当将环形源架套在闪烁探测器的下端并通过顶丝固定，其下放置被测样品，则可构成反散射测量方式. 当将环形源架翻过来，使源活性面朝上并与闪烁探测器相距一定距离，其间放置被测样品，则可构成穿透测量方式.

4.1反散射式测量

反散射强度与γ射线的能量、散射物质的原子序数或密度、散射物质的厚度有关，当γ射线能量和散射物质确定后，反散射强度I只与物质厚度d有关，随厚度增加，反散射强度最初是快速增加，然后变化趋缓，最后达到一稳定值，对应稳定值的厚度ds称饱和反散射厚度，如图5所示.

图5　反散射强度随厚度的变化关系

利用低能γ射线反散射方法测量物质(集体)成分时，应使被测物的厚度大于饱和反散射厚度；测量轻质材料厚度时，应使被测厚度范围远小于饱和反散射厚度，使其处于线性变化区段.

4.1.1煤炭灰分的测量实验

煤炭燃烧后的剩余物叫灰分(ash),灰分是煤炭的主要质量指标. 为分析方便，可把煤炭看成是二元或类二元的混合物. 一元是可燃成分，也叫煤质，其成分为C,H,O,N,S等，其等效原子序数约为6；另一元是不可燃烧的矿物质，其主要成分是Si,Ca,Al,Fe,Mg等，其等效原子序数约为12. 低能γ射线与物质的相互作用主要是光电效应和康普顿散射效应. 光电效应截面正比于原子序数Z的5次方，故与原子序数有强烈的依赖关系. 当灰分较低时，高Z物质含量较少，光电效应较弱，散射γ射线较强；当灰分较高时，高Z物质含量较多，光电效应较强，散射γ射线较弱. 因此，在反散射条件下，通过测量反散射γ射线的强度就可以反映出煤炭的灰分含量. 理论和实践证明，在比较窄的灰分范围内，灰分A与反散射γ射线的计数N具有线性关系：A=a+bN，式中a和b是标定常量，可通过对已知灰分的标准煤样进行实验标定来确定.

表1列出了对标准灰分样品的实验标定结果，煤样粒度为3 mm，煤样表面距源5 mm，煤样面密度2.9 g/cm2，高压VH=680 V，输入信号Vi=55 mV，放大倍数K=100，阈值Vy=0.5 V,计数分频F=64，定时t=30 s，N取2次测量的平均值.

表1　低能γ射线反散射方法标定煤炭灰分A的实验结果

灰分的拟合方程A=a+bN=53.140-0.016 6N,回归系数R=-0.997 0,标定的标准偏差σ=0.15.

4.1.2缺陷检测实验

缺陷检测的依据是反散射强度与密度成正比. 实验中采用深5 cm的长条形木箱装满粒度为3 mm的土壤，在不同位置埋入乒乓球、烟盒、空心金属等，刮平土壤表面，源端面距样品表面5 mm，移动木箱，每隔1 cm测1次计数. 图6为实验测得的计数(率)随位置的变化关系曲线. 如采用高能γ源可测得几十cm的深度，可应于墙体、路基、水坝等缺陷检测.

图6　　　　低能γ射线反散射方法检测均匀介质　　　内部缺陷的关系曲线

4.1.3低能γ射线反散射方法测量轻质材料的厚度

在饱和厚度以下反散射强度与厚度近似成线性关系. 实验中应设法去除被测物周围及下方不必要物体散射引起的干扰. 测量对象为140 g/cm2纸片，源与样品相距2 cm. 在1 000 g/cm2以下，厚度d与反散射计数N的标定方程为

d=a+bN=-149.6+4.2×10-3N,

R=0.994 2.

如果对同种基体材料上不同镀层或涂层的样品进行实验标定，反散射方法也可测镀层或涂层的厚度.

4.2穿透式测量

测量对象为100 μm厚的铝箔样品. S与D间距5 cm，定时t为10 s，其余电气参量同反散射测量. 实验结果列于表2.

表2　低能γ射线穿透方法测铝箔厚度的实验数据

对数标定方程为

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

R=-0.999 5,

σ=11.28 μm.

线性标定方程为

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

R=-0.994 9,

σ=36.14 μm.

按照吸收曲线的指数衰减规律，N-d为指数衰减关系[图7(a)]，即lnN-d为线性关系[图7(b)]. 理论上，采用d=a+blnN来标定是合理的，回归系数更接近-1，标定偏差较小，更贴近理论预算. 但在比较窄的测量范围内，也可以采用线性关系d=a+bN来标定，采用近似线性关系标定的实质是用1条居中的直线来代替曲线[图7(c)]，两端为负偏差，中间为正偏差.

源衰变的统计规律实验:在穿透测量条件下，使放射源与探测器相距一定距离，中间不加样品. 取定时时间为10 s，连续记录100～200次计数. 画出计数分布的直方图，求出单次计数的微分概率表达式，求出多次计数的积分概率和计数次数的积分概率.

低能γ射线物位测量模拟实验:将放射源和探测器分置于矿泉水瓶两侧，中心轴线位于瓶的中部，每次加1 cm的水测量穿透计数. 计数率随水位高度的变化如图8所示，其中虚线代表中心轴线高度.

(a)

(b)

(c)图7　吸收曲线及线性化处理示意图

图8　　低能γ射线物位测量方法给出的计数率与　　　水位高度关系曲线

5结论

自制的核物理多功能教学实验仪器集高压、低压、放大、单道脉冲幅度分析器、IVC、VFC、定时、定标、控制与显示于一体，在充分利用主机公共资源的基础上，通过后面板上的接插件切换不同类型的探测器. 选配不同种类、不同能量的放射源和探测器以及不同几何参量的被探测样品，可以实现多样性配置，从而实现仪器多样性的功能. 从教学实践来看，在该仪器上完全可以实现多种核物理教学实验课题. 这既加深了学生们对核探测手段的理解又节约了实验室资源，取得了非常好的教学效果. 随着开设核物理及相关专业的高等院校的不断增加，我们希望该多功能教学实验仪能在未来的核实验教学领域得到更加广泛的应用.

参考文献：

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[2]Zhou Chaoyang, Su Hong, Kong Jie, et al. A 16-channel gated integrator for high-resolution energy spectroscopy systems [J]. Nuclear Science and Techniques, 2012,23(4):237-241.

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[4]Evariste W T, Su Hong, Qian Yi, et al. Design and simulation of Gaussian shaping amplifier made only with CMOS FET for FEE of particle detector [J]. Nuclear Science and Techniques, 2010,21(5):312-315.

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[7]雷环利，计丹，黄光明，等. 智能定标器的设计与实现[J]. 物理实验，2002,22(7):17-20.

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[9]沈雷. CMOS集成电路原理及其应用[M]. 北京：光明日报出版社,1986：438-440.

[责任编辑：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

中图分类号：O571.1

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)05-0001-06

作者简介：任延宇(1980-)，男，辽宁沈阳人，哈尔滨工业大学物理系讲师，博士，从事高能重离子碰撞领域的研究.

收稿日期：2016-01-19；修改日期：2016-03-08