能譜技術測量鋁塊厚度的實驗方法

摘要：核技術在國民經(jīng)濟中有廣泛的應用，本文重點介紹了利用γ射線能譜法測量鋁塊吸收系數(shù)和厚度的相關原理、實驗操作和數(shù)據(jù)的處理，使學生了解利用能譜技術測量材料厚度的具體實驗方法。

關鍵詞：核物理；鋁塊；測厚；γ射線；吸收系數(shù)

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A文章編號：1003-6148(2008)11(S)-0056-2

1 引言

隨著科學技術的發(fā)展，核技術有了更廣泛的利用，除了以核爆炸的形式被應用于軍事以外，核能還作為重要能源被和平利用。工業(yè)生產(chǎn)中對產(chǎn)品厚度的測量以及在線監(jiān)測等相關領域都需要新的測厚技術，由此在產(chǎn)品厚度的測量以及在線監(jiān)測等相關領域正在逐步地推廣和采用核物理的相關知識和技術。納米級薄膜技術的發(fā)展使薄膜厚度準確測量受到人們的高度重視。我們可以利用射線的穿透性對鋼板等各種材料的厚度進行測量［1］。

在物理教學中，讓學生對基礎科學技術的應用有所了解，對學習自然科學知識和培養(yǎng)科學素質(zhì)有很大的幫助。

2 測厚技術介紹

2.1 薄膜測厚技術介紹

目前，測量薄膜厚度的方法主要有：超聲波測厚、光學原理測厚和核技術測厚（即射線測厚）等。超聲波測厚是利用超聲波脈沖通過被測物體到達材料分界面時，脈沖被反射回探頭后利用反射的時間差，來測定薄膜厚度的。光學測厚一般是以光作為尺度測量手段，利用兩個界面的反射光所產(chǎn)生的光干涉效應原理來測量厚度。核技術測厚是利用射線穿過吸收介質(zhì)時，其相對強度按指數(shù)規(guī)律衰減的規(guī)律來測厚。一般的測厚儀器有光學測厚儀，如邁克耳孫干涉儀、橢偏測厚儀、激光測厚儀等［2］。核技術測厚儀有：X射線薄層分析儀、同位素測厚儀等。

2.2 射線測厚的優(yōu)點和種類

我們知道，有很多天然的和人工生產(chǎn)的核素都能自發(fā)地發(fā)射各種射線，射線通常具有強的穿透性，不同的射線具有不同的用途［3］。按射線的種類我們可以把測厚技術分為電磁波類：如X射線，γ射線，以及紅外線，紫外線，微波等。粒子類：如α射線，β射線，質(zhì)子射線，中子射線等。射線測厚根據(jù)射線發(fā)射機制的不同，可以分為人工射線測厚和同位素測厚。像X射線測厚方法屬于人工射線測厚方法 ［4］，而使用某些元素同位素所產(chǎn)生的天然射線的測厚方法，則稱為同位素測厚。相比之下，γ射線比X射線具有更大的優(yōu)勢，它可以用來作為輻射源去透視各種X射線不能透視的材料內(nèi)部的特性和缺陷［2-5］，作為自動檢查儀器及各種測量儀器在大規(guī)模生產(chǎn)中應用。γ射線穿透能力很強，可方便地發(fā)現(xiàn)各種金屬制品中的缺陷，對一定厚度的物體進行測量［7］。

一般情況下，X射線和γ射線、中子射線用于內(nèi)部缺陷以及金屬構件的探測［7］，中子射線也可以用于特殊結構的探測，如炮彈的探測等。β射線可以用作表面缺陷的探測。β射線穿透能力弱，可以對薄膜進行測量，由于穿透力很弱，比較環(huán)保。γ射線穿透能力很強，不但可以應用于厚度的測量，還可方便地發(fā)現(xiàn)各種金屬制品中的缺陷［5-8］。

3 γ能譜法測厚介紹

3.1 γ能譜測量原理

γ射線能譜法是核物理測厚里面的能譜測量技術。γ射線是原子核衰變或裂變時產(chǎn)生的電磁輻射。準直γ射線穿過吸收介質(zhì)時，其相對強度按指數(shù)規(guī)律衰減。γ光子與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應、康普頓效應和電子對效應損失能量。γ射線一旦與吸收物質(zhì)原子發(fā)生這三種相互作用，原來能量為hν的光子就消失，或散射后能量改變、并偏離原來的入射方向［5-7］。

準直后進入探測器的γ射線相對強度服從以下指數(shù)衰減規(guī)律：

I/I0=e-μd（1）

式中，I0、I分別是γ射線穿過物質(zhì)前、后的強度，μ稱為物質(zhì)的線性吸收系數(shù)，d是吸收物質(zhì)的厚度。實驗中引入Rm表示吸收體厚度。因此（1）式可表達為

I(R)=I0e-μmR/ρ（2）

由于在相同的實驗條件下，某一時刻的計數(shù)率N總與該時刻的γ射線強度I成正比，對上式取對數(shù)，則可以求出μm。

-μmρ=lnN2-lnN1R2-R1（3）

根據(jù)測量γ射線的能譜，得到γ射線的全能峰，其全能峰的面積與射線強度成正比，從而得到射線的強度［2］。同時，我們可以利用該公式，通過實驗測量出Al對137Cs的γ射線（取0.661MeV光電峰）的質(zhì)量吸收系數(shù)，從而測出Al片的厚度R。

3.2 質(zhì)量吸收系數(shù)的測量

我們使用的實驗儀器為Res99型相對論效應實驗譜儀，它由NaI閃爍晶體與光電倍增管組成檢測探頭包括：γ放射源為137Cs (強度≈2微居里)；200μmAl窗NaI(Tl)閃爍探頭、高壓電源、放大器、多道脈沖幅度分析器；Al吸收片若干以及微機等實驗儀器，實驗原理如圖1所示。

當閃爍晶體受到γ射線照射時，產(chǎn)生光電效應、康普頓散射和電子對效應，這些電子使閃爍體內(nèi)的分子電離而發(fā)光，經(jīng)光電倍增管形成電壓脈沖，由多道脈沖分析記錄脈沖數(shù)，可反映被測物體γ射線的輻射水平，得到射線能譜［6-7］。

在實驗時，我們首先調(diào)整實驗裝置［8］，使放射源、準直孔、閃爍探測器的中心位于一條直線上。在閃爍探測器和放射源之間加上0、1、2 ……片已知質(zhì)量厚度的吸收片（所加吸收片最后的總厚度要能吸收γ射線70%以上），進行定時測量（建議t=1200秒），然后記錄下相關的計數(shù)率N，并存下實驗譜圖。

3.3 數(shù)據(jù)處理與結果

我們經(jīng)過多次測量，根據(jù)測量γ射線的能譜，得到γ射線的全能峰。所以，計算所要研究的光電峰凈面積Ai，這樣求出的Ai就對應公式中的Ii、Ni。我們通過對保存和記錄的相關數(shù)據(jù)進行最小二乘擬合得到了最終結果［7］。

該方法測量的γ射線對鋁塊的質(zhì)量吸收系數(shù)為0.19597（cm-1 ），實驗教材給出的參考值為0.194（cm-1 ），相對誤差為1.01%。通過實驗驗證了相關的理論，說明該實驗在理論上和實際操作中都取得了較好的效果。

通過實際的運用和與其他方法的比較，我們認為該方法的測量過程簡單，數(shù)據(jù)較精確，實驗精度較好。實驗最大的特點是對被測量物體的要求低，測量范圍廣泛。

該方法能夠把測量得到的精確數(shù)據(jù)通過計算機在線控制、處理和分析，以實現(xiàn)過程的自動化，容易實現(xiàn)在線監(jiān)控和測量。不但可以測量材料的厚度，還可以探測到材料內(nèi)部的特性和缺陷，不會破壞樣品，達到無損檢測的目的。例如可以用作集裝箱的檢測和機場行李和包箱的安全檢測。該方法便于推廣，具有傳統(tǒng)檢測方法所不具備的優(yōu)點。 

4 結語

本文介紹了核技術相關方法以及在測量材料厚度上的應用。重點介紹了用核技術測量鋁塊厚度的學生實驗。作者認為應當將現(xiàn)代科技成就與中學物理教學相結合，體現(xiàn)出高新技術向中學實驗內(nèi)容的滲透。這樣做既使學生盡早接觸到新信息、新技術，又兼顧了實驗方法與技能的鍛煉，這有利于提高學生的創(chuàng)新能力，為他們成為創(chuàng)新人才打下良好基礎。這既滿足了學生的興趣和愛好，又調(diào)動了教師和學生的積極性，也提高了儀器設備的使用效益，效果很好。

參考文獻:

［1］楊化中，姚澤恩，賈文寶，等.散料γ射線測厚方法的研究［J］.核電子學與探測技術，1998(18):21.

［2］陳英琦，陳玲燕，等.用γ射線能譜法測量材料的吸收系數(shù)和厚度［J］.同位素，2004(2):21.

［3］張治平，劉圣康.慢中子束對鋼板的靜態(tài)測厚研究［J］. 同位素，1997，(8):178.

［4］陳忠，β測量新材料密度中標準材料的選擇［J］.核電子學與探測技術，2007(3):405.

［5］陳玲燕，顧牡，秦樹基，等.相對論效應實驗譜儀的系列教學實驗［J］.物理實驗，2000(3):3.

［6］盧希庭，原子核物理［M］.北京: 原子能出版社，2001.

［7］復旦大學，清華大學，北京大學合編.原子核物理實驗方法［M］.北京:原子能出版社，1985.

［8］實驗儀器為同濟大學物理系研制的Res99型相對論效應實驗譜儀.

(欄目編輯王柏廬)