射線探測、透射、散射系列實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉超卓

(中國石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院， 山東 青島 266580)

?

劉超卓

(中國石油大學(xué)(華東) 理學(xué)院， 山東 青島 266580)

系統(tǒng)介紹了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“γ射線的探測技術(shù)、透射和散射規(guī)律及應(yīng)用系列實(shí)驗(yàn)”建設(shè)的工作思路、創(chuàng)新內(nèi)容和取得的成果。實(shí)驗(yàn)整體分為4個(gè)主要專題：γ射線探測技術(shù)的原理研究、γ射線探測技術(shù)的儀器應(yīng)用研究、γ射線的散射規(guī)律及應(yīng)用研究、γ射線的透射規(guī)律及應(yīng)用研究，使學(xué)生系統(tǒng)理解γ射線與物質(zhì)相互作用的規(guī)律，掌握儀器的探測技術(shù)原理及射線的透射、散射規(guī)律。在基本內(nèi)容的基礎(chǔ)上，與核技術(shù)工業(yè)應(yīng)用、石油工程領(lǐng)域應(yīng)用結(jié)合，設(shè)置了探索性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性等研究型實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)；在教學(xué)環(huán)節(jié)上，學(xué)生“預(yù)習(xí)+實(shí)驗(yàn)+總結(jié)”三位一體，書面和口頭考核結(jié)合。這些改革有效增強(qiáng)了學(xué)生創(chuàng)新意識，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)；射線; 探測； 透射； 散射

γ射線實(shí)驗(yàn)涉及“三核”(核科學(xué)、核技術(shù)、核工程)等專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)部分核心內(nèi)容[1-3]。γ射線的探測技術(shù)、散射和透射規(guī)律研究，是物理類、材料類等相關(guān)專業(yè)“近代物理實(shí)驗(yàn)”課程的重要專題。γ射線與物質(zhì)相互作用主要有光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對效應(yīng)。這3種效應(yīng)是探測γ射線的理論基礎(chǔ)，傳統(tǒng)上開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目為“NaI晶體譜儀及γ能譜分析”，儀器采用國內(nèi)通用的相對論效應(yīng)實(shí)驗(yàn)譜儀[4]，其中的一體化能譜分析器集成了探頭電源、信號放大器、多道分析器，其黑箱式的儀器設(shè)計(jì)，使得學(xué)生在認(rèn)識儀器工作原理方面大打折扣。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“γ射線的吸收”操作簡單，學(xué)生往往意猶未盡，期待創(chuàng)新卻缺乏引導(dǎo)[5]。近年來，國內(nèi)開設(shè)“康普頓散射”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的高校逐漸增多[6]，但都與前2個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目割裂開來?，F(xiàn)有的3個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目相對獨(dú)立，缺乏整體性，學(xué)生對原理和規(guī)律認(rèn)識不深，使得創(chuàng)新性內(nèi)容難上檔次，嚴(yán)重削弱了該系列實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新教育功能。經(jīng)過多年設(shè)計(jì)和實(shí)踐，確立了“γ射線的探測技術(shù)、透射和散射規(guī)律及應(yīng)用系列實(shí)驗(yàn)”這一綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，涵蓋了原有內(nèi)容，注重內(nèi)容之間的銜接和聯(lián)系，強(qiáng)化了原理性的認(rèn)識實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，在基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的研究性和應(yīng)用性，設(shè)計(jì)了創(chuàng)新內(nèi)容環(huán)節(jié)，實(shí)踐教學(xué)取得了良好效果，教師和學(xué)生累計(jì)發(fā)表研究論文7篇[7-13]，項(xiàng)目在2012年入選學(xué)校的首批“精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目”。

1 設(shè)計(jì)思路和實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

圍繞γ射線與物質(zhì)相互作用這一核心內(nèi)容，加深實(shí)驗(yàn)原理介紹和儀器研究，設(shè)計(jì)探索性、創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性等研究型的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力，在教學(xué)環(huán)節(jié)上做到培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性與發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造性相結(jié)合，從教學(xué)內(nèi)容的整體優(yōu)化角度出發(fā)，精心設(shè)計(jì)了4個(gè)專題。

(1) 拓展一般性內(nèi)容?！癗aI晶體譜儀及γ能譜分析”，設(shè)計(jì)了專題I“γ射線探測技術(shù)的原理研究”、專題II“γ射線探測技術(shù)的儀器應(yīng)用研究”。在專題I部分，采用獨(dú)立電源、NaI能譜探頭、單道脈沖幅度分析器、自動(dòng)定標(biāo)器，由學(xué)生搭建能譜儀，讓學(xué)生使用示波器觀測并記錄各級部件輸入和輸出信號特征，再通過調(diào)整單道脈沖幅度分析器微分工作模式下的甄別電壓閾值，手工記錄定標(biāo)器計(jì)數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)能譜的獲得，增強(qiáng)學(xué)生對儀器硬件工作原理的了解[7]。在專題II部分，采用集成化的能譜儀，由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，側(cè)重研究能譜儀的性能指標(biāo)、測量方法和結(jié)果，如確定合適的工作條件、分析實(shí)驗(yàn)測得的γ能譜特征等，為能譜技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用夯實(shí)基礎(chǔ)。同時(shí)設(shè)置探索性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如未知射線的γ能譜、γ射線的能譜分解研究、石油核測井技術(shù)中的γ能譜獲得與分析等，滿足不同層次學(xué)生的需要。

(2) 將經(jīng)典的“康普頓散射”實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成專題III“γ射線的散射規(guī)律及其應(yīng)用研究”[8]。X射線的康普頓散射是近代物理學(xué)史上一個(gè)獲得諾貝爾獎(jiǎng)的重要實(shí)驗(yàn)，這里采用γ射線研究，與X射線相比，其優(yōu)點(diǎn)是康普頓散射效應(yīng)要強(qiáng)得多，結(jié)果更加直觀，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室就能驗(yàn)證γ光的量子性，理解γ射線與物質(zhì)相互作用的3種重要效應(yīng)之一：康普頓-吳有訓(xùn)效應(yīng)。通過散射可以獲得不同能量的γ射線，再進(jìn)行能譜測量，分析其特征，更加深入了解3種相互作用效應(yīng)的概率特征。通過該實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生學(xué)習(xí)測量微分散射截面的實(shí)驗(yàn)方法，了解截面(發(fā)生某種相互作用的概率)這一重要概念。推薦創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如采用散射方法測定物質(zhì)的濃度、用γ射線散射法嘗試檢測埋地輸油管道中的油垢厚度等。

(3) 設(shè)置專題IV“γ射線的透射規(guī)律及其應(yīng)用研究”，使學(xué)生進(jìn)一步了解γ射線與物質(zhì)相互作用的基本特性、在不同物質(zhì)中吸收規(guī)律的共性(強(qiáng)度隨吸收體的厚度呈指數(shù)衰減，而光子的能量不變)，測量不同能量的γ射線在不同物質(zhì)中的吸收系數(shù)，為γ射線的輻射防護(hù)提供指導(dǎo)。射線的透射技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，例如工業(yè)探傷和CT等，一般實(shí)驗(yàn)室不可能給學(xué)生直接開設(shè)這類實(shí)驗(yàn)，但是原理基本相同，我們推薦學(xué)生開展自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，如嘗試用透射方法測量石油機(jī)械部件不同金屬的厚度、原油的含氣率和含水率等。也鼓勵(lì)學(xué)生開展工業(yè)用的密度計(jì)、厚度計(jì)、液位計(jì)的原理研究等，為實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)和今后的工程實(shí)際應(yīng)用搭建起橋梁。

2 教學(xué)實(shí)施過程和效果

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容改革的同時(shí)，在教學(xué)方法上也做了相應(yīng)探索，以教師啟發(fā)指導(dǎo)學(xué)習(xí)為主線，以學(xué)生自主探索學(xué)習(xí)為主體，將實(shí)驗(yàn)分為3個(gè)階段：

(1) 預(yù)習(xí)階段。教師整體講授實(shí)驗(yàn)和儀器基本原理，涵蓋4個(gè)專題。學(xué)生系統(tǒng)預(yù)習(xí)講義、熟悉儀器、在實(shí)驗(yàn)之前寫出預(yù)習(xí)報(bào)告，了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、儀器構(gòu)造、操作要領(lǐng)和注意事項(xiàng)，明確實(shí)驗(yàn)步驟、草擬數(shù)據(jù)表格。

(2) 實(shí)驗(yàn)階段。限于儀器數(shù)量有限，學(xué)生按照4個(gè)專題的次序，循環(huán)開展4輪實(shí)驗(yàn)。教師檢查學(xué)生預(yù)習(xí)情況，除預(yù)習(xí)報(bào)告外，對學(xué)生進(jìn)行口頭問題式檢查。要求學(xué)生認(rèn)真觀察實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)細(xì)節(jié)，高質(zhì)量完成基本內(nèi)容，鼓勵(lì)深入思考，發(fā)現(xiàn)新問題，探索新應(yīng)用。

(3) 總結(jié)階段。要求學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)整理，按照科學(xué)研究的方式來處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，寫出結(jié)論。要求研究有思路、有深入的分析和討論，鼓勵(lì)學(xué)術(shù)報(bào)告式的演講匯報(bào)和進(jìn)一步開展創(chuàng)新課題研究。

通過整體化的內(nèi)容優(yōu)化設(shè)計(jì)，學(xué)生對γ射線與物質(zhì)相互作用的物理過程有了更加系統(tǒng)的認(rèn)識。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備強(qiáng)化了對原理的思考，注重理論知識與實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的融會(huì)貫通；實(shí)驗(yàn)過程學(xué)生都有明確的計(jì)劃步驟和求實(shí)認(rèn)真的實(shí)驗(yàn)態(tài)度；在實(shí)驗(yàn)的總結(jié)部分，學(xué)生的數(shù)據(jù)圖表規(guī)范，分析有自己的見解，部分創(chuàng)新成果以科技論文形式獲得了發(fā)表。

在專題I部分，學(xué)生通過自行搭建實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對實(shí)驗(yàn)儀器的原理了解更加深入，避免了“黑箱”式實(shí)驗(yàn)儀器教學(xué)的誤區(qū)，為進(jìn)一步的儀器應(yīng)用和創(chuàng)新應(yīng)用研究打下了良好的基礎(chǔ)。此設(shè)計(jì)得到了同行的認(rèn)可[7]。

在開展專題III的實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)放射源鉛室處于關(guān)閉狀態(tài)，仍能探測到較強(qiáng)的環(huán)境輻射能譜，有一種未知的射線。經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)屏蔽室的出射孔位置存在安全隱患，是放射源γ射線在鉛室內(nèi)部發(fā)生康普頓散射后的射線，通過出射孔射出，這一結(jié)果發(fā)表在我國輻射防護(hù)領(lǐng)域的核心期刊上[9]，也為儀器的改進(jìn)提供了很有價(jià)值的建議。

在開展專題IV的實(shí)驗(yàn)時(shí)，學(xué)生嘗試不同的材料交叉排列，研究γ射線的吸收特征，仔細(xì)分析其中原理，寫出了1篇發(fā)表在《科學(xué)技術(shù)與工程》上的科技論文[10]。

學(xué)生從以前只注重實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本身，轉(zhuǎn)變?yōu)楦臃e極地思考實(shí)驗(yàn)規(guī)律在實(shí)際生產(chǎn)中的運(yùn)用。結(jié)合我校服務(wù)國家石油能源的特色，先后有多位學(xué)生系統(tǒng)開展了散射或透射方法研究原油管道中的油垢厚度的測量實(shí)驗(yàn)，發(fā)表了科技論文3篇[11-13]。通過實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生也創(chuàng)造性地提出許多研究小課題，如嘗試用小劑量放射源開展康普頓散射實(shí)驗(yàn)，先后承擔(dān)了大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目2項(xiàng)，促進(jìn)了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目內(nèi)容的不斷豐富和發(fā)展。

3 小結(jié)

(1) 建立了較完備的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容體系，設(shè)計(jì)4個(gè)專題涵蓋了γ射線探測技術(shù)的原理研究、儀器研究、散射規(guī)律研究和透射規(guī)律研究，有效保障了學(xué)生對知識的整體把握。各專題之間的相互聯(lián)系，加深了學(xué)生對原理和方法的認(rèn)識，為γ射線技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

(2) 增設(shè)了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識的環(huán)節(jié)，在基本實(shí)驗(yàn)內(nèi)容基礎(chǔ)上，開辟探索性、創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性等研究型實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和應(yīng)用知識能力。

(4) 教學(xué)過程注重考查學(xué)生的全面實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Γ處煼e極引導(dǎo)，強(qiáng)化學(xué)生自主能力，“預(yù)習(xí)+實(shí)驗(yàn)+總結(jié)”三位一體，書面報(bào)告和口頭匯報(bào)結(jié)合。

(5) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)取得了一批成果，教師和學(xué)生先后發(fā)表了多篇研究論文，豐富發(fā)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，最終建成了學(xué)校的精品實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

References)

[1] 張雪梅,黃敏,陳建新. 復(fù)旦大學(xué)核技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的創(chuàng)建與運(yùn)行[J]. 中國大學(xué)教學(xué),2013(1):88-90.

[2] 胡碧濤,張宇.核科學(xué)與技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系建設(shè)[J]. 高等理科教育,2009 (4):100-102.

[3] 韓冬,王忠,王金愛,等.輻射探測實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2009,26(5):79-80,87.

[4] 陳玲燕,顧牡,秦樹基,等.相對論效應(yīng)實(shí)驗(yàn)譜儀的系列教學(xué)實(shí)驗(yàn)[J].物理實(shí)驗(yàn),2000,20(3):3-5.

[5] 鄭賢利,謝菊英,宋碧英,等.創(chuàng)新核技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)培養(yǎng)創(chuàng)新實(shí)踐能力[J].高校實(shí)驗(yàn)室工作研究,2011(1):86-87.

[6] 顧金虎,劉義保,楊波,等.康普頓效應(yīng)散射裝置簡介[J].物理與工程,2009,19(1):33-35,38.

[7] 劉超卓,孫立杰,牛法富. 閃爍γ能譜儀工作過程的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)[J]. 實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2012,39(10):76-80.

[8] 劉超卓,張建強(qiáng),孫立杰,等.γ射線康普頓散射的能譜研究[J].核電子學(xué)與探測技術(shù),2012,32(10):1178-1182.

[9] 孫立杰,徐靜,孟祥鵬,等.BH1307型康普頓散射譜儀的屏蔽優(yōu)化[J].輻射防護(hù),2012,32(3):155-159.

[10] 孟軍華,徐靜,劉超卓.基于異序排列吸收片的γ能譜的深入探究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2011,11(23):5636-5638.

[11] 徐靜,李娜,趙東洋,等.石蠟對γ射線的透射和散射對比研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2011,11(28):6823-6826.

[12] 徐靜,嚴(yán)佳浩,孟祥鵬,等.基于伽馬射線透射法的管道油垢厚度模擬測量[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2013,32(3):267-269.

[13] 張建強(qiáng),孟祥鵬.用γ射線散射法模擬研究管道油垢厚度響應(yīng)[J].大學(xué)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

中國石油大學(xué)(華東)教學(xué)改革項(xiàng)目(JY-B201437)

劉超卓(1979—)，男，山東陽谷，博士，副教授，主要從事核技術(shù)應(yīng)用方面的研究和教學(xué).

O571.1

A

1002-4956(2015)2- 0179- 03