射線探測、透射、散射系列實驗的優化設計

劉超卓

(中國石油大學(華東) 理學院， 山東 青島 266580)

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劉超卓

(中國石油大學(華東) 理學院， 山東 青島 266580)

系統介紹了實驗項目“γ射線的探測技術、透射和散射規律及應用系列實驗”建設的工作思路、創新內容和取得的成果。實驗整體分為4個主要專題：γ射線探測技術的原理研究、γ射線探測技術的儀器應用研究、γ射線的散射規律及應用研究、γ射線的透射規律及應用研究，使學生系統理解γ射線與物質相互作用的規律，掌握儀器的探測技術原理及射線的透射、散射規律。在基本內容的基礎上，與核技術工業應用、石油工程領域應用結合，設置了探索性、設計性、創新性等研究型實驗環節；在教學環節上，學生“預習+實驗+總結”三位一體，書面和口頭考核結合。這些改革有效增強了學生創新意識，培養學生創新能力。

實驗設計；射線; 探測； 透射； 散射

γ射線實驗涉及“三核”(核科學、核技術、核工程)等專業的實驗教學部分核心內容[1-3]。γ射線的探測技術、散射和透射規律研究，是物理類、材料類等相關專業“近代物理實驗”課程的重要專題。γ射線與物質相互作用主要有光電效應、康普頓效應、電子對效應。這3種效應是探測γ射線的理論基礎，傳統上開設的實驗項目為“NaI晶體譜儀及γ能譜分析”，儀器采用國內通用的相對論效應實驗譜儀[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，其黑箱式的儀器設計，使得學生在認識儀器工作原理方面大打折扣。傳統實驗項目“γ射線的吸收”操作簡單，學生往往意猶未盡，期待創新卻缺乏引導[5]。近年來，國內開設“康普頓散射”實驗項目的高校逐漸增多[6]，但都與前2個實驗項目割裂開來。現有的3個實驗項目相對獨立，缺乏整體性，學生對原理和規律認識不深，使得創新性內容難上檔次，嚴重削弱了該系列實驗的創新教育功能。經過多年設計和實踐，確立了“γ射線的探測技術、透射和散射規律及應用系列實驗”這一綜合實驗項目，涵蓋了原有內容，注重內容之間的銜接和聯系，強化了原理性的認識實驗環節，在基本實驗內容的基礎上，增強實驗的研究性和應用性，設計了創新內容環節，實踐教學取得了良好效果，教師和學生累計發表研究論文7篇[7-13]，項目在2012年入選學校的首批“精品實驗項目”。

1 設計思路和實驗內容

圍繞γ射線與物質相互作用這一核心內容，加深實驗原理介紹和儀器研究，設計探索性、創新性、設計性等研究型的實驗環節，提高學生的創新意識、創新能力，在教學環節上做到培養學生的創造性與發揮學生的創造性相結合，從教學內容的整體優化角度出發，精心設計了4個專題。

(1) 拓展一般性內容。“NaI晶體譜儀及γ能譜分析”，設計了專題I“γ射線探測技術的原理研究”、專題II“γ射線探測技術的儀器應用研究”。在專題I部分，采用獨立電源、NaI能譜探頭、單道脈沖幅度分析器、自動定標器，由學生搭建能譜儀，讓學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，手工記錄定標器計數，最終實現整個能譜的獲得，增強學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，由計算機自動采集數據，側重研究能譜儀的性能指標、測量方法和結果，如確定合適的工作條件、分析實驗測得的γ能譜特征等，為能譜技術的實際應用夯實基礎。同時設置探索性實驗內容，如未知射線的γ能譜、γ射線的能譜分解研究、石油核測井技術中的γ能譜獲得與分析等，滿足不同層次學生的需要。

(2) 將經典的“康普頓散射”實驗設計成專題III“γ射線的散射規律及其應用研究”[8]。X射線的康普頓散射是近代物理學史上一個獲得諾貝爾獎的重要實驗，這里采用γ射線研究，與X射線相比，其優點是康普頓散射效應要強得多，結果更加直觀，使學生在實驗室就能驗證γ光的量子性，理解γ射線與物質相互作用的3種重要效應之一：康普頓-吳有訓效應。通過散射可以獲得不同能量的γ射線，再進行能譜測量，分析其特征，更加深入了解3種相互作用效應的概率特征。通過該實驗，使學生學習測量微分散射截面的實驗方法，了解截面(發生某種相互作用的概率)這一重要概念。推薦創新性實驗內容，如采用散射方法測定物質的濃度、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) 設置專題IV“γ射線的透射規律及其應用研究”，使學生進一步了解γ射線與物質相互作用的基本特性、在不同物質中吸收規律的共性(強度隨吸收體的厚度呈指數衰減，而光子的能量不變)，測量不同能量的γ射線在不同物質中的吸收系數，為γ射線的輻射防護提供指導。射線的透射技術在工業中應用廣泛，例如工業探傷和CT等，一般實驗室不可能給學生直接開設這類實驗，但是原理基本相同，我們推薦學生開展自主設計實驗，如嘗試用透射方法測量石油機械部件不同金屬的厚度、原油的含氣率和含水率等。也鼓勵學生開展工業用的密度計、厚度計、液位計的原理研究等，為實驗學習和今后的工程實際應用搭建起橋梁。

2 教學實施過程和效果

實驗內容改革的同時，在教學方法上也做了相應探索，以教師啟發指導學習為主線，以學生自主探索學習為主體，將實驗分為3個階段：

(1) 預習階段。教師整體講授實驗和儀器基本原理，涵蓋4個專題。學生系統預習講義、熟悉儀器、在實驗之前寫出預習報告，了解實驗內容、儀器構造、操作要領和注意事項，明確實驗步驟、草擬數據表格。

(2) 實驗階段。限于儀器數量有限，學生按照4個專題的次序，循環開展4輪實驗。教師檢查學生預習情況，除預習報告外，對學生進行口頭問題式檢查。要求學生認真觀察實驗的每一個細節，高質量完成基本內容，鼓勵深入思考，發現新問題，探索新應用。

(3) 總結階段。要求學生對實驗數據進行系統整理，按照科學研究的方式來處理實驗數據，寫出結論。要求研究有思路、有深入的分析和討論，鼓勵學術報告式的演講匯報和進一步開展創新課題研究。

通過整體化的內容優化設計，學生對γ射線與物質相互作用的物理過程有了更加系統的認識。實驗準備強化了對原理的思考，注重理論知識與實驗實踐的融會貫通；實驗過程學生都有明確的計劃步驟和求實認真的實驗態度；在實驗的總結部分，學生的數據圖表規范，分析有自己的見解，部分創新成果以科技論文形式獲得了發表。

在專題I部分，學生通過自行搭建實驗設備，對實驗儀器的原理了解更加深入，避免了“黑箱”式實驗儀器教學的誤區，為進一步的儀器應用和創新應用研究打下了良好的基礎。此設計得到了同行的認可[7]。

在開展專題III的實驗時，學生發現放射源鉛室處于關閉狀態，仍能探測到較強的環境輻射能譜，有一種未知的射線。經過反復實驗，最終發現屏蔽室的出射孔位置存在安全隱患，是放射源γ射線在鉛室內部發生康普頓散射后的射線，通過出射孔射出，這一結果發表在我國輻射防護領域的核心期刊上[9]，也為儀器的改進提供了很有價值的建議。

在開展專題IV的實驗時，學生嘗試不同的材料交叉排列，研究γ射線的吸收特征，仔細分析其中原理，寫出了1篇發表在《科學技術與工程》上的科技論文[10]。

學生從以前只注重實驗內容本身，轉變為更加積極地思考實驗規律在實際生產中的運用。結合我校服務國家石油能源的特色，先后有多位學生系統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驗，發表了科技論文3篇[11-13]。通過實驗教學，學生也創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驗，先后承擔了大學生創新訓練項目2項，促進了實驗項目內容的不斷豐富和發展。

3 小結

(1) 建立了較完備的實驗內容體系，設計4個專題涵蓋了γ射線探測技術的原理研究、儀器研究、散射規律研究和透射規律研究，有效保障了學生對知識的整體把握。各專題之間的相互聯系，加深了學生對原理和方法的認識，為γ射線技術的實際應用打下基礎。

(2) 增設了培養學生創新意識的環節，在基本實驗內容基礎上，開辟探索性、創新性、設計性等研究型實驗，培養學生的創新意識和應用知識能力。

(4) 教學過程注重考查學生的全面實驗能力，教師積極引導，強化學生自主能力，“預習+實驗+總結”三位一體，書面報告和口頭匯報結合。

(5) 實驗項目建設取得了一批成果，教師和學生先后發表了多篇研究論文，豐富發展了實驗教學內容，最終建成了學校的精品實驗項目。

References)

[1] 張雪梅,黃敏,陳建新. 復旦大學核技術專業實驗教學體系的創建與運行[J]. 中國大學教學,2013(1):88-90.

[2] 胡碧濤,張宇.核科學與技術實驗教學體系建設[J]. 高等理科教育,2009 (4):100-102.

[3] 韓冬,王忠,王金愛,等.輻射探測實驗室實驗平臺的建設[J].實驗技術與管理,2009,26(5):79-80,87.

[4] 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,2000,20(3):3-5.

[5] 鄭賢利,謝菊英,宋碧英,等.創新核技術實驗教學培養創新實踐能力[J].高校實驗室工作研究,2011(1):86-87.

[6] 顧金虎,劉義保,楊波,等.康普頓效應散射裝置簡介[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驗設計[J]. 實驗技術與管理,2012,39(10):76-80.

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[12] 徐靜,嚴佳浩,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].油氣儲運,2013,32(3):267-269.

[13] 張建強,孟祥鵬.用γ射線散射法模擬研究管道油垢厚度響應[J].大學物理,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(華東)教學改革項目(JY-B201437)

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

O571.1

A

1002-4956(2015)2- 0179- 03