透射式特征X射线测厚技术实验研究

 赵　越,屈国普,胡创业,黄　云

(南华大学核技术学院,湖南衡阳　421001)

目前市场有各式各样的测厚仪,它们分别应用于不同领域,各自有优缺点。同位素测厚仪主要有β测厚仪,γ测厚仪。由于β射线的能量是连续的,β测厚仪测量范围较小;在不同的厚度范围要采用不同的补偿方法,测量有一定的局限性。γ射线能量较大,不适合用于较薄物质的测量。特征X射线能量较低,能量单一;由特征X射线的特性可以预见,特征X射线对较薄的物质测量效果会比较好,目前国内外尚未有利用特征X射线测量物质厚度研究的报道,本文对特征X射线测纸张厚度进行了实验研究。

1　透射式特征X射线测厚原理

当一束准直的特征X射线通过吸收物质,射线与物质主要发生光电效应,康普顿散射。特征X射线的强度将减弱,射线减弱将遵循以下规律:

式中I0为没有穿过物质时射线的强度,I为射线穿过物质后的强度,μm为质量吸收系数,dm为质量厚度[1,3]。将(1)式变形得:

实际测量中必须先测量射线的强度I0值,然后再测量射线穿过已知标准厚度的射线强度I,用最小二乘法拟合得到如下曲线:

将K,b值存入计算机作为初始化数据。由公式(3),利用检测出透过被测物质后射入探测器的射线强度,即可计算出被测物质的厚度值。

2　测量系统组成及测量原理

2·1　测量系统组成

测厚装置由特征X射线发生装置,正比记数管,前置放大器,主放大器,单道分析器,定标器组成。结构简图如图1所示。

2·2　测量原理

本实验的特征X射线产生方法利用源激发,激发源为238Pu,靶物质为铁(或铜),238Pu源的衰变半周期为87.74年。当靶物质为铁和铜时,产生特征X射线的能量分别为6.39keV、8.03keV[2]。特征X射线通过被测物质时部分被吸收,穿过物质部分到达正比计数管探头产生脉冲信号,信号经前置放大器和主放大器放大以后送入单道,单道工作在积分测量方式,选定阈值并成形后送入定标器,由定标器直接记录射线强度,然后利用一组已知质量厚度的标准物质分别测出其对应的I0和I来刻度测量系统,求出测量系统的工作曲线。通过测量穿过未知厚度后的射线强度即可根据工作曲线求出被测物质的厚度。测量系统的工作曲线,采用最小二乘法对数据进行拟合获得。

3·1　最小二乘法

在科学实验的统计方法中,要从一组实验数据(xi,yi)中寻找出自变量x和因变量y之间的函数关系y=f(x)。由于观测数据不够准确,因此并不要求y=f(x)经过所有的点(xi,yi)而只要求在给定点xi上误差δi=f(xi)-yi按照某种标准达到最小,通常采用欧氏范数‖δ‖2作为误差量度的标准,这就是最小二乘法。