散射式仪表及其特点

散射式仪表是测量被物质散射或反射的射线强度的仪表，其特点是放射源和辐射探测器置于被测物质同一侧。由于射入物质的射线与被测物的相互作用，其中一部分射线被散射。射入探测器的射线强度与放射源至被测物质的距离以及被测物质的成分、密度、厚度、表面状态等因素有关。与透射式仪表一样，在其他条件不变，只改变其中一个参数时，测得的反散射射线强度就仅随此参数变化。利用这种方法可测量薄板的厚度、覆盖层厚度、材料的成分和密度等，还可用于测量运动体之间的距离。

反射式仪表主要用于透射式仪表不能应用的场合，如被测材料很宽、很大、很厚或另一侧不可能安装仪表或不易接近的情况等。例如，要测量橡胶压延机轧辊上橡胶片的厚度，就得采用反射式仪表。反射式仪表也具有非破坏、无接触的特点。但比起透射式仪表来，在同样的源强及探测器情况下，信号要小一至两个数量级，同时对几何位置更加敏感，同样精度要求下，比透射式仪表制作难度大。

对反散射测厚仪来说，精确地计算反散射射线强度I_x与散射体厚度d的关系是很困难的，为了半定量地说明问题，我们先考虑γ射线的情况（因为β射线的情况更为复杂），其次假定射线垂直入射又反向180°折回的最简单情况。如图2.5-11所示，首先考虑散射体内距表面x处dx层散射的γ射线强度。由于厚度为x的表面层的衰减，该处入射线的强度为I^-μx₀。式中，μ为散射体对原始γ射线的总线性吸收系数。若σ为散射体对原始射线的康普顿效应吸收系数，则dx层内产生的反散射γ射线强度为σI₀e^-μx。它们中从散射体中反向射出的γ射线强度可近似用式（2.5-13）表示

式中 μ′——反散射γ射线的总线性吸收系数；

η——比例系数，这是由于散射回来的X射线是朝向各个方向的，由物质中散射的射线只有180°反射的经过的路程才是x。

图2.5-11 γ反散射简化计算原理图

要再次强调的是，式（2.5-13）只是一个近似的表达式。若对此式从0到总厚度d积分，可得

探测器记录到的射线强度还必须考虑几何探测效率及探测器本身的探测效率。

由式（2.5-14）可见，反散射线强度随厚度增加而上升，最后趋向一定的饱和值。图2.5-12是铝对²⁴¹Am放射源用电离室测得的反散射特性曲线。

对不同的材料，反散射饱和厚度是不同的。吸收系数越大饱和厚度越小，表2.5-9列出了几种材料对γ源²⁴¹Am的饱和厚度，表中所列数值是按180°反射情况测得的。

图2.5-12 铝对²⁴¹Am的反散射特性曲线

表2.5-9 几种材料对²⁴¹Am的γ射线的饱和厚度

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可以看出饱和反散射电流值随原子序数增加而迅速减小。这可用前面的公式进行解释。饱和反散射和入射线的比值与成正比，随原子序数增加σ增加较慢，近似为1次方关系，而光电吸收系数近似地与原子序数的5次方成正比，因此总吸收系数μ要比σ增强快得多。所以随原子序数增加而迅速减小。在（μ+μ′）d＜＜1的情况下，可近似地得到I_x=σI₀d。

反散射γ射线强度近似地与厚度d呈线性关系。这与透射式仪表的情况很不相同，在透射仪表中测得射线强度与厚度d是指数衰减的关系。

对β反散射仪表而言，也有类似的规律，但情况更为复杂。而且很多应用情况下，不一定能满足μd＜＜1。β反散射射线的强度与散射体厚度之间的半经验公式可表示为

I_x=I_s（1-e^-kρ^d） （2.5-15）

式中 I_x、I_s——分别为厚度为d或“无限大”时的反散射β射线强度；

ρ、d——分别为散射体的密度和厚度；

k——与射线能量有关的系数。

图2.5-13是一个实际应用的γ反散射橡胶厚度计原理图。

该仪器用于实时测量橡胶压延机轧辊上胶层厚度。γ放射源为²⁴¹Am、探头与放射源置于被测物的同一侧。由于反散射的射线强度比透射式仪表小，电离室的工作电流也比透射式仪表小1～2个数量级。测量中对探头与轧辊之间的相对几何位置要求很严，如果在测量中变动将影响最后的精度。从探头输出的信号由二次仪表再送到计算机，最后按一定规律控制执行机构调整轧辊的间隙，以保证胶片的厚度在要求的范围内。

β反散射常用于测量金属镀层厚度，其原理如图2.5-14所示。由于金属镀层与金属基体对β射线反射特性不同，反散射强度与镀层厚度有关，由探测器测得的信号强弱即可反映金属镀层厚度，探测器可用电离室或G-M计数管。放射源根据镀层种类和厚度进行选择。对反射式仪表，要注意防止射线向后直接射入探测器，因此源及源罐和探测器的装置往往要进行专门的设计。

图2.5-13 γ反散射橡胶厚度计原理图

图2.5-14 用β反散射测量金属镀层厚度原理

除直接应用β射线以外，还可利用测量β或γ射线在镀层中激发出来的特征X射线荧光的方法来测量镀层厚度。这种方法的最大优点是当镀层与金属基体原子序数相近时，或镀层很薄时都可应用，其原因在于不同的金属材料有不同的特征X射线。但探测设备要能鉴别其他的能量，比一般强度测量要复杂一些，通常应用正比计数器或闪烁探测器。放射源的能量应适合于激发被测材料产生X射线而干扰射线尽量少产生。源和探测器采用散射式几何布置，即在被测材料同一侧。对X荧光仪表更详细的论述，须查阅有关的专著。