射线检测的物理基础

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1、 射线检测的物理基础 射线检测的物理基础1.1 射线的产生及性质1.1 射线的产生及性质1.1.1 射线的分类 射线是宏观上直线高速运动的微观粒子流。物理学上的射线又称辐射。射线种类很多，其性质、产生机理、与物质作用时的行为也各不相同，有人为产生的射线，也有客观存在的射线。按射线粒子是否带有电荷可做如下分类：1、带有电荷的射线 带有电荷的射线种类很多。根据所带电荷性质不同又可把它们分为带正电荷的射线和带负电荷的射线。前者如：射线、质子射线等；后者如射线（电子束）等。2、不带电荷的射线这类射线如 x 射线、射线、中子射线等。这些微观粒子本身都不带电荷，其中中子射线是一种实际存在的物质粒子，有质量

2、、大小；而 x、射线是没有静止质量、几何尺寸，但有一定能量的光量子。实质上，x、射线的本质都是电磁波的一部分。如图 1-1 所示：辐射波长 单位:埃()106 105 104 103 102 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 (105)(104)(103)(102)(10)(1)(10-1)(10-2)(10-3)(10-4)(10-5)(10-6)nm 可 x 射线 无线电波 红外线 见 紫外线 射线 宇宙射线 光图 1-1 电磁波谱 因为 x、射线不带电荷，没有质量，所以它们不受电磁场的影响，在与物质作用时有较强的穿透力，一般射线探伤用的都是 x、射线，而中子射线

3、和高能射线探伤只在很小范围内使用，所以这里只对 x、射线进行讨论。1.1.2 射线的产生1、X 射线（亦称“伦琴射线”）的产生 根据经典的电磁理论，高速运动的带电粒子受阻会产生电磁辐射，亦称韧致辐射。在射线管两极高电压的作用下，从阴极发出的电子会得到加速，高速运动的电子在受到阳极靶的阻遏时将产生韧致辐射，使一部分能量转变成 x 射线，而绝大部分则以热能形式释放出来。产生 x 射线的基本条件：(1)要有一定数量的电子(2)电子向一定方向高速运动(3)在电子前进的路径上，有阻止电子运动的障碍物。2、射线的产生质子数相同而中子数不同的元素称为同位素。同位素有稳定和不稳定两种，不稳定同位素也叫放射性同

4、位素，它会自发蜕变，变成另一种元素，同时放出各种射线，这种现象称为放射性衰变。射线是放射性同位素经过衰变（或）后，从激发态向稳定态过度的过程中，从原子核内发出的。以放射性同位素 Co60 为例，Co60 经过一次衰变成为处于 2.5 兆电子伏特激发态的Ni60，随后放出能量分别为 1.17MeV 和 1.33MeV 的两种射线而跃迁到基态。1.1.3 射线的特性1、射线的能量与强度能量是指单个的光量子的能量或多个光量子的能量的平均值。光量子的能量（E）与频率（）成正比。E=h=hc/(1.1)式中 射线的波长 c 射线传播速度 h普朗克常数(h=6.62510-34)X 射线的能量由射线管两端

5、所加的电压决定。射线的能量由放射性同位素的种类决定。一种放射性同位素可能放出许多种能量的射线，对此取其所辐射的所有能量的平均值作为该同位素的辐射能量。例如 Co60 的平均能量为（1.17+1.33）/2=1.25MeV。能量越高,线质越硬,穿透力越强。x、射线的强度是指单位时间内通过单位面积的所有光量子的能量和。2、射线的谱线特征 （1）X 射线X 射线是由于韧致辐射所产生的，所以 它的本质是电磁波，图 1-2 是 x 射线的波谱分布图，从 图 中 可 以 看 出 x 射 线 分 为 连 续 谱 和标识谱（特征谱）。0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 波长 10相 对 8强 6 度

6、4 2 钨靶 35KV (Z=74)钼靶 35KV(Z=42)当电子（撞击阳极靶）能量（kev）不超过某一限定（靶金属 k 层结合能）时，仅为连续谱；如超过某一限度则除连续谱以外，还迭加一些标识谱。图 1-2 x 射线波谱分存布 连续谱的产生及特点 大量电子与靶相撞，减速过程各不相同，少量电子经一次减速就失去全部动能，而大多数电子经多次制动逐步丧失动能，这就使得能量转换过程中所发出的电磁辐射可以具有各种波长，因此 x 射线的波谱呈连续分布。连续谱存在着一个最短波长min,其数值只依赖于外加电压 V 而与靶材料无关，如果一个电子在电场中得到动能 E=eV 与靶一次撞击,这些动能全部转换为辐射能，

7、则辐射的波长可按下式计算。E=eV=h=hc/min (1.2)则 )A()kV(V4.12)m(V104.12eVhc7min (1.3)式中：h普朗克常数(h=6.62510-34)；C光速(c=3108m)；e电子 电量(e=1.610-19)；V管电压(单位：千伏)连续谱中最大强度对应的波长 IM=1.5min (1.4)在实际检测中，以最大强度波长IM为中心的邻近波段的射线起主要作用。连续 x 射线的总强度 IT可用连续谱曲线下所包含的面积表示（积分法）。试验证明，IT与管电流 i，管电压 V，靶材料原子序数 Z 有以下关系：IT=KiiZV2 (1.5)式中，Ki比例常数，Ki1.

8、11.4109 管电流越大，表明单位时间撞击靶的电子数越多；管电压增加时，虽然电子数目未变，但每个电子所获得的能量增大，因而短波成份射线增加，且碰撞发生的能量转换过程增加；靶材料的原子序数越高，核库仑场越强，韧致辐射作用越强，所以靶一般采用高原子序数的钨制作。上述关系可参见图 1-2 和 1-3。相 相 对 对 强 强 度 度 I I min min1min2 10mA 5mA 8 10mA 200KV 100KV 100KV (a)不同管电流 (b)不同管电压图 1-3 x 射线谱 X 射线的产生效率等于连续 x 射线的总强度 IT与管电压 V 和管电流 i 的乘积之比，即：VZKiViZV

9、KVIi2iIT (1.6)可见 x 射线的产生效率与管电压和靶材料原子序数成正比。在其他条件相同的情况下，管电压越高，x 射线的产生效率越高；管电压的高压波形越近恒压，x 射线的产生效率也越高。当电压为 100KV 时，x 射线的转换效率约为 1%，而产生 4MeVx 射线的加速器，其转换效率约为 36%。由于输入能量绝大部分转换为热能，所以 x 射线管必须有良好的冷却装置，以保证阳极不被烧坏。标识谱的产生和特点 当 x 射线管两端所加的电压超过某个临界值 VK时，波谱曲线上除连续谱外，还将在特定波长位置出现强度很大的线状谱线，这种线状谱的波长只依赖于阳极靶面的材料，而与管电压和管电流无关，

10、因此，把这种标识靶材料特征的波谱称为标识谱，VK称为激发电压。不同靶材的激发电压各不相同，例如图 1-2 中，管电压 35KV 时，低于钨的激发电压（Vk=69.34KV）高于钼的激发电压（Vk=20.0KV）,所以，钼靶的波谱上有标识谱而钨靶的波谱上没有标识谱。标识 x 射线强度只占 x 射线总强度极少一部分，能量也很低，所以在工业射线检测中，标识谱不起什么作用。（2）射线射线的光谱称为线状谱，谱线只出现在特定波长的若干点上。如图。1.0 相 0.8 1.17Mev 1.33Mev对 0.6强 0.4度 0.2 0.5 1.0 1.5 2.0(Mev)衰变规律及半衰期 放射性同位素的原子核衰

11、变是自发进行的，对于任意一个放射性核，它何时衰变具有偶然性，不可预测，但对于足够多的放射性核的集合，它的衰变规律服从统计规律，是十分确定的。放射性同位素衰变掉原有核一半所需时间，称为半衰期，用 T1/2表示，当 t=T1/2时,N=N0/2,由式（1.8）式可得 T1/2=ln2/=0.693/(1.9)T1/2也反映了放射性物质的固有属性，值越大，T1/2越小。几种常用源探伤常用的源目前多采用人工放射性同位素制造,通常所用源有 Co60(钴)、Cs137(铯)、Ir192(铱)、Tm170(铥)等,其特性与参数见表 2-2。1.1.4 X 射线和射线的性质 1、X 射线、射线的性质 X 射线

12、、射线就其本质而言都是电磁波，正因它们是比可见光波长更短的电磁波，所以除了具有一些可见光所具有的特性外，还有其特有的性质，概括起来，它们有如下性质：(1)不可见，以光速直线传播。(2)不带电荷，不受电磁场的干扰。(3)能穿透金属等可见光不能穿透的物质。(4)有反射、折射、衍射、干射现象，但不太明显。(5)能被物质吸收和散射。(6)能使气体电离。(7)能使某些物质发生荧光作用。(8)能使胶片感光。(9)能杀伤有生命的细胞。2、X 射线、射线在探伤应用中的比较 X 射线、射线它们的相同点是都属于电磁波，而不同之处在于它们产生机理不同。X射线是由于高速运动的电子被阻遏时的跃迁产生的，而射线是由于放射

13、性同位素在自发衰变时原子核能级之间的跃迁产生的。正是由于它们的产生机理不同，所以它们在探伤中就各有优缺点。(1)x 射线可通过调节管电压、管电流透照在穿透情况下的任意厚度，而射线的能量只取决于源的种类，对同种源来讲射线能量和穿透能力一般是固定的。(2)射线与 x 射线相比，它的波长更短，穿透能力更强。但物质对射线的吸收要比 x射线弱，所以用射线拍出的底片对比度小。又因为射线源的焦点就是放射性同位素的几何尺寸，所以往往焦点比 x 射线机焦点要大，所以得到底片的几何不清晰度较大。(3)射线源发出的射线在整个空间中都有，而对 x 射线机即使周向机也只有在一个环周上有射线的存在，所以对于大型容器，尤其

14、是球型容器，射线的效率要比 x 射线机的效率高。(4)因为 x 射线机受电力支配，而射线源不需电源，不需冷却，所以对于缺少电源缺少自来水的现场工地，射线比 x 射线机更方便,更因为射线源比一般 x 射线机要小巧,所以对一些形状特殊的工作,射线探伤更是显出其优越性。(5)因为射线射线设备不能随意关闭，所以从安全因素上对环境污染与操作方面十分麻烦，防护与管理上的要求也更高。1.2 射线与物质的相互作用1.2 射线与物质的相互作用 射线通过物质时，会与物质发生相互作用而强度减弱，导致强度减弱的原因可分为两类，即吸收和散射。吸收是一种能量转换，光子的能量被物质吸收后变为其他形式的能量；散射会使光子的运

15、动方向改变。在 x 射线和射线能量范围内，光子与物质作用的主要形式有：光电效应、康普顿效应、电子对效应，当光子能量较低时，还必须考虑瑞利散射。射线通过物质时的强度衰减遵循指数规律，衰减情况不仅与吸收物质的性质和厚度有关，而且还取决于辐射自身的性质。1.2.1 光电效应 当光子与物质原子的束缚电子作用时，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失掉，这一过程称为光电效应，光电效应发射出的电子叫光电子，该过程如图 1-5 所示。原了吸收了光子的全部能量,其中一部分消耗于光电子脱离原子束缚所需的电离能(电子在原子中的结合能),另一部分就作为光电子的动能。所以，发生光电效应的前提条

16、件是光子能量必须大于电子的结合能。释放出来的光电子能量 Ee与入射光子能量 h以及电子所在壳层的结合能 Ei之间有如下关系：Ee=h-Ei （1.10）光电效应的发生几率与射线能量和物质原子序数有关,它随着光子能量增大而减小,随着原子序数 Z 的增大而增大。原子核 原子 反冲电子 e 入射光子 h 入射光子 h 电子 e-光电子 散射光子 h 图 1-5 光电效应的示意图 图 1-6 康普顿效应的示意图1.2.2 康普顿效应 在康普顿效应中,光子与电子发生非弹性碰撞,一部分能量转移给电子,使它成为反冲电子,而散射光子的能量和运动方向发生变化,如图 1-6 所示,h和 h为入射和散射光子能量,为

17、散射光子与入射光子方向间夹角,称为散射角,为反冲电子的反冲角。康普顿效应总是发生于自由电子或原子的束缚最松的外层电子上，入射光子的能量和动量由反冲电子和散射光子两者之间进行分配，散射角越大，散射光子的能量越小，当散射角为 1800时，散射光子能量最小。康普顿效应的发生机率大致与物质原子序数成正比，与光子能量成反比。1.2.3 电子对效应 当光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，光子转化为一个正电子和一个负电子，这种过程称为电子对效应，如图 1-7 所示。根据能量守恒定律，只有当入射光子能量 h大于 2m0C2即 h1.02MeV 时，才能发生电子对效应，入射光子的能量除一部分转变为正负

18、电子对的静止质量（1.02MeV）外,其余就作为它们的动能。与光电效应相似，电子对效应除涉及入射光子和电子对外，必须有一个第三者原子核参加，才能满足动量和能量守恒。e+原子核 正负电子对 入射光子 h e_ 图 1-7 在原子核库仑场中的电子对效应 电子对效应产生的快速正电子和电子一样,在吸收物质中通过电离损失和辐射损失消耗能量,很快被慢化,然后与吸收物质中一个电子相互转化为两个能量为 0.51MeV 的光子,这种现象称电子对湮没。1.2.4 瑞利散射 瑞利散射是入射光子和束缚较牢固的内层轨道电子发生的弹性散射过程(也称为电子的共振散射)。在此过程中，一个束缚电子吸收入射光子而跃迁到高能级，随

19、即又放出一个能量约等于入射光子能量的散射光子，由于束缚电子未脱离原子，故反冲体是整个原子，从而光子的能量损失可忽略不计。瑞利散射是相干散射的一种，所谓相干散射，是指散射线与入射线具有相同波长，从而能够发生干涉的散射过程。瑞利散射的几率和物质的原子序数及入射光子的能量有关，大致与物质原子序数 Z 的平方成正比，并随入射光子能量的增大而急剧减小。当入射光子能量在 200KV 以下时，瑞利散射的影响不可忽略。1.2.5 各种相互作用发生的相对几率 光电效应、康普顿效应、电子对效应的发生几率与物质的原子序数和入射光子能量有关，对于不同物质和不同能量区域，这三种效应的相对重要性不同，图 1-8 表示各种

20、效应占优势的区域,可以看出:1.对于低能量射线和原子序数高的物质,光电效应占优势。2.对于中等能量射线和原子序数低的物质，康普顿效应占优势。3.对于高能量射线和原子序数高的物质，电子对效应占优势。80 (%)100 z 60 80 60 40 40 20 20 0.01 0.1 1 10 100 1 2 5 1 2 5 1 2 5 1 2 5 E (MeV)0.01 0.1 1 10 100 图 1-8 按光子能量和原子序数来表示的 光子能量(MeV)三种相互作用占优势的区域 图 1-9 铁中各种效应的发生几率 图 1-9 表示射线与铁相互作用时,各种效应的发生几率,由图中可见看出:当光子能量

21、为10KeV 时,光电效应占优势,随着能量的增大,光电效应逐渐减小,而康普顿效应的作用却逐光电效应 电子对效应占优势 占优势 康普顿效应 占优势 C e 渐增大,稍过 100KeV,两种效应相等,瑞利散射在此能量附近发生比率达到最大,但也不超过10%。在 1MeV 左右，射线强度的衰减几乎都是康普顿效应造成的。光子能量继续增大，由电子对效应引起的吸收逐渐增大，在 10MeV 左右，电子效应与康普顿效应作用大致相等。超过10MeV 以后，电子对效应的比率越来越大。各种效应对射线照相质量产生不同的影响。例如，光电效应和电子对效应引起的吸收有利于提高照相对比度，而康普顿效应产生的散射则会降低对比度。

22、对轻金属试件照相质量往往比重金属试件照相质量差。使用 1MeV 左右能量的射线照相，其对比度往往不如较低能量射线或更高能量射线，这些都是康普顿效应的影响造成的。1.3 射线在物质中的衰减规律1.3 射线在物质中的衰减规律1.3.1 射线在物质中的衰减规律射线在物质中的衰减规律 射线通过物质后,总强度衰减了,射线强度的衰减来自于两个方面吸收和散射。当射线通过物质时，随着贯穿行程的增加，射线强度衰减增大。射线的衰减程度不仅与穿透物质的厚度有关，而且还与射线的线质（即能量）有关，与物质的密度和原子序数等都有关。一般来说，射线的波长越短，能量越大，衰减就越小，物质的原子序数越大，密度越大，衰减就越大。

23、但它们之间并不是简单的直线关系，而是呈指数规律衰减。对于单色单束（一种频率的平行射线束）它在物质中的衰减规律为：I=I0e-T (1.11)式中：I0入射线的初始强度值，I射线通过物质层 T 以后的强度，物质对射线的衰减系数，T通过物质层的厚度，e自然对数的底。在实际探伤工作中使用的 x 射线和射线，并非是理想的单色单束，x 射线为多色多束，而射线为单色多束，对于多色多束射线来说它的衰减规律和单色单束射线在物质中的传播规律是有区别的。首先，探伤时所使用的射线一般为连续射线，这就使得衰减系数实际上是个变量，在射线穿过物质的初始部分，值较大，随着穿透层的深入，射线的线质逐渐变硬，衰减系数也就减小了

24、。考虑到这种情况，衰减系数可取平均值。实质上探伤时射线还是宽束的，这就必须考虑散射线的影响，因为散射线的作用结果使穿过物质后射线强度还应包括散射线成分。即实际通过物质 T 层后，射线强度为垂直透过的射线强度 Ip和散射线强度 Is的和，即：I=Ip+Is 考虑了多束色情况后，（并引入散射比 n）表示射线在物质中的衰减规律的1-11 式可修正为：I=(1+n)I0e-T (1.12)式中，n 为散射比，它是散射占垂直透过射线强度的比。即 n=Is/Ip1.3.2 衰减系数与半价层在式（1-11）中，为衰减系数，它的物理意义是单位射线强度在穿过单位物质厚度时的衰减量，也称它为线衰减系数。因为导致射

25、线强度衰减的有吸收和散射效应，所以线衰减系数是三个效应对强度衰减的贡献之和，即：=+c+e (1.13)式中，光电效应对衰减系数的贡献，c康普顿散射对衰减系数的贡献，e电子对效应对衰减系数的贡献。线衰减系数是入射光量子的能量（h）和穿过物质的原子序数 Z 的函数。K.Z3 (1.14)K-比例系数 -射线波长 Z-被透物质的原子序数 射线能量越大，物质原子序数越小，线衰减系数就越小，相反，射线能量越低，穿过物质的原子序数越大，线衰减系数越大。半价层：射线在物质中传播时，强度强度衰减到原来的一半时穿过物质的厚度。有时也叫半阶层。如果用 H1/2来表示半价层，它与线衰减系数关系如下：由（1-11）式可得：2/1H00eII21 经数学整理后得到：H1/2=0.693/(1.15)即射线穿过物质的半价层与物质对这种射线的衰减系数的乘积为一常数.物质对射线的衰减系数越大,它的半价层就越小,相反,物质对射线的衰减系数越小,其半价层厚度就越大。