（物理化学专业论文）树脂复合稀土对x射线转光性的研究.pdf

独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导苄进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得( 注：如没有其他需要特别声 明的，本栏可空) 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名j 1 葛首 导师签字5 彳杰多 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堂撞有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权堂 圭t 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： q 芑辱 导师签字： 彳衫 【 签字日期：2 0 0 砗牛月硼签字日期：2 0 0 7 年斗月加日 山东师范大学硬士学位论文 摘要 1 利用强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂( 0 0 l 7 ) 制备了树脂纳米稀士( 镧，铈， 钐，铕，镝) 复合物，利用透射电子显微镜对所制树脂纳米稀土( 镧，铈，钐，铕，镝) 复合物的结构进行了确定和分析，发现金属粒子以纳米级别均匀分散在树脂球中，金属 纳米颗粒基本在1 0 0 m 以下，且分布电较均匀、稳定。 2 对所制褥的树脂纳米稀土( 镪，铈，钐，铕，镜 复合物对x 射线的转光性能进行了 研究。研究发现，在紫外线、x 射线等的照射下，所制备的树脂纳米稀土( 锎，铈，钐， 铕，镝) 复合物都能发出自己的特征荧光，荧光强度随稀土的百分含量的增加略有增强。 我们主要研究了具有代表性的树脂纳米铕在紫外线辐射下的荧光特性。 3 利用射线探伤装置，对所制备的树脂纳米稀土( 镧，铈，钐，铕，镝) 复合物在增感 屏方面的性能进行了实验测定，结果发现在同等的实验条件下，所制备的树脂纳米稀土 增感屏同普通的金属铅增感屏相比较，我们所制得的树脂纳米稀土增感屏具有胶片影像 清晰，层次丰富，辐照剂量少，曝光时间短的优点 本论文的主要贡献和创新点如下： 1 研究了树脂纳米稀土( 镧，铈，钐，铕，镝) 复合物对x 射线的转光性能，由于稀 土元素特殊的光谱特性，我们所制碍的树脂纳米稀土复合物能将x 射线转化成可见 的荧光。我们通过此种原理来建立一种检测x 射线的方法，并进一步来研究这种材 料的可行性和实用性。 2 利用射线探伤装置研究了树脂纳米稀土( 镧，铈，钐，铕，镝) 复合物在增感屏方面 的优点，进一步来证明其对x 射线的荧光特性，并说明了我们这种材料具有多种性 能，具有广泛的应用前景。 3 由于稀土粒子在树脂中是以纳米尺寸分布的，所以其纳米粒子的量子效应、小尺寸效 1 山东师范大学硕士学位论文 应、表面效应等纳米材料特殊的效应增强了材料对x 射线的作用，在获得同等的实 验效果下，减少了稀土的使用量，提高了经济效益。 关键词：稀土纳米x 射线转光性增感屏 中图分类号：o “1 4 2 山东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t 1 s e v e r a l | 【i n d so f r e s i nn 姐o m e t e rl 锄m 趾o nc o m p o s b s 材ep 唧m d 丽也c i n m m i cs e r i e s c a ：t i o n s i no fs 缸o n g i dt y p ei n 也i sp 叩l c r ，s l l 血勰k m l 血a 舢m ，c e r i 砌，e u r o p i u m ， s 锄a r i 眦姐dd y s p r o s i 岫t h em e t a ii 0 璐d i s 廿i b l i i ei n 托s i nb yn 觚o m e t 盱a n df o 咖 n 越嘲e t e rs 协j c t l l 坞w 毫a s c c n a i na n d 缸a l y 刁e 也e i r 瑚0 m 咖s t m c t l l 舱b ye l e c 咖 m i c r 0 o p ea n d 缸dt h a t 也em o s tn a n o m c t 盯i o n sa i cm l d e r1 0 ( ) n m 锄dd i 蚵b i l t e d e q u a b l ya n ds t e a d i l y - 2 s n 】d y 也ed 忸瞄c t 盱o ft 麟啮f o 加凼gxm y 幽v i s i b l el i g h t 嘶h i c ht l l e s i nn 如唧e c e r l a n i l 埘nq a ，c e e l i ，s m ，d 叻c o m p o s i t 韶c 缸w b 丘n d 也e s i nn 趾o m e t e rl a l l m 缸o n ( l a ，c e ，e 屿s i n ，d y ) c o m p o s i t c s 湖锄i t 也e i rc h 盯a c t l e f i s t i cn u o r e s 嘲皿1 e c h 觚贼e r i s t i cn l l 0 c cc 强e i l l l 锄c eb y 也ep er c l 瞰to fl 觚如m o nw bm a i n l ys t t l d y 也e 托s i n 碰m o m e t c re u r o p i 啪sn 1 j o r e s c e n c em l d 日l l l 脚i o l e tr a d i a t i o m 3 w ig “l d yn 地i 北脚i 6 ，i n gs c r 嘲o f 也e s i nn a m e t e r1 a 删瑚o n a ，c e ，乩s m ，d y ) c o m p o s i t e sb yx 豫y 既a n l i n ee q 试p m t t h er e s l l l ts h o w st h a tm l d c ft h es 锄ea 叩e r i n l e n t c o n d i 吐o nt h el 卸l h a n o ni n t e i 母i 1 1 9 r e e 粥l 城v em a n ya d v a m a g e sc 伽叩a r i n gt o p l 衄b 唧i n 硒嘶f y i n g r e t 码s i l c h 勰d e a ri m g e ，p l e n = c yh i b c 掰c h y ，l i 仳kr a d i a t i a n d t h ei n o v a 咖珊a n d n t r i b u t i o n so f t h i sp a p e r 锄f o n o 邢： 1 s t u d y 也ec h a 瑚c t 盯o f 仃a n s f o m l i n gxm yi n _ t ov i s f b l e1 i g h tw i l i c ht h e 北s i nm 咀o r 蝴 l 觚出a n ( l a ，c e ，e 1 1 ，s m d y ) c o m p o s 沁sc 拙w b h o p es e t l 】pa n e w m e t h o d t od e t e c t x r a ya n ds t u d y 也i sm a 士e r i a l sp r a c t i ca _ b i l 姆 2 s t l l d y 也ea d v a n t a g e so f t h el 卸士h 孤o ni n t e 【l s i 匆i n g f e s - a n di tf a n h e rp r 0 、，c st h a tt l l e 3 山东师范大学硕士学位论文 m a t e r i a l sh v eb e 扎c rf l u o r e s c c e 龃dw i l da p p l i c a t i o n 3 t h en 趾o m e t e r 蛐1 l c t i l r eo f 也e 托s i n n o m e t e r l 卸t h 弛o n ( l a ，c e ，e l l ，s m ，d ” c o m p o s i t e s 锄h 锄c et h ee m = c tt 0x 托yb e c a u o fi t sq u a n t ae 丘b c t s m a l ls i 粥e 丘b c t 锄r f k ee 赶b c ta n d o n nc a nr e d u c et h eq w m t 时o f l 柚m a n o na t 也e 锄e 疆b c t a n di t c a na l s oe n h a n c e 也ec c o n o m yb e n e 矗t k e yw o r d ： l 觚t 缸o nn 锄o m 鼬e rx 豫yt r 越s f 0 魄h l t e n s i 匆i n gs c r e e n 4 山东师范大学硕士学位论文 前言 稀土元素是指原子序数从5 7 到7 1 的1 5 个镧系元素以及与镧系元素在化学性质上 相近的钪、钇，共1 7 个元素。稀土元素具有未充满的4 f 壳层和4 f 电子被外层的5 s 2 、 5 p 6 电子屏蔽的特性，使稀土元素具有极其复杂的类线性的光谱，因而他们可用于制备发 光材料、电光源材料和激光材料。受紫外光、x 射线和电子射线等高能射线的照射后， 稀土元素一般可产生不同强度和波长的荧光。基于此，我们设想根据荧光的不同颜色和 强度，间接的研究射线的一些性质。 到目前为止许多学者对稀土的有机化合物、配合物的荧光、光敏性等光学性质及其 应用进行了研究。稀土化合物作为一类有希望的荧光材料，已获得实际应用稀土对紫 外线的转光性研究国内外研究的也比较多，并且已在农膜领域上推广应用。但在稀土对 x 射线转光性的研究方面有关报道还比较少，未见相关的论文。 x 射线是一种波长范围为o 0 1 1 0 0a 的电磁波。作为辐射源的一种它具有强的穿透 作用和电离作用。+ 人们将其应用于医学、科研、工业、国防等各个方面，但在带给人们 好处的同时，它也对我们的身体健康也造成一定的威胁与损伤。因此，如何在合理利用 射线的同时保护人自身不受伤害就变的极其重要。 我们希望通过研究稀土对不同能量的x 射线的转光性来建立一种检测泄漏x 射线的 方法，进而开发一种新的材料 由于元素颗粒在纳米的状态下具有独特的性质，所以本文选用纳米状态的稀土作为 研究对象 本实验室的周同娜曾在导师指导下做过树脂纳米稀土对x 射线衰减性的研究，并 取得一定的成果，本文在此基础做进一步的研究，继续这个研究体系，对稀土的转光性 质做深入研究，着重对稀土将高能射线转变成可见光，发出荧光的方面进行了研究；并 用所制的树脂纳米复合材料制得增感屏，利用射线探伤技术对其的增感性能进行了研究， 发现其于普通的铅增感屏相比具有图像清晰、层次丰富，并且减少了辐射剂量，缩短曝 光时闻的优点。 5 山末师范大学硕士学位论文 1 1射线基础 第1 章研究原理 前言i “1 1 8 9 5 年德国的物理学家伦琴在研究阴极射线时，发现在相对阴极的金属阳极上发 射出一种新的射线，虽然肉眼看不见，但可从其引致铂氰化钡荧光屏发光而察知。由于 当时人们从未知晓此类射线，所以称之为x 射线，后来人们为了纪念伦琴的发现，也 称之为伦琴射线。 x 射线的性质与可见光线有很大差异，例如：穿透力强，可透过一些可见光不能 透过的物质；荧光效应，可引致荧光物质；电离效应，可使气体发生电离；感光效应； 杀伤效应，可以杀伤生物细胞；在电场作用下仍作直线传播；穿透物质时可以偏振化， 各种物质对它的吸收系数各不相同；各种物质对x 射线的折射率n 1 ，不能象可见光那 样利用折射效应来聚焦和放大；当它穿过晶体物质时，出现衍射现象等等。【”“砌 x 射线的波长范围为o 0 1 1 0 0 a ，下图是部分电磁波的频谱图【7 】l 一1 蕾长c 帕 图1 一l 部分电磁波频谱 x 射线作为辐射源的一种它具有强的穿透作用和电离作用。人们利用x 射线的这种 性质，广泛地应用于工业、农业、国防、医疗等许多行业。可用来诊断与治疗疾病，帮 助人类了解身体的生命科学与环境的自然科学；辐射源对现代卫生保健是必不可少的， 用强辐射消毒的一次性医用物品已成为人类与疾病斗争的重要手段；核能的利用和核能 副产品的应用在世界范围内持续增加；辐照技术己在世界范围内用于食品保鲜；工业探 伤技术广泛应用于检查焊接部位的夹渣、气孔和裂缝等缺陷，防止压力容器的泄漏和暴 裂以及金属结构件的弯曲和断裂。【l _ 5 】 6 鸯 山东师范大学硕士学位论文 x 射线在空间传播是由大量以光速运动的粒子组成的不连续的离子流。这些粒子叫 光量子，每个光量子具有能量： 占= u ( 1 1 ) 式中， 普朗克常数， = 6 6 3 1 0 “j s ；d 为光量子的频率。每个光量子的能量 u 是 x 射线的最小能量单位。 1 1 1x 射线的发生川 从物理学中可知当带电粒子作加速( 包括减速和改变方向) 运动时，同时放出电磁波。 在工业探伤应用上，x 射线都是从具有高真空的x 射线管中所产生的。简单地说，可通 过下述方法获得x 射线；当高速运动的电子突然撞击一障碍物，电子由于受到急剧阻挡 而丧失了动能、绝大部分的动能在障碍物上转换成熟能，大约有l 左右的动能转换成 x 射线。因此，产生x 射线必须具备如下四个条件： ( 1 ) 具有发射一定数量电子的电子源； ( 2 ) 迫使这些电子在一定方向上作高速运动； ( 3 ) 在电子运动方向上，设置一个能急剧阻止电子运动的障碍物( 即靶) ； ( 4 ) 有一个高度真空的空间和高电位差，以使电子在强电场中加速时，不受气体分子 阻当，同时保证灯丝不致氧化而烧毁。 x 射线管是产生 x 射线的主要器件，普 通x 射线管的基本结 构是一个高真空的二 极电子管，如图1 _ 2 所示。 当灯丝通以电流 加热到白炽状态时，其 表面发射出自由电子， 这时在阴极和阳极之 间施加数十乃至数百 k v 电压，电子在电场 力的作用下，迫使自由 固t 一2x 射线臂的基本结构 l 一阳撮2 x 射蝮譬齄尊一x 射线一靶e 一电子衷 6 一聚焦罩r 一灯丝8 一孵 i 乏 7 山东师范大学硕士学位论文 电子在阳极靶表而上骤然被阻止，和在其表面处急剧相互作用，发射出多种波长的x 射 线。 1 1 2x 射线穿过物体时所发生的物理化学现象4 6 】 x 射线穿过物质时，一部分光子可能从物质的原子间隙中穿过，不发生任何作用； 另一部分光子能与物质中原子的轨道电子或原子核发生不同形式的作用。同时x 射线也 受到物质的影响，使物质吸收部分x 射线，且使部分x 射线改变传播的方向，我们把这 种现象称为x 射线与物质的相互作用。 当x 射线进入物体时，会有三种情形发生：被物体吸收( a b s o i p t i o n ) 、产生散射现 象( s c a t t e r ) 、穿透现象( p e 鹏廿a t i o n ) 阢1 3 ，1 4 1 当一束x 射线以一定的方向通过物质时， 由于它和物质相互作用，可以产生相当复杂的结果，见1 3 图。其中主要有入射光子的 吸收透射、汤姆逊散射、康普顿散射、光电效应、俄歇效应和荧光效应。 入射x 舯垃玉一工- + 工- - 蚍 x 射叶；? “7 脚l j 叨厦与x 嬲埂阴备柙稠且作用 1 1 2 1x 射线的折射 经典物理学可以证明x 射线的折射率有如下关系： 川一番 = 1 一苎坚：墨：= l 一万( 1 2 ) 2 刃九c 2 艿：墨笔“3 1 0 一6 4 0 ( 1 3 ) 6 。芴4 1 3 。1 0 。z l o 。 u 3 s 山东师范大学硕士学位论文 式中，刀为每锄3 折射物质中的电子数；p 则为折射物质的密度。因此几乎所有物 质而言，x 射线的折射率，庐l 。其优点是只有在高精度测量中才要考虑p 的效应；弊端 则是x 射线不能被物质聚焦放大，因此不可能制得x 射线的显微镜。只能借助于x 射 线的倒易理论，通过物相之间的倒易关系获知微观世界的结构。 金属和非金属固体绝大部分都是由晶粒结构组成。因此，每个结晶内的原子或离子 都有规律地排列，并形成空间晶格，当x 射线照射到晶格上时，使原子核外的电子产生 电磁振动，并以某个原子为中心向四周辐射x 射线即弹性放射，散射线波长与入射线 波长相等当使用与原子间隔相等的波长照射时，散射线则互相干涉。一般有两种情况， 一种是干涉结果互相抵消；另一种是在某一些特定的方向上，干涉的结果互相叠加而加 强。因此x 射线与物质晶粒相撞击时，就向与入射方向不同的方向折射前进，把这种现 象称为x 射线折射，它主要用于x 射线物相分折。 1 1 2 2x 射线的反射 由上节已知 ：罢= 1 一万 ( 1 4 ) 式中f 与，分别为入射角与折射角，而全反射的条件首先要求f 专t ，此时，= 9 0 4 ，而 9 0 。一= 见，这里与以分别是临界入射角与临界全反射角，于是有 s i n = s 眈= 1 一万 ( 1 5 ) 及 一吃和谊2 白* 譬= 万 6 ， 因此可得x 射线的临界全反射角 以：互万一2 0 ，一3 0 ， ( 1 7 ) 这一全反射角是非常小的，所以x 射线的广角测量可以进入很小的角度。 1 1 2 3x 射线的吸收 在本章一开始就已指出：当x 射线穿透某物质时，它们之间的作用机理是相当复杂 的，其光电效应、俄歇效应、荧光效应、汤姆逊散射、康普顿散射以及热效应等都将导 致沿入射x 射线方向上透射x 射线的减弱，入射前设x 射线的强度1 0 与投射线的强度i 满足下列关系： 9 山东师范大学硕士学位论文 ，= 厶e x p _ 卢。x 】 = 厶e x p - 。肛】 ( 1 8 ) 式中，一为线吸收系数；，为质量吸收系数；p 为物质的密度；x 为透射体的厚度，其 中，仅与透射体原子集团的特性有关，属于物质的本征常数，而h 与p 则随透射体聚 集态不同而不同。 对于含p 种元素的化合物、混合物、合金与溶液等，若各种元素占的质量分数为， 其质量吸收系数为，则作为一级近似可以应用简单的如和性原理而得该物质的。： ，= w i + m ，2 。，+ + w p 。，= i 咋声砷， ( 1 9 ) 这一公式被广泛地用于物质的定量相分析。 ，除了随元素不同而不同外，还随x 射线的波长而变化，即 卢。鼢z 3 + 口。 ( 1 1 0 ) 式中，足为常数；五为x 射线的波长；z 为元素的原子数；吒为质量散射系数，通常 可忽略。此式说明短波的硬x 射线吸收量少，而长波的x 射线吸收反而多，因而后者对 生物体的伤害大于前者；同时，此式亦说明重元素材料易于挡住x 射线，因而防护x 射 线的材料应选择含有z 高的元素。 x 射线与物质相互作用，主要有光电效应、汤姆逊效应、康普顿效应及电子对效应 四种形式，而产生达四种效应的几率大小，则取决于光子能量和物质的原子序数。下面 我们详细介绍一下这四种形式。 ( 1 ) 光电效应m 光电效应是光子将其能量传给电子的 过程之一。当一个具有h f 能量的x 射线的 光子撞击原于内层轨道上的一个电子，将自 己的一部分能量用于击脱这个电子与原子 核的结合能；另一部分能量传给了这个电子 使其高速飞出。这个光子的能量便全部消 失，所以称为x 射线 图1 4 光电效应示意图 l o 子 山东师范大学硕士学位论文 的实际吸收，由此效应产生的电子称为光电子，这个作用过程称为光电效应。光电效应 过程如图1 4 所示： 由光电效应产生的光电子具有的动能为： e o - b b i ( 1 1 1 ) 式中h f 一一个x 射线的光子具有的能量； i 一击脱原子第i 层轨道所需能量； 光电效应引起的光电吸收系数a ，用下面的经验公式表示： 口：c 芷刀( 1 1 2 ) 4 式中p 一物质的密度( k g ，1 0 ) z 一物质的原子序数；a 一物质的原子质量数；c 一比 例系数，等于0 0 0 8 9 ；九一入射光子的波长；n 一系数 系数n ，对于原子序数不同的物质和能量不同的光子，有所不同。当光子的能量小于 2 0 0 k e v 时，n 约等于l 。 由图l 一4 可以看出，当x 射线光子击脱原子k 层电子的光电效应一发生，就在k 层产生空穴。因为放出光电子的原子是不稳定的，其电子空穴很快就被外层电子跃人填 充，而产生k 系列的标识x 射线。由于核外电子被激发的方式不一，为了区别起见，就 把光电效应所产生的标识x 射线称为荧光x 射线。 ( 2 ) 汤姆逊效应， 。 汤姆逊效应是射线与物质中带电粒子相互作用，产生与入射线波长相同的散射线现 象，当x 射线光子与物质相互作用时，其电磁波中的电场引起物质内的电子作强迫振动， 根据古典电磁学理论；当一次x 射线照射到物质上时，这个电磁波的振动便影响到该物 质内的电子，使这些电子因电磁被的电场作用而加速，这是因为受强迫振动而产生的二 次x 射线的波长与次x 射线波长相等，即散射x 射线频率与入射x 射线频率相等， 只是散射线的方向朝四面八方辐射 汤姆逊根据振动的电子在其周围空间放射出电磁波的原理确立了有关x 射线散射 理论。散射的电磁波是相互干涉的，它是x 射线衍射分析的基础。 ( 3 ) 康普顿效应 这是一种产生散射线的效应，即x 射线通过物质时受到散射而改变波长的现象。当 产生这种效应时，入射的x 射线光子与原子外壳层电子碰撞，一部分能量用于打出电子 山东师范大学硕士学位论文 以反冲形式从原子中飞出，然后光子剩余能量并在与初始入射方向成0 角方向散射；反 冲电子沿着与初始入射方向成l p 角单向运动，如图l 一5 所示： 散射过程遵守能量守恒定律和动量 守恒定律。忽略电子在原子中的结合能， 可以推导出如下公式，即 a = 彳一a 茸o 0 2 4 2 ( 1 一c o s 口) 耻巧高( 1 1 4 ) 髟= 七一瓦7 南l c t 耶，图一s 康普顿效应示意图 式中九一散射光子与入射光子波长之差；九一入射光子波长；r 一散射光予波长： e 一入射光子能量；e v 一散射光子能量；e d 一散射电子能量；m 。一电子的静止质量； c 一光子、电子运动常数。 当引起康普顿散射时，不仅波长发生变化，而且由于x 射线和散射线间有一定的 相互关系，所以不会遇到相互干涉。因此也把康普顿效应称为非干涉性散射。 散射效应虽然衰减了射线强度，但最大的特点是产生波长较长的散射线，这对x 射线照相检测是很不利的，它造成底片灰雾度大，从而降低检测灵敏度。为此，在x 射 线照相检验中应采取相应措蓝避免康普顿效应的影响。 ( 4 ) 电子对效应 当x 射线光子能量在1 0 2 m w 以上时，通过原子核附近的电场，由于受到强核力场 的影响，光量子突然消失，而随之生成一个正电子和一个负电子的现象，该过程称为电 子对效应，其电子对效应示意图如图1 6 所示：“ 1 2 山东师范大学硕士学位论文 电子对效应是质量与能量相互转换的 典型例子。因为电子的静止质量等效 于o 5 1 m e 、r 的能量，所以产生一对正、 负电子的光子必须具有大于1 0 2 m e v 的能量转变为正电子和负电子的动能 & 和e c ， 即日+ 疋= 矽一2 m 。c 2 ( 1 1 6 ) 式中e 。一正电子的动能； e e 一负电子的动能；h f 一入射光予能量； n l c c 2 一负电子或正电子的静止质量动能。 么 、 p 叶巾泳 巡戮员 图1 6 电子对效应示意图 射线穿透物质时，因电子对的产生导致射线的衰减，用k 表示吸收系数，则 k = c n z 上o 正1 0 2 2 ) ( 1 1 7 ) 式中c 一常数；n 一单位体积内的原子数；z 一物质的原子序数；h f 一入射光子能 量。 。掣 ( 1 1 8 ) 4 式中p 一物质的密度；n a 一阿伏加德罗常数；n a = 6 0 2 2 1 0 2 3 m o l 一；a 一物质的原子 质量数。 电子对产生的几率与物质原子序数的平方成正比。当入射光子能量增大到一定限度 时，电子对的产生对射线强度的衰减将起主要作用，丽电子对的产生随射线能量增加丽 增加。 射线与物质相互作用主要有光电效应。散射效应和电子对效应。在射线探伤中，就 提高探伤灵敏度要求而言，光电效应和电子对效应较有利。因此，在低电电压下或高电 压下进行x 射线探仿都能获得较高的灵敏度和高清晰度的照相底片而散射效应使底片 产生灰雾，因此要尽量防止。如在射线探伤中，x 射线胶片两边紧贴在铅增感屏上，用 来吸收散射线，同时又利用其产生的二次射线加速胶片的感光，这实际上起到了滤掉散 射线和增感双重作用。 ( 5 ) x 射线穿透物质的作用 山东师范大学硕士学位论文 x 射线穿过物质与物质产生相互作用如图1 7 所示： 在某些物质中产生相互作用的大小，取决于 这种物质吸收x 射线的程度。当然，对具体一个 x 射线光子与物质发生的一次相互作用只能有一 种过程，但对一束x 射线与物质发生许多相互作 用，这几种效应都可能发生，发生的几率取决于 x 射线能量和物质的结构。 入 i 毁蘑 霾 图1 7x 射线与物质相互作用 光电效应和康普顿效应髓x 射线能量增大而减小，尤其是光电效应减小的更为显 著。电子对的产生随x 射线能量增加而增加。在实际射线探伤中，由x 射线管发出的不 是单色x 射线，而是连续的自色x 射线。当穿透物质时，波长校长的x 射线光被物质 吸收，只有波长较短的x 射线才能穿透物质，因此，射人物质表面的衰减系数要比穿透 物质时的衰减系数大些。即随着射线穿透物质厚度增加，衰减则随之减少。 x 射线的电离作用 x 射线电离作用是指当x 射线穿过气体时，其中一部分能量被气体分子吸收而产生 离子对的现象。具体的电离过程是：当x 射线通过气体时，它就与气体发生作用并使气 体分子击出光电子和反冲电子，使气体分子显示出阳离子。而被击出的光电子和反冲电 子都成为自由电子，即称为负离子。伺时自由电子所具有的能段使周围中性分子电离， 形成一对离子。而失去能量的自由电子被中性分子吸收成为阴离子，被阳离子吸收，又 形成中性分子。x 射线能使气体电离导电，电离电流值与x 射线强度成比例。利用其 这一性质，可以制做各种辐射测量仪器，测量射线的辐射剂量。 ( 7 ) x 射线的荧光作用 x 射线是一种肉眼看不见的光线，当某些物质被射线照射以后，却能发出荧光，把 这类物质称为荧光物质。当x 射线线与磷、硫化锌，钨酸钙、铂氰化钡、硫化镉等荧光 物质相互作用时，这些物质的原予被电离或处于激发状念，当恢复基本状态时，其原子 便放射出一种在电磁波谱中波长处于可见光与紫外线之间的荧光，把这称为x 射线荧光 作用。 荧光量子一般是连续波谱，它的分布与照射的x 射线波长无关，而强度取决于射线 的波长，波长越长，发光效率越高。根据荧光作用的原理，在射线探伤中，通常把这些 1 4 堂塑些塑堂些堡l 物质涂在块特制的纸板上制成荧光增感屏，用来减少x 射线照相曝光时间，提高生产 效率，还可以直接制成荧光屏观察射线穿过物质后形成的影象。另外，荧光倍增管、闪 烁计数器等也都是利用荧光作用的原理。 ( 8 ) x 射线的生化作用 x 射线能使某些物质起光化学作用。一种透明片基的两面涂上一层溴化银感光乳 剂所制成的x 射线胶片，经射线照射后形成潜影。再经过化学显影，溴化银变成黑色的 金属银，末感光的溴化银则被定影液溶解掉。随着x 射线能量不同，溴化银微粒的感光 程度也不同，因而可以得到不同衬度的底片。射线探伤就是利用x 射线这一生化作用， 使被检工件的缺陷的影象显示在底片上 x 射线和射线等辐射线具有很强的杀伤生物细胞作用。生物细胞受一定剂量的射 线照射以后，生物细胞将产生损伤抑制和坏死。医学上利用射线这个效应，可进行放 射线治疗，以破坏肿瘤组织，但另一方面，当人体受到过量的射线照射后，会引起各种 射线病症。因而在进行射线探伤时，工作人员除需要具备一定射线防护知识外，还需严 1 2 射线探伤的基本原理 1 2 1 射线检测的原理川 工业上广泛应用射线照相来发现工件内部存在的 缺陷，分析共形成的原因和规律，评价这些缺陷对工 件使用性能的影响，以便改进设计或工艺，进一步提 高产品质量，降低生产成本，避免恶性事故的发生。 利用射线对材料具有一定的穿透能力及其在穿透材料 过程中，不同物质和不同的物体结构对射线衰减程度 各不相同，从而使缺陷在照相软片或电视荧光屏上形 成影像，借以判断工件内部的缺陷和完整性。 射线检测原理如图l 一8 所示，辐射源照射工件， x 射线胶片放在工件的底面，由于有缺陷的材料与没 缺陷的材料吸收射线不同，所以工件的缺陷显影在底 片上，借助于缺陷的图象，可以判断工件的质量 。穷 i 脚1 5 圈卜毛射线检测泳j l i l 图 i 一辐i i 寸谭2 一身t 鳗扣一被 拴泓工件t 一茂片埔袋 5 i 【件头旌 山东师范大学硕士学位论文 射线探伤是五种常规的无损探伤之，它较超声探伤、磁粉探伤、渗透探伤和涡流 探伤的结果更为直观，应用更为普遍。 射线探伤除x 射线探伤以外，还有丫射线探伤、a 射线探伤、p 射线探伤和中子射线 探伤等x 射线探伤又包括高能x 射线探伤( 加速器) 、工业c t 和其他探伤等。x 射线 探伤的主要装置是x 射线探伤机。 1 2 2 x 射线探伤机的分类 目前国内外所生产和使用的工业x 射线探伤机其种类、形式、规格繁多，按其分类 方法不同，而分为各种不同形式的探伤机。 工业x 射线探伤机，习惯上按结构分为两大类，携带式和移动式( 固定式) 。 1 2 2 1 国产携带式x 射线探伤机系列 国产携带式x 射线探伤机系列分油绝缘的) o 吖系列和气绝缘的x x q 系列 按x 射线辐射方向分：定向和周向x 射线探伤机。 按工作频率分：工频、变频和恒频x 射线探伤机。 按x 射线管壳材质分：玻璃管和陶瓷管x 射线探伤机。 按接地方式分：阳极接地和中间地式x 射线探伤机。 拉调压方式分：调压器调压和晶闸管调压x 射线探伤机。 1 2 2 2 国产移动式x 射线探伤机系列 国产移动式x 射线探伤机系列分移动式x y 系列、固定式x g 系列和派生的x 射线 探伤机。 按x 射线管阳极冷却方式分；自然冷却和强迫冷却x 射线探伤机。 按高压整流电路为、自整流、半波整流、全波整流、脉动倍压整流和恒压( 恒电位) x 射线探伤机。 按x 射线波长分，软x 射线探伤机和x ( 硬) 射线探伤机。 按派生专用分：配置电视x 射线探伤机、x 射线管道爬行器。x 射线轮胎检测机和 锅炉焊管检测机等。 此外，按绝缘材质分，油绝缘、气体绝缘和固体绝缘x 射线探伤机。 1 2 3x 射线探伤机结构特征 x 射线探伤机的类别虽然不同，但它都有共同的要求，即供给一个比较低的、可调 节的x 射线管灯丝加热电压以改变灯丝加热温底达到对x 射线设的任意控制。在实际 1 6 山东师范大学硕士学位论文 电路中；通常采用改变x 射线管灯丝变压器一次侧供电电压的方法，来控制灯丝加热温 度。 供给一个很高的、可调节的x 射线管电压，使阴极的电子朝一定方向作加速运动， 并使其获得极大速度和动能，撞击阳极靶，使高速电子突然受阳极靶阻止，在靶面上发 射出x 射线，以控制x 射线的穿透力。在实际电路中，用改变高压变压器的一次电压的 方法，供给x 射线管相应不同的管电压。 无论是携带式还是移动式x 射线探伤机，都必须具有使x 射线管灯丝发射自由电子 并使其高速流向阳极的高压变压器、具有冷却x 射线管阳级的冷却装置、具有调节管电 流的调节器( 调节控制系统) 及调节管电压的自藕变压器( 或晶闸管调压器) 以及控制x 射 线探伤机的高压变压器一次电源和监视工作状态的操纵台。 1 2 4x 射线探伤机工作原理简介 当给x 射线管的灯丝通以电流，使其加热到白炽状态时，灯丝表面就发射出自由电 子。与此同时，在x 射线管的两端加上数十于伏以上的高电压( 阳极为正，阴极为负) ， 使x 射线管内形成了强电场，它将迫使灯丝表面及其附近的电子飞出阴极，并以极大的 加速流向阳极，当其碰撞到阳极靶时，电子被突然阻止运动，而失去它们的动能，约9 9 的动能转变为热能而l 左右的动能转变为x 射线。 由阴极灯丝流向阳极的自由电子形成了一束电子流，称为管电流。管电流的大小取 决于灯丝发射出的自由电子数量，由阴极流向阳极的电子越多，则管电流越大，单位时 间内撞击阳极靶的电子越多，则相应时间内产生的x 射线光量子也越多，x 射线的强度 越大。灯丝发射出自由电子的数量取决于灯丝的温度，灯丝的温度越高，则发射出的电 子越多，灯丝加热是由灯丝变压器供给的。通过控制调节来改变灯丝变压器的电压，即 改变灯丝的加热电流，达到调节管电流的目的。 调节管电流，可改变x 射线强度，只要管电压不变，不管x 射线强度的高低，x 射线的波长分布则保持恒定不变。加在x 射线管阳、阴极两端的电压称为管电压，它能 建立强电场，控制自由电子的动能。管电压越高，撞击阳极靶的电子动能越大，产生x 射线的能量就越高，其波长就越短，穿透物质的能力则越强。 管电压是由高压变压器供给的，通常高压变压器的二次绕组与x 射线管两极相连； 一次绕组经过调压器( 或晶闸管调压) 与电源相连。通过控制调节一次电压，从而改变二 次电压，达到调节管电压的目的。 1 7 山东师范大学硕士学位论文 随着管电压的提高，流向阳极电子速度加快，单位时间内达到阳极靶面的电子数量 增多，产生x 射线的强度也相应地提高。但提高管电压的目的，主要是为了获得高能量 即短波长的x 射线，以提高其穿透物质的能力。 我们实验所采用的是便携式x x q _ 2 0 0 5 型x 射线探伤机。 1 3 增感屏的原理和x 线胶片的简述 i 3 1 增感屏嘲 增感屏是一种可用来缩短照相时间和提高照相效果，贴附在x 射线胶片上的增感材 料。 为了说明增感屏的作用，通常采用增感系数k 来表示。我们给增感系数下了这样一 个定义：在所有的条件不变情况下，为使底片得到相同黑度时，不使用增感屏所需曝光 时间为使用增感屏所需曝光时间的倍数，即 足= 二l ( 1 1 9 ) 屯 式中t p 不用增感屏时所需曝光时间； t 2 使用增感屏时所需曝光时间。 增感系数k 并不是一个固定不变的数值，它是随使用的x 射线波长和所取底片黑度 d 的不同而变化的。 增感屏有三种：荧光增感屏、金属增感屏和金属荧光增感屏。 1 3 1 1 增感屏的基本原理 x 光或x 射线是高能量电磁波，它有极强的穿透物质的能力，例如穿透人体、工业 产品等。同时物质也不同程度地吸收x 射线，而且组成物质的原子不同，吸收能力也不 同，一般说来，原子量大的原子吸收能力强，原子量小的原子吸收能力弱，因此当用x 射线照射人体时，就会因为组成人体各组织的物质不同而呈现出不同的吸收和透过。例 如肌肉和体液主要是由c 、h 和o 原子组成，它们吸收x 射线的能力弱，而密度大的含 有金属钙和非金属磷的骨骼组织吸收x 射线就多，透过就少。这样，透射的x 射线的强 度就会反映人体内部组织的空间分布。 如果人眼能看见x 射线的话，就意味着人们能通过透过的x 射线看清体内的各种器 官和组织。可惜人眼的感光范围和x 射线光谱波长范围不匹配，不能直接看到x 射线所 山东师范大学硕士学位论文 形成的图像( 当然还不能忘记x 光对人眼的伤害! ) 。但是如果令透射的x 光照在用发光 材料制成的荧光屏上，x 射线激发发光物质，发出入眼可见的绿色荧光，而且荧光的强 弱直接反映透过的x 光的强弱，也即反映体内各组织的空间分布，这时人们便间接地“看” 到了体内的秘密了，医生就可以根据荧光屏上看到的图像判断人体内病变的部位，这就 是医院里x 射线透射检查的原理，当然这个原理同样可应用于火车站、飞机场、海关上 对过往行李的检查。 x 光照相则必须利用另一种发光材料制成的x 射线增感屏，将这种增感屏紧贴在x 光照相胶片上，放在暗盒里，当透射的x 射线照射在暗盒上，透过暗盒时，其中的增感 屏可以有效地吸收x 射线，并把它转变为一种波长和胶片感光灵敏度相匹配的可见荧光， 使胶片感光，经显影定影后，就形成一幅清晰可辨的图片了。在这里，不使用增感屏不 行，因为x 射线穿透力极强，对于一般的照相底片，x 光只是穿片而过，因其波长与胶 片感光范围不相匹配，很难使底片感光。如果延长x 光照射时间，又会对病人和医务人 员造成身体的损伤。所以，它是x 线摄影不可缺少的器材。 1 3 1 2 增感屏的发展与现状 世界上第一个使用荧光屏观察到x 光图像的人是x 射线的发现者，德国的物理学家伦 琴( w c r d e n t g e n ) ，他从涂有铂氰化钡的玻璃板上看到了自己妻子手的骨骼。最早使 用的增感屏是钨酸钙( c a w 0 4 ) 屏，尽管它的发光效率仅为5 ，但它成本低，容易做 成分辨率较高的增感屏，所以直到现在仍然是重要的x 射线增感材料 为了提高图像的清晰度和尽可能减小使用的x 射线辐照剂量，人们继续在寻找射线 增感材料。1 9 7 2 年，b l l c h 锄锄报告了稀土增感屏用于临床诊断的试用结果，结果指出， 稀土增感屏明显较钨屏减少了x 射线的投照剂量这一发现立即引起了人们的注意，美国 及日本等国家的科学家相继开展了这方面豹研制工作，不久，稀土元素荧光体增感屏商 品化。1 9 9 0 年最先被研制和应用的稀土类增感屏用的x 射线发光材料是1 分+ 离子激活的 y 2 0 2 s 、l 赴0 2 s 和g d 2 0 2 s 。它们的x 射线吸收率大于c a w 0 4 ，x 射线激发发光效率是1 8 ，明显优于c a w 0 4 ，但是它的发光是由n 3 + 离子跃迁产生的绿光发射，由它制成的增 感屏必须用感绿光的x 光胶片与之配套使用，而感绿光胶片的贮存期短，容易产生灰雾， 还必须在全黑的暗室中使用，这些都限制了g d 2 0 2 s ：t b 类x 射线发光材料的广泛应用。 目前较为广泛使用的是铕激活的氟氯化钡( b a f c l ：e u 2 + ) 增感屏。b a f c l ：e u 2 + 的化学 性质十分稳定，使感蓝胶片曝光的速度为ca _ w 0 4 的5 7 倍，因此可用于制作x 射线高速 山东师范大学硕士学位论文 增感屏，是一种优良的x 射线增感材料。 1 3 1 3 增感屏的结构 增感屏由支持体、底层、荧光层及保护层组成。如图l 一9 所示 z j 峄 图1 9 荧光增感屏结构示意图 ( 1 一保护层2 一荧光层3 一底层4 一支持体) 保护层由很薄的、能透过荧光与x 射线的、表面光滑的、耐磨的、防水的塑料或醋酸 酯等坚固物质组成，涂于荧光层上，起保护作用，防止荧光物质受到污染及机械损伤它 要求透光度高，防尘，防静电，强度大。 荧光层由荧光物质晶体、胶粘剂及有机溶剂等组成，是增感屏的关键部位，它决定 着增感屏的性能。 0 、r 底层按用途设计，有反射层和吸收层两类。反射层主要由反射系数高的白色颜料( 如 钛白粉) 和胶粘剂组成，其作用是提高发光体( 荧光吸收层是为了防止背向散射荧光干扰 成像质量。在支持体与荧光层之间衬上一层黑色防反射层，以增加影像锐度，提高成像 质量。 支持体是整个增感屏的支承部分，可由白色、牢固的硬卡纸或塑料制成。目前大多 采用聚酯、聚苯乙烯材料，以提高制屏效率和改进增感屏的防潮性能。 1 3 1 4 稀土增感屏的种类 稀土类增感屏是7 0 年代后发展起来的一类品种较多、发光效率高的增感屏，大体上 可分成3 类： ( 1 ) 用铽激活的硫氧化物类： l n 0 s ：t b ( i m ；稀土元素，如l a l y ，g d ) ( 2 ) 用铽激活的卤氧化物类： l n 0 x ：1 - b ( l n _ 稀土元素，如c e ，y b ，t m ) ( 3 ) 用铕激活的卤氟化物类： m 匝x ：e u ( m = b a s r ) 稀土类增感屏荧光体受x 射线照射后发出绿光、蓝光或蓝绿光，在医疗上与感绿x 山东师范大学顼士学位论文 光胶片或感蓝x 胶片匹配使用。 1 3 2 感光材料一胶片i 均 1 3 2 1 普通感光材料的构造 普通感光材料的种类很多，其中包括黑白底片、黑白正片、彩色胶片、玻璃干扳以 及印相纸、放大纸等等。不同的感光材料其结构稍有不同，彩色胶片的构造比较复杂， 它由很多层物质组成，最多者可达十五层。而一般黑白正片和印相纸，大都仅含四个薄 层。黑自底片则为六层。现仅以黑白底片为例，说明其构造和作用。 普通黑自底片由六层组成，即明胶保护层、上乳剂层、下乳剂层、底层、片基层、 防静电层。 黑白底片的基础是片基，起支持感光物质的作用，所以也叫支撑体。片基的原料为 乙酰纤维素。紧接片基的上方为底层，其作用是把乳剂牢固地粘附在片基上。底层的上 方为下乳剂层，再上方为上乳剂层。乳剂层所谓主要成分为明胶和溴化银。两个乳剂层 的总厚度大约为o 0 1 5 咖。上乳剂层感光度较高，下乳剂层感光度较低，两层相配合， 可使胶片获得交大的宽容度。感光材料之所以能记录影像，最主要就是依赖乳剂层的感 光作用。在上乳剂层的上方，也就是底片的最上层，为明胶保护层，其厚度大约为o 0 0 l o 0 0 2 n u n ，其作用是保护乳剂膜，防止因摩擦产生灰雾或伤痕。在片基的下方是防静 电层，它除可以防止摩擦产生静电外，也具有防光晕作用。通常，我们在普通底片上所 看到片基的背面呈灰色或浅红色或浅蓝色，就是为防光晕而设计的。 l - 3 2 2x 线胶片的构造 x 射线胶片也是感光材料的一种，它与普通胶片的结构制作过程以及化学反应大体 相同，基本组成如图l 一1 0 所示： 图l l o x 射线胶片结构断面图 ( 1 保护层2 感光乳剂层3 粘合剂层4 片基) 有片基、感光乳剂层、保护层以及粘合剂层。但x 射线