射线强度衰减规律

1、职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库射线强度衰减规律一、射线强度衰减规律基本概念1.射线与物质的相互作用由以上讨论可知，射线通过一定厚度物质时，有些光子与物质发生相互作用，有些则没有。如果光子与物质发生的相互作用是光电效应和电子对效应，则光子被物质吸收；如果光子与物质发生康普顿效应，则光子被散射。散射光子也可能穿过物质层，这样，穿过物质层的射线通常由两部分组成：一部分是未与物质发生相互作用的光子，其能量和方向均未变化，称为透射射线；另一部分是发生过一次或多次康普顿效应的光子，其能量和方向都发生了改变，称为散射线。2窄束、单色射线所谓窄束射线是指不包括散射成分的射线束，通过物质后的射线束，仅

2、由未与物质发生相互作用的光子组成。“窄束”一词是从实验时通过准直器得到细小的辐射束流而得名，作为专用术语的描述并不含有几何学上“细小”的意义，即使射束有一定宽度，只要其中没有散射成分，便可称为“窄束”。所谓“单色”是指由单一波长电磁波组成的射线，或者说，由相同能量光子组成的辐射束流，又称为单能辐射。采用如图1所示的装置，在单能辐射源与探测器之间放置两个准直器，在两个准直 器之间放置吸收物质，便可通过试验测出窄束单色射线的强度衰减情况图1获得窄束辐射的装置示意图3、宽束、多色射线工业检测中应用的射线，不可能是“窄束、单色”射线，到达探测器的束流中，总是包含有散射线的成分，这样的射线称为“宽束”射

3、线。束流中的光子往往也不具有相同能量。例如，常用的放射性同位素发出的射线是几种乃至十几种能量光子的组合，属“多色”射线，而X射线的波长更是连续变化的，称为“白色”射线。二、窄束、单色射线强度衰减规律1. 窄束、单色射线强度衰减规律 当吸收物质不存在时，探测器K记录的辐射强度为I0，称为辐射的原始强度或入射强度。放置厚度为T的薄层物质后，K点的辐射强度变为I，称为一次透射射线强度。以I表示强度的变化量，即I-I0=-I，负号表示强度在减弱。用不同种类和厚度的吸收物质和不同能量的射线实验，可发现以下关系：-I=I0T即射线通过薄层物质时强度减弱与物质厚度及辐射初始强度成正比，同时与的数值有关，称为

4、线衰减系数 对上式积分，并设T=0时，I=I0，即可得窄束单色射线强度衰减公式：I=I0e-T 式中的T为穿透物质的厚度。2线衰减系数 线衰减系数的意义是射线通过单位厚度物质时，与物质相互作用的概率。它与射线能量、物质的原子序数和密度有关。对于同一种物质，射线能量不同时衰减系数不同。对于同一能量的射线，通过不同物质时，其衰减系数也不同。 由于射线强度衰减是几个效应共同作用的结果，所以，线衰减系数可写为：=ph+c+p+R 式中 ph光电效应线衰减系数； c  康普顿效应线衰减系数； p 电子对效应线衰减系数； R 瑞利散射线衰减系数。大致与物质密度成正比；对于原子序数Z，存在以下关系

5、：phZ5，cZ，pZ2；对于射线能量hv ，存在以下关系式：ph (hv) -3.5 ， c (hv) -1，pln(hv)。3、质量衰减系数 令m=/，称为质量衰减系数，质量衰减系数的优点是m值不受物质密度和物理状态的影响。例如水和水蒸气的m值是一样的。当吸收物质是混合物和化合物时，可按下式求的其质量衰减m：m=/=m1 1+m2 2+ 式中 m1、m2各组成元素的质量衰减系数；  1、 2 各组成元素的含量百分比； 为混合物的密度。在实际应用中，经常使用半价层来描述某种能量射线的穿透能力或某种射线的衰减作用程度。半价层

6、是指使入射射线强度减少一半的吸收物质厚度，用符号T1/2表示，由窄束单色射线强度衰减公式得，当：T=T1/2时，I/I0= 1/2，则有e-T1/2=1/2，两边取自然对数，有： T1/2=0.693/表1列出部分元素的线衰减系数。表1 几种材料的线衰减系数三、 宽束、多色射线的强度衰减规律1、散射线和散射比射线在穿透物质过程中与物质相互作用，除了直线前进的透射射线外，还有散射线，以及荧光X射线、光电子、反冲电子、俄歇电子等，向各个方向射出，其中各种电子穿透物质能力很弱，很容易被物质本身或空气吸收，而荧光X射线能量较低，例如，铁的K1荧光X射线的能量约为7 keV，也很容易被吸收，一般不会造成

7、影响。所以对射线照相产生影响的散射线主要来自康普顿效应，在较低能量范围，则是来自相干散射。应用宽束射线时，一次透射射线Ip和散射射线Is同时到达探测器，设到达探测器的射 线总强度为I，则有：I=Ip+Is=Ip(1+Is/Ip)=Ip（1+n） 这里n=Is/Ip，称作散射比，散射比n的大小与射线能量、穿透物质种类、穿透厚度等诸多因素有关。2平均衰减系数 如果射线束不是由单一能量的光子组成，而是由几种不同能量的光子组成，那么它通过物质时的强度衰减将变得更复杂，因为光子的能量不同，其衰减系数也不同，与物质相互作用强度减弱的程度也不同。 设一束多色射线的初始强度为I0，其中不同能量的光子束流强度分

8、别为I01、I02，在物质中的衰减系数分别为（1）、（2），一次透过射线的总强度为I，不同能量射线的分强度为I1、I2，则以下关系式成立：I0=I01+I02+I03+I=I1+I2+I3+其中 I1=I01e-1T，I2=I02e-2T，I3=I03e-3T，考虑总的强度衰减结果，可以归纳得到以下关系式：I=I01e-T即为多色射线强度衰减结果，式中称为平均衰减系数，可根据实验数据计算得出。多色射线穿透物质过程中，能量较低的射线分量强度衰减多而能量较高的射线分量强度衰减相对较少，这样，透射射线的平均能量将高于初始射线的平均能量，此过程被称为多色射线穿透物质过程的线质硬化现象。随着穿透厚度的增加，线质逐渐变硬，平均衰减系数的数值将逐渐减小，而平均半价层T1/2值将逐渐增大。图1所示为连续X射线穿透物质前后强度变化情况。图2 连续谱射线穿过物体后强度分布的变