射线检测理论

射线检测理论第一页，共一百零八页，2022年，8月28日第一章射线检测的物理基础主要内容：

学习原子和原子核结构理论

-----了解射线产生的机理

射线的本质与性质

射线与物质的相互作用

射线照相法的原理与特点第二页，共一百零八页，2022年，8月28日第一节原子与原子结构

主要内容：

元素与原子

原子核

元素及元素周期律

放射性衰变第三页，共一百零八页，2022年，8月28日一、元素与原子1、元素是具有相同质子数(核电荷数)的同一类原子的总称。元素又称化学元素，指自然界中一百多种基本的金属和非金属物质。一些常见元素的例子有氢，氮和碳。到目前为止，总共有118种元素被发现，其中94种是天然存在的，人工制造的有10多种。第四页，共一百零八页，2022年，8月28日2、原子的概念:

定义：是元素的具体存在，是体现元素性质的最小微粒，由原子核和核外电子构成。在化学反应中，原子的种类和性质不发生变化。3、原子的构成:原子是由原子核和核外电子所构成。电子围绕原子核作行星运动；电子在一定轨道上绕核运动。原子是有质量、有尺寸的一种粒子。第五页，共一百零八页，2022年，8月28日

质量：几乎集中在原子核内，核的密度非常大！如果：把核集中在的体积内，那么：这的体积内核的总重量为吨！（一万万吨！）

大小：原子半径cm数量级。原子核半径cm数量级。如果：核的半径为1mm

电子------------------------------（约100米）倍第六页，共一百零八页，2022年，8月28日

电荷：原子核带正电；电子带负电；原子为中性。

构成：原子核（质子+中子）+电子

数量关系：原子量=质子数+中子数

A=Z+N

质子数Z=核的正电荷数=电子数=原子序数例：Co6060=27+33Ir192192=77+115Se7575=34+41第七页，共一百零八页，2022年，8月28日4、原子结构理论---玻尔理论（玻尔模型）

20世纪初二种不同的原子结构模型

1903年：汤姆森假设：核子与电子在原子内均匀分布

1911年：卢瑟福模型：行星分布

α散射实验否定了汤姆森假设肯定了卢瑟福模型，卢瑟福模型不完善。

1913年玻尔提出了比较完善的原子结构模型

---玻尔模型.第八页，共一百零八页，2022年，8月28日玻尔理论（玻尔模型）的要点：（1）原子中的电子沿着圆形轨道绕核运行，各条轨道有不同的能量状态，叫做能级，各能级的能量都是确定的。原子的能级是不连续的，E1、E2、E3.....En。正常情况下电子总是在能级最低的规道上运行，这时的原子状态称为基态。（2）原子从一个能量为En的能级跃迁到Em能级时，它发射（或吸收）单色的辐射，其频率υ决定于下列关系式（称为玻尔频率条件）：hυ=En-EmEn、Em分别为较高、较低能级的能量值。第九页，共一百零八页，2022年，8月28日5、玻尔理论中的几个概念：

基态：原子处于最低能量的状态称为基态，是稳定状态；

激发态：电子获得能量从低能级轨道进入高能级轨道，该过程称为激发；此时原子处于高能量状态，称为激发态，激发态是不稳定的状态；原子的状态特性：任何不稳定状态的原子必将自动的回到稳定状态即回到基态；该过程将释放出原子高于基态的能量，即产生辐射。释放能量的过程可以一次回到基态，也可以逐次回到基态；第十页，共一百零八页，2022年，8月28日

跃迁：电子从一个轨道向另一个轨道的运动，称为跃迁（包括从低到高；或从高到低的运动）；能级：用平行线表示核外电子所处的能量级别称为能级，外壳层能级最高，但外壳层上的电子结合能最低。第十一页，共一百零八页，2022年，8月28日KLMNe-高能级低能级第十二页，共一百零八页，2022年，8月28日二原子核1、原子核的结构精确的结构模型自今尚未建立多种模型并存的状态：壳层模型，液滴模型...、2、原子核的构成不同数量的质子和不同数量的中子构成不同性质（元素）的原子核原子的原子量A代表该原子的原子核的质子和中子的总和:A=Z+N3、原子核的电荷正电荷=原子序数Z4、原子核的半径cm第十三页，共一百零八页，2022年，8月28日5、原子核的质量原子核的质量>>电子的质量;

原子的质量原子核的质量6、核的稳定性核的稳定性取决于质子与中子数量的组合；采用人工的方法，以中子或质子作为炮弹轰击原子核，从而改变核内质子或中子的数目，便可以制造出新的核素，也可以使稳定的核变为不稳定的核。7、核的能量原子核的能量也是呈不连续的分布，也存在低能级、高能级、基态、激发态等第十四页，共一百零八页，2022年，8月28日8、核内的几种作用力库仑力：带正电的质子存在库仑斥力。核力：与库仑力相比是非常强大的力，存在于质子和中子间，是核稳定性的重要因素核力的性质：（1）核力与电荷无关；（2）核力是短程力；（3）核力

100x库仑力，是强相互作用力；（4）核力促成核子的二种结合形式成对结合：质子+中子对对结合：一对质子+一对中子第十五页，共一百零八页，2022年，8月28日三、元素及元素周期律1、元素的概念（1）定义：是具有相同质子数(核电荷数)的同一类原子的总称。例如：所有1个核电荷数的原子称为氢元素，所有8个核电荷数的原子称为氧元素...（2）元素符号:表示某种元素的一个符号

A：原子量（原子质量数）。

Z：原子序数：原子在元素周期表中的排列序号。原子核所带的正电荷数。第十六页，共一百零八页，2022年，8月28日2、同位素质子数相同而质量数不同的元素称为同位素。如：氢元素有三种原子：同位素分稳定的和不稳定的，不稳定的同位素称为放射性同位素。3、元素周期律

1869门捷列夫发现元素周期律自然定律:玻尔理论对元素周期律的科学解释元素周期律揭示了：元素的性质是随着元素原子序数的增加而呈现出周期性的变化，这一变化的原因是它们的原子结构随着原子序数的增加而呈现周期变化的规律。第十七页，共一百零八页，2022年，8月28日四放射性衰变放射性同位素自发蜕变，变成另外一种核素，同时放出各种射线的现象。放射性衰变有多种形式，主要有：

α衰变

β衰变

γ衰变第十八页，共一百零八页，2022年，8月28日1、α衰变放射性原子核释放出α粒子的过程称为α衰变。

α粒子是氦的原子核（He)核内：2个质子，2个中子一次α衰变：质子数减少2个，中子数减少2个，原子量减少4。

α粒子所形成的α射线是一种电离辐射。第十九页，共一百零八页，2022年，8月28日2、β衰变放射性原子核释放出β粒子的过程称为β衰变。

β粒子是电子,一次β衰变：质子数增加一个，原子量不变。例如：第二十页，共一百零八页，2022年，8月28日3、γ衰变(辐射)

放射性原子核释放出γ光子的过程称为γ衰变(辐射)。－－电磁辐射。

γ衰变总是伴随着α衰变和β衰变而发生。母核经α衰变或β衰变得到的子核处于激发态。激发态的核是不稳定的，它要通过γ衰变过渡到稳定状态。所以，γ射线是原子核由高能级跃迁到低能级而产生的。

γ射线的释放不影响原子核的核子数，衰变前后核的质量数和电荷数均不发生改变。并非每一个α衰变和β衰变都释放γ光子。第二十一页，共一百零八页，2022年，8月28日第二节射线的种类和性质一、X射线和γ射线的本质与性质1、本质：电磁波

X射线、γ射线、可见光、无线电波、红外线都是电磁波。X射线和γ射线是波长较短的电磁波。

无线电波红外线可见光紫外线X射线宇宙射线

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γ射线第二十二页，共一百零八页，2022年，8月28日2、波动关系：λ=C/υλ（波长Å），C（光速C=3×M），υ（频率）3、波长单位：埃Å，纳米nm

1Å=mm；

1nm=mm；

1nm=10Å第二十三页，共一百零八页，2022年，8月28日4、X射线和γ射线的（共同）性质：

（1）在真空中以光速直线传播；（2）不带电，不受电场和磁场的影响；（3）具有某些光学特性：产生漫反射（一般不会产生镜面反射），折射（折射系数近似1）；（4）能够产生干涉和衍射（在铝合金和不锈钢中产生衍生斑纹）；（5）不可见，具有极大的能量，能穿透可见光不能穿透的物体；（6）在穿透物质的过程中，会与物质发生复杂的物理和化学作用，例如：电离作用、荧光作用、热作用及光化学作用。（7）能杀伤生物细胞，破坏生物组织，具有辐射生物效应。第二十四页，共一百零八页，2022年，8月28日★射线照相应用了射线的那些性质？

（1）在真空中以光速直线传播；（2）不带电，不受电场和磁场的影响；（3）不可见，具有极大的能量，能穿透可见光不能穿透的物体；（4）在穿透物质的过程中，会与物质发生复杂的物理和化学作用，例如：电离作用、荧光作用、热作用及光化学作用。

第二十五页，共一百零八页，2022年，8月28日二、X射线的产生

1895年伦琴（）研究阴极射线管时，发现一种有穿透力的肉眼看不见的射线。由于它的本质在当时是一个"未知数"，故称之为X射线。这一伟大发现当即在医学上获得非凡的应用——X射线透视技术。1912年劳埃(M.VonLaue）以晶体为光栅，发现了晶体的X射线衍射现象，确定了X射线的电磁波性质。此后，X射线的研究在科学技术上给晶体学及其相关学科带来突破性的飞跃发展。由于X射线的重大意义和价值，所以人们又以它的发现者的名字为其命名，称之为伦琴射线。第二十六页，共一百零八页，2022年，8月28日第二十七页，共一百零八页，2022年，8月28日

阴极电子束阳极靶X射线X射线管结构原理图外壳高电压（KV）+-阴极灯丝低压第二十八页，共一百零八页，2022年，8月28日第二十九页，共一百零八页，2022年，8月28日1、连续谱的产生机理及特点

根据经典电动力学理论，带电粒子作加速或减速运动时，必然产生电磁辐射，当高速运动的电子与原子碰撞时，与原子核外库仑场作用，而产生的电磁辐射，称为韧致辐射。波长λ相对强度I第三十页，共一百零八页，2022年，8月28日

在射线管中，当灯丝加热后将发射电子，这些电子在射线管上施加的高压作用下，高速飞向阳极，到达阳极时具有的动能为

如果电子在一次撞击过程损失了它全部的动能，那么从能量守恒定律来看，产生的轫致辐射的光子的最短波长和加速电压之间应有下述关系

第三十一页，共一百零八页，2022年，8月28日

其中：V：管电压，单位：kV

：最短波长，单位：Å

第三十二页，共一百零八页，2022年，8月28日

X射线连续谱中的最短波长只依赖于管电压V而与靶材料无关。

连续谱中最大强度对应的波长与最短波长之间近似有下述关系

在实际检测中，以最大强度波长为中心的邻近波段的射线起主要作用。

第三十三页，共一百零八页，2022年，8月28日连续谱分布的特点可以如下理解。在一定加速电压下获得一定能量的大量电子，在靶面上的减速过程将是各种各样的。不同的减速过程发生的可能性不同，极少量的电子在一次或很少次数的撞击过程损失了全部能量，多数电子需经过多次撞击过程逐渐损失掉全部能量，因此，辐射的光子能量将是各种各样，这样就形成了连续谱辐射。称白色射线第三十四页，共一百零八页，2022年，8月28日对于射线管，其发出的连续谱射线的总强度I为连续波谱曲线下包含的面积表示，即：

实践证明，存在如下关系：式中：i——管电流，mA；

Z——靶物质的原子序数；

V——管电压，kV；

——比例系数（约为）第三十五页，共一百零八页，2022年，8月28日给出了连续X射线谱的强度与管电压、管电流和靶物质原子序数关系的基本特点。第三十六页，共一百零八页，2022年，8月28日

X射线的转换效率η

在射线管中，连续谱射线的转换效率η是连续谱射线的总强度I与射线管输入功率—管电流与管电压的乘积之比，显然它等于：可见，为了得到较高的转换效率，应采用原子序数高的靶物质材料。在较低的管电压下，不可能得到较高的转换效率，也就是大部分的电子能量转换成了热量。第三十七页，共一百零八页，2022年，8月28日

X射线的产生效率与管电压和靶材料原子序数成正比。管电压的高压波形越接近恒压，X射线的产生效率越高。例：钨靶Z=74；V=200；求ηη=1.4×10-6×74×200=2%

高能X射线的产生效率很高，如4MeV高能射线加速器的转换效率约为36％第三十八页，共一百零八页，2022年，8月28日由于输入的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，以保证阳极不会被烧坏。第三十九页，共一百零八页，2022年，8月28日X射线连续谱的产生机理：

X射线连续谱是韧致辐射产生的。是高速运动的带电粒子在与靶材料原子碰撞的过程中产生的电磁辐射。连续谱中存在各种波长的X射线，而且存在一个最短波长第四十页，共一百零八页，2022年，8月28日2、标识X射线的产生和特点当X射线管所加的电压超过某一临界值VK时，能量较大的电子入射到靶材料的原子中，与壳层电子碰撞，击出内电子，使原子处于激发态（吸收）；激发态原子向低能级跃迁的过程中释放能量发射光子（辐射）。把这种标识靶材料特征的波谱称为标识谱。第四十一页，共一百零八页，2022年，8月28日VK称为激发电压，不同靶材料的激发电压不同。例：W靶：69.5KV开始产生标识X射线；Mo靶：20KV开始产生标识X射线；

产生标识X射线的条件：

管电压>VK

标识谱（光子）的能量：hμ=En-Em第四十二页，共一百零八页，2022年，8月28日标识X射线谱是叠加在连续谱上的单色谱。其线系为：入射到K层的发射K系标识X射线，KαKβ…

入射到L层的发射L系标识X射线,LαLβ...入射到M层的发射M系标识X射线,MαMβ...第四十三页，共一百零八页，2022年，8月28日特征谱线产生示意图第四十四页，共一百零八页，2022年，8月28日标识X射线的产生机理：

处于激发态的原子在向稳定态（低能级）跃迁的过程中要释放能量，该能量以一个光子的形式向外辐射，此即标识X射线。或者说，X射线的标识谱是原子能级之间的跃迁而产生的。标识X射线是线状谱，而不是连续谱。光子能量：几eV~几千eV第四十五页，共一百零八页，2022年，8月28日连续X射线与标识X射线的区别（1）产生机理不同.…（2）能量与波谱不同.…（3）强度不同.…X射线管产生的X射线包括：连续X射线和标识X射线，标识X射线的强度只占X射线强度的极少一部分，能量也很低，所以，在工业射线检测中，标识X射线不起作用。第四十六页，共一百零八页，2022年，8月28日3、γ射线的产生及特点放射性同位素产生α或β衰变之后，若仍处于高能级的激发状态，必定要释放多余的能量回到低能级的稳定状态（基态），这时发射γ射线。不同的原子核具有不同的能级结构，所以，不同的放射性元素辐射的射线具有不同的能量，其射线为线状谱。射线也是波长很短的电磁波，在本质上与X射线相同。

第四十七页，共一百零八页，2022年，8月28日放射性原子核的衰变过程是自发进行的，但衰变过程遵循一定的统计规律。式中N0——初始时刻（t=0）放射性物质未发生衰变的原子核的数量；

N——t时刻放射性物质尚未发生衰变的原子核的数量；

t——经过的衰变时间；

——衰变常数，单位时间内原子核发生衰变的几率。第四十八页，共一百零八页，2022年，8月28日

*并非每一次衰变都发射γ射线。*放射性同位素的能量不随时间改变,。*γ射线是原子核能级之间的跃迁产生的。经常采用半衰期描述放射性衰变的快慢，半衰期表示放射性原子核数目因衰变减少至原来数目一半时所需的时间，通常采用符号T1/2表示半衰期。按照半衰期的定义，当t=T1/2时，放射性原子核的数目应减少至开始时数目的一半，即第四十九页，共一百零八页，2022年，8月28日两边取自然对数，由于 ln2=0.693 最后得到

放射性元素衰变的方式和速率是由原子核本身决定，与原子核所处的物理状态或化学状态无关，外界条件（如温度、压力等）也不能改变它的衰变方式和速率。下图是60Co和137Cs的衰变方式。从图中可见，60Co的衰变过程是，先经过一次衰变，然后再经过二次衰变，变为稳定的60Ni。137Cs的衰变过程则有两种，一种是只经过一次衰变就变为稳定的137Ba，另一种是先经过一次衰变后再经过一次衰变变为稳定的137Ba。不同放射性元素的半衰期差别很大，例如，放射性元素60Co的半衰期为5.3年，而放射性元素192Ir的半衰期仅为74天。这些都是它们固有的，不能通过某些方法、手段加以控制或改变。第五十页，共一百零八页，2022年，8月28日第五十一页，共一百零八页，2022年，8月28日γ射线的产生机理：

γ射线是放射性同位素经过α衰变或β衰变后，在激发态向稳定态过渡的过程中从原子核内发出的，这一过程成为γ衰变，或γ跃迁。

γ射线是原子核由高能级跃迁到低能级而产生的。与x射线标识谱的产生机理相似，不同的是，x射线标识谱是原子的核外电子能级（原子能级）之间的跃迁，光子能量：几eV~几千eV，而γ射线光子能量：几千eV~MeV第五十二页，共一百零八页，2022年，8月28日X射线和γ射线的相同点：（1）都是电磁波，本质相同；（2）都具有反射，折射等光学性质；（3）都能使胶片感光；

(4）都是电离辐射能对人和生物造成危害；（5）穿过物体时具有相同的衰减规律.第五十三页，共一百零八页，2022年，8月28日X射线和γ射线的不同点（1）产生方式不同；（2）能量不同：

X--可控，可调，取决于管电压；

γ--不可控，不可调，取决于源的性质；（3）强度不同：

X--可控，可调，取决于U，i,Z；

γ--随时间变化；（4）波谱形式不同。

第五十四页，共一百零八页，2022年，8月28日射线的能量与强度能量与强度是一种力和量的量度，能量是力量的质的体现；强度是力量的量的体现。例：100kg的人压断一块木板；10kg的人压不断一块木板，但是，10个10kg的人同样压断一块木板。100kg和10kg是人的质的体现，相当于能量的概念；1x100kg和10x10kg相当于强度的概念。第五十五页，共一百零八页，2022年，8月28日射线对物质的穿透能力，能量或者说是线质起主要作用；底片黑度，在能量不变的情况下，强度起主要作用；射线对物体的穿透和对胶片的感光，是其能量和强度的具体表现，因此透澈的理解能量与强度概念，是十分重要的。1、能量射线的穿透力取决于射线的能量,能量也可称为线质；hυ

能量的单位：eV/MeV或尔格

尔格。第五十六页，共一百零八页，2022年，8月28日

X射线（光子）能量的表达与计算

E=hυ=hc/λ=12.4/λ

或者λ=12.4/E（与λmin=12.4/V有本质区别）这里：E的单位：KeV;λ的单位：Å

第五十七页，共一百零八页，2022年，8月28日连续X射线的能量取决于管电压；标识X射线的能量达到临界电压后与管电压变化无关；标识X射线的能量与靶材料有关；γ射线的能量（穿透力）取决于源的种类和性质；*60Co：1.17MeV1.33MeV 137Cs:0.66MeV*192Ir:0.35MeV（实际上有12组不同的能量）*平均能量Co60:（1.17MeV+1.33MeV）/2=1.25MeV第五十八页，共一百零八页，2022年，8月28日当量能：γ射线的穿透力相当于X射线同等穿透力所对应的管电压值，称为当量能。如何确定220KV射线的能量：先求:λmin=12.4/V=0.05636(Å)再求:最短波长所对应的射线能量

Emax=hυ/λmin=0.220(MeV)即：220kv管电压产生的X射线光子最大能量0.22MeV=220KeV。第五十九页，共一百零八页，2022年，8月28日*例：CO60:1.25MeV137Cs:0.66MeV192Ir:0.35MeV220KV管压发射的X射线（0.22MeV）；

250KV管压发射的X射线（0.25MeV）；

300KV管压发射的X射线（0.3MeV）；工业电子回旋加速器所产生的射线能量的大小4MeV、5MeV、6MeV、7.5MeV、10MeV最大能量4MeV5MeV6MeV7.5MeV10MeV最大穿透150mm200mm250mm300mm350mm第六十页，共一百零八页，2022年，8月28日2、强度

X射线强度：单位时间内，通过垂直于X射线传播方向的单位面积的X射线总能量，以J/cm2·s为单位。线状谱：

连续谱的射线总强度：

射线对胶片的感光取决于它的强度。

强度分绝对强度和相对强度。强度的量度常用相对强度，相对强度无量纲。第六十一页，共一百零八页，2022年，8月28日

γ射线的强度：

γ射线的强度有二个不同的概念放射强度：（又称活度，活性）放射性同位素单位时间产生衰变的次数称为放射强度。单位：居里Ci

比活度：每克放射性物质的放射强度称为比活度。单位：Ci/g居里/克。

同样放射强度的源，比活度大的源体积小，照射焦点小。第六十二页，共一百零八页，2022年，8月28日第三节射线与物质的相互作用当射线、射线射入物体后，将与物质发生复杂的相互作用。这些作用从本质上说是光子与物质原子的相互作用，包括光子与原子、原子的电子及自由电子、原子核的相互作用。其中主要的作用是：光电效应、康普顿效应、电子对效应和瑞利散射。由于这些相互作用，一部分射线被物质吸收，一部分射线被散射，使得穿透物质的射线强度减弱。第六十三页，共一百零八页，2022年，8月28日1、光电效应射线在物质中传播时，如果入射光子的能量大于轨道电子与原子核的结合能，入射光子与原子的轨道电子相互作用，把全部能量传递给这个轨道电子，获得能量的电子克服原子核的束缚成为自由电子，入射光子消失，这种作用过程称为光电效应。在光电效应中，释放的自由电子称为光电子。第六十四页，共一百零八页，2022年，8月28日第六十五页，共一百零八页，2022年，8月28日发生光电效应时，处于激发态的原子退激的过程有两种：一种是外层电子向内层跃迁，来填补空缺，使原子回到低能稳定状态，伴随着发射标识X射线（又称次级X射线、荧光X射线）另一过程是原子的激发能也可能交给外壳层电子，使它从原子中发射出来，这种电子称为俄歇电子。第六十六页，共一百零八页，2022年，8月28日光电效应的特征：（1）光子的全部能量被原子吸收；

hυ=Ee+Ei入射光子能量=电子动能+电子结合能产生光电效应的条件：hυ>Ei（2）光子不能与自由电子相互作用；（3）光电效应伴随二次标识X射线和俄歇电子的发生；（4）光电效应发生的几率τ可以理论计算（5）光电效应可以在原子的任何一个壳层(不包括最外层)发生。第六十七页，共一百零八页，2022年，8月28日2、康普顿效应

康普顿效应由美国物理学家康普顿首先发现，我国物理学家吴有训在证实这种现象和其规律性的研究方面作出了重要的贡献。入射光子与受原子核束缚较小的外层轨道电子或自由电子发生的相互作用称为康普顿效应，也常称为康普顿散射。

第六十八页，共一百零八页，2022年，8月28日在这种相互作用过程中，入射光子与原子外层轨道电子碰撞之后，它的一部分能量传递给电子，使电子从原子的电子轨道飞出，这种电子称为反冲电子，同时，入射光子的能量减少，成为散射光子，并偏离了入射光子的传播方向。反冲电子和散射光子的方向都相关于入射光子的能量，随着入射光子能量的增加，反冲电子和散射光子的偏离角都减少。第六十九页，共一百零八页，2022年，8月28日康普顿效应（散射）的特征：（1）产生康普顿效应的入射光子能量较大，其能量一部分克服轨道电子的结合能，另一部分作为反冲电子的动能，剩下的是散射光子的能量。（2）Z越大，康普顿效应（散射）的几率越大；入射光子的能量越大，几率越小。（3）由工件产生的大量散射线都落到胶片上，前屏除了增感效应外，另一个重要效应就是吸收效应―――吸收波长较长的散射线。第七十页，共一百零八页，2022年，8月28日3、电子对效应

能量高于1.02MeV的光子入射到物质中时，与物质的原子核或电子发生相互作用，光子放出全部能量，转化为一对正、负电子，这就是电子对效应。在电子对效应中，入射光子消失，产生的正、负电子对在不同方向飞出，其方向与入射光子的能量相关。第七十一页，共一百零八页，2022年，8月28日电子对效应只能发生在入射光子的能量不小于1.02MeV时，这是因为电子的静止质量相当于0.51MeV能量，一对电子的静止质量相当于1.02MeV的能量，从能量守恒定律，显然，只有入射光子的能量不小于1.02MeV时才可能转化为一对正、负电子，多余的能量将转换为电子的动能。入射光子与原子的电子发生作用也可以产生电子对效应，但其发生的可能性远小于入射光子与原子核相互作用过程，并且，入射光子的能量应不小于2.04MeV。第七十二页，共一百零八页，2022年，8月28日电子对效应发生的可能性与物质原子序数的平方成正比，近似与光子能量的对数成正比，因此电子对效应在光子能量较高、原子序数较高时是一种重要的作用。电子对的寿命很短，它们很快湮灭生成二个能量分别为0.511MeV的新的光子；正电子很容易和金属材料中的自由电子结合，形成两个新的光子而消失，这种现象叫湮灭。第七十三页，共一百零八页，2022年，8月28日4、瑞利散射瑞利散射是入射光子与原子内层轨道电子作用的散射过程。在这个过程中，一个束缚电子吸收入射光子后跃迁到高能级，随即又释放一个能量约等于入射光子能量的散射光子，光子能量的损失可以不计。简单地说，也可以认为这是光子与原子发生的弹性碰撞过程。瑞利散射发生的可能性与物质的原子序数和入射光子的能量相关，与原子序数的平方近似成正比，并随入射光子能量的增大而急剧减小。在入射光子能量较低（例如0.5～200keV）必须注意瑞利散射。第七十四页，共一百零八页，2022年，8月28日5、各种相互作用发生的相对几率第七十五页，共一百零八页，2022年，8月28日铁中各种效应发生的几率与入射光子能量的关系1251251251251σPH光电效应σR瑞利散射σC康普顿散射σp电子对效应020406080100(%)发生几率光子能量MeV×0.01×0.1×1×10×100第七十六页，共一百零八页，2022年，8月28日几种效应与物质原子序数的关系：光电效应、康普顿效应、电子对效应和瑞利散射发生的几率均随着原子序数的增大而增大。几种效应与入射光子能量的关系：

光电效应：当光子能量在10keV时，占绝对优势，随着随着光子能量的增大而减小。

康普顿效应：当光子能量在1MeV时，占绝对优势；在1MeV以下，随着光子能量的增大而增大；在1MeV以上，随着光子能量的增大而减小。第七十七页，共一百零八页，2022年，8月28日电子对效应：在高能区，尤其是光子能量在10MeV以上占绝对优势；随着光子能量的增大而增大。瑞利散射：发生在0.1MeV附近区域，发生的几率最大不超过10％，并随光子能量的增大而急剧减小。第七十八页，共一百零八页，2022年，8月28日射线与物质相互作用示意图初始X射线I0热能透射线荧光X射线电子散射线反充电子俄歇电子光电子正、负电子荧光X射线又称标识X射线或次级X射线T第七十九页，共一百零八页，2022年，8月28日6、单色窄束射线衰减规律探测器KT源铅准直器铅准直器吸收体获得窄束辐射的装置示意图第八十页，共一百零八页，2022年，8月28日窄束：不包括散射线在内的穿过射线束单色：由单一波长组成的射线束成为单色射线单色窄束射线的衰减规律：式中:I0——入射射线强度；I——透射射线强度；T——吸收体厚度（cm）；

μ——线衰减系数。第八十一页，共一百零八页，2022年，8月28日线衰减系数μ：当T=1μ=Ln(Io/I)物理意义：穿过1cm厚的物体时，穿过前后射线强度比值的自然对数，即为线衰减系数。线衰减系数的构成：因为：光电效应，康普顿效应，电子对效应和瑞利散射是造成射线衰减的主要原因，所以线衰减系数包含四个效应的作用。因此：μ=μ光电+μ康普顿+μ电子对＋μ瑞利第八十二页，共一百零八页，2022年，8月28日质量衰减系数

μm=μ/ρ

混合物的质量衰减系数等于各部分质量衰减系数与其含量百分比α乘积的总和：μ/ρ=（μ1/ρ1）α1+（μ2/ρ2

）α2+....…第八十三页，共一百零八页，2022年，8月28日对于常用的能量和常见的物质，实验研究证实如下关系：半值层穿过物体后的射线强度为入射强度一半时的穿透厚度，称为半值层（又可称为半价层，半衰减层等），记为T1/2。第八十四页，共一百零八页，2022年，8月28日T1/2的简便算法（计算有n个半值层公式）第八十五页，共一百零八页，2022年，8月28日影响半值层T1/2的因素:能量愈大（λ愈小），半值层愈厚；穿透物质的原子序数Z越大，半值层越小；穿透物质的密度越大，半值层越小；*针对某一被穿透物质，半值层不是一个常数,只有射线波长为常数时半值层才可能是一个常数。第八十六页，共一百零八页，2022年，8月28日7、宽束多色射线的强度衰减规律

宽束：包括散射线在内的射线束称为宽束；多色：包括所有波长的连续X射线称为多色或白色。散射线与散射比：对宽束射线，一次透射射线IP

和散射线IS同时到达探测器，设到达探测器的射线总强度为

I，则I=IP+IS=IP（1+IS/IP）=IP（1+n）

n＝IS/IP散射比

Ip：透射线强度，Is：散射线强度第八十七页，共一百零八页，2022年，8月28日实验证明n>1,甚至n》1，说明散射线非常严重！一般来说，厚工件的散射线要大于薄工件的散射线，这也是为什么厚工件照射底片灰雾度大的原因。散射源：工件（最大散射源）；地面；周围物品。散射线的屏蔽：铅增感；滤板；铅托板…第八十八页，共一百零八页，2022年，8月28日窄束多色射线的强度衰减规律线质硬化

:多色射线穿透物质时，能量较低的射线（软射线）衰减较多，而能量较高的射线（硬射线）衰减较少，这样，透射射线的平均能量高于初始射线的平均能量，此过程被称为射线穿透物质过程的线质硬化。线质：线质是射线能量（或穿透力）的度量，能量（或穿透力）大的，可称为线质硬；反之则称为线质软。

第八十九页，共一百零八页，2022年，8月28日通过加滤板的方法，滤去软射线部分使连续X射线的λ和μ趋于常数，这一过程称为线质硬化或连续X射线均匀化。

随着穿透厚度的增加，线质逐渐变硬，平均衰减系数逐渐减小，而平均半价层逐渐增大。第九十页，共一百零八页，2022年，8月28日宽束多色射线的强度衰减规律第九十一页，共一百零八页，2022年，8月28日第四节射线照相法的原理与特点一、射线照相法原理源被检工件T射线束胶片第九十二页，共一百零八页，2022年，8月28日胶片布置示意图标记暗袋胶片前屏后屏第九十三页，共一百零八页，2022年，8月28日射线检测基本原理图ΔTTI0I0IPIP'第九十四页，共一百零八页，2022年，8月28日射线在穿透物体过程中会与物体发生相互作用，因吸收和散射而使其强度减弱。底片上各点的黑化程度－黑度D，取决与射线照射量，又称曝光量－射线强度与透照时间的乘积。对比度：底片上相邻区域的黑度差。把底片放到观片灯上，观察透射光线，可以看到由对比度构成的不同形状的影像，评片人员据此判断缺陷情况并评价试件质量。底片图像构成的二个基本因数：黑度与形状。决定形状的是射线的几何投影。第九十五页，共一百零八页，2022年，8月28日定量分析：主因对比度：ΔI/I射线强度差异是底片产生对比度的根本原因。先决条件：缺陷的存在不影响n值；且不影响达到胶片的散射量。T:工件厚度；

ΔT:缺陷在透照方向的尺寸n：散射比；

μ：线衰减系数；μˊ：缺陷的线衰减系数；IP:无缺陷部位一次透射线强度；IPˊ

:缺陷部位一次透射线强度；I：透射线总强度第九十六页，共一百零八页，2022年，8月28日主因对比度的推导过程第九十七页，共一百零八页，2022年，8月28日而把展为级数：第九十八页，共一百零八页，2022年，8月28日如果μ’与μ相比极小