射线检测的物理基础修改

射线检测的物理基础修改第一页，共九十七页，2022年，8月28日第二页，共九十七页，2022年，8月28日X射线照相检测原理示意图第三页，共九十七页，2022年，8月28日第四页，共九十七页，2022年，8月28日

拍出一张合格的片子对底片质量的主要要求可分为四个方面：理论上射线照相灵敏度应达到规定的要求；黑度应处于规定的范围；标记系应符合有关的规定；表（外）观质量应满足规定的要求。第五页，共九十七页，2022年，8月28日影响射线照相灵敏度S的三大要素射线照相对比度ΔD（缺陷影像与其周围背景的黑度差）；射线照相不清晰度Ug（影像轮廓边缘黑度过渡区的宽度）；射线照相颗粒度δD（影像黑度的不均匀程度）第六页，共九十七页，2022年，8月28日第七页，共九十七页，2022年，8月28日影响黑度D的要素D=f(It;Υ)第八页，共九十七页，2022年，8月28日射线的产生:X

γ射线的传播：射线的衰减：第九页，共九十七页，2022年，8月28日怎样拍出一张合格的片子（工艺上）1、设备器材：射线机、胶片、增感屏、像质计、铅字、洗片药液等；2、透照布置：外透内透、单壁双壁、单影双影；3、透照参数：管电压、曝光量（时间）、焦距；4、辅助措施：如屏蔽散射线措施等第十页，共九十七页，2022年，8月28日射线检测(RT)

第一章射线检测的物理基础

第十一页，共九十七页，2022年，8月28日第一节原子与原子结构学习原子和原子核结构理论了解射线产生的机理一、原子1元素与原子的概念:

定义：元素－所有这些自然界的物体不论形态如何,功能如何,它们都是由一些最简单、最基本的物质，即元素构成。

天然存在90多种，人工制造10多种

原子－组成单质和化合物分子的最小微粒，由原子核和核外电子构成。世界上一切物质都是由元素构成的，原子是元素的具体存在，是体现元素性质的最小微粒。第十二页，共九十七页，2022年，8月28日第一节原子与原子结构

2原子的构成:

原子是由原子核和核外电子所构成。电子围绕原子核作随机运动，相同能量的电子在相同的运动层(即轨道)上出现，有的人说是作行星运动，实质上是不准确的，因为行星运动，是由引力场维持的，而电子与原子核之间是由电场维持的，其本质是不同的；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。

第十三页，共九十七页，2022年，8月28日构成原子的微粒电子原子核质子中子电性和电量质量/kg相对质量构成原子的粒子及其性质1个电子带1个单位负电荷1个质子带1个单位正电荷不显电性9.109×10-311.673×10-271.675×10-271/18361.0071.008第十四页，共九十七页，2022年，8月28日第一节原子与原子结构

（1）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1cm3

的体积内，那么：这1cm3

的体积内核的总重量为108吨！（2）大小：原子半径10-8cm数量级。原子核半径10-13cm数量级。如果：核的半径为1cm，则原子半径约为1km

即10-8/10-13=100000倍

第十五页，共九十七页，2022年，8月28日第一节原子与原子结构

（3）电荷：原子核带正电；电子带负电；原子为中性。（4）构成：原子核（质子+中子）+电子数量关系：质量数=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+33第十六页，共九十七页，2022年，8月28日3原子结构理论第一节原子与原子结构原子结构模型的演变第十七页，共九十七页，2022年，8月28日玻尔理论（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年玻尔提出了完善的原子结构模型---玻尔模型.玻尔理论（玻尔模型）的要点：第一节原子与原子结构第十八页，共九十七页，2022年，8月28日第一节原子与原子结构电子层(轨道）:核外电子运动的特定区域.第十九页，共九十七页，2022年，8月28日（1）原子只能存在一些不连续的稳定状态，这些稳定状态各有一定的能量E1、E2、E3.....En。处于稳定状态中运动的电子虽然有加速度，但不发生能量辐射。能量的改变，由于吸收或放射辐射的结果或由于碰撞的结果。（2）原子从一个能量为En的稳定状态过度到能量为Em的稳定状态时，它发射（或吸收）单色的辐射，其频率ν决定于下列关系式（称为玻尔频率条件）：

En、Em分别为较高、较低能级的能量值。稳定状态的改变（或能量的改变）是不连续的。第一节原子与原子结构ΔE=En

－

Em=hν

第二十页，共九十七页，2022年，8月28日4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；第一节原子与原子结构第二十一页，共九十七页，2022年，8月28日第一节原子与原子结构

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。

第二十二页，共九十七页，2022年，8月28日氢原子的能级图第一节原子与原子结构第二十三页，共九十七页，2022年，8月28日二、原子核1原子核的结构精确的结构模型至今尚未建立多种模型并存的状态：壳层模型，液滴模型...、2原子核的构成均匀分布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+N

第一节原子与原子结构第二十四页，共九十七页，2022年，8月28日3原子核的电荷正电荷=原子序数Z4原子核的半径10-13----10-12cm5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原子核的总质量总是小于它的组成部分的质量和，主要是因为结合能的存在消耗一部分质量当量，由质能公式可算出结合能的大小。

6核的稳定性核的稳定性取决于质子与中子数量的组合质子与中子数量：

2、8、20、28、50、82、126最稳定。第一节原子与原子结构E=mc2

第二十五页，共九十七页，2022年，8月28日7核内的几种作用力库仑力核力：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

100倍库仑力，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

第一节原子与原子结构第二十六页，共九十七页，2022年，8月28日三、元素及元素周期律1元素的概念（1）定义：具有相同核电荷的一类原子称为元素。例如：只有一个核电荷数的原子称为氢元素，所有八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，如H、O、Co（钴）、Cs（铯）、Ir（铱）、Se（硒）、Tm（铥）、Yb（镱）等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。第一节原子与原子结构第二十七页，共九十七页，2022年，8月28日2核素：具有一定数目的质子和一定数目的中子的一种原子。如1H(H)、2H(D)、3H(T)就各为一种核素。氕[piē]氘[dāo]氚[chuān]

3同位素同一元素的不同核素之间互称同位素。

如：H11，H12，H13

4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。

第一节原子与原子结构第二十八页，共九十七页，2022年，8月28日四、放射性衰变原子核的重要性质—放射性1核的稳定性概念处于基态的原子核稳定性的。处于激发态的原子核是不稳定的。总是通过衰变释放能量，变成另一种核素回归到基态。衰变的定义：放射性元素放射出粒子后变成另一种元素的现象。也叫蜕变。不稳定(即具有放射性)的原子核在放射出粒子及能量后可变得较为稳定，这个过程称为衰变(Radioactivedecay)。这些粒子或能量(后者以电磁波方式射出)统称辐射(radiation)。由不稳定原子核发射出来的辐射可以是α粒子、β粒子、γ射线或中子。衰变方式分自然衰变与人工衰变。衰变模式有α衰变、β衰变、γ衰变。

第一节原子与原子结构第二十九页，共九十七页，2022年，8月28日第一节原子与原子结构辐射：射线由射线源向外发射的过程。带电离子贯穿物质的本领较差2射线和辐射不带电离子电中性贯穿物质的本领较强广泛用于无损检测第三十页，共九十七页，2022年，8月28日3α衰变

放射性原子核释放出α粒子的过程称为α衰变。α衰变后，原子核内核子数的变化：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：质子数减少二个，中子数减少二个，原子量减少4。

α粒子所形成的α射线是一种电离辐射。α射线穿透能力很小，在空气中也只能飞行几个厘米，但电离能力很强。第一节原子与原子结构第三十一页，共九十七页，2022年，8月28日4β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，β衰变后，原子核内核子数的变化：质子数增加一个，中子数减少一个，原子量不变。

β-衰变

β+衰变

β粒子所形成的β射线也是一种电离辐射。

β射线是正电子流或负电子流,它穿透能力较大，可穿透几毫米厚的铝，但电离作用较弱。

第一节原子与原子结构第三十二页，共九十七页，2022年，8月28日5γ衰变

放射性原子核释放出γ光子的过程称为γ衰变(辐射)。

γ衰变通常是在α衰变和β衰变过程中发生的。

γ射线的释放不影响原子核的核子数，仅减少原子核的能量。并非每一个α衰变和β衰变都释放γ光子。

γ射线是波长很短的电磁波，穿透物体的能力很强，甚至可以穿透几个厘米厚的铅板，但电离作用很小。

第一节原子与原子结构第三十三页，共九十七页，2022年，8月28日5人工放射性用高能粒子轰击稳定原子核，使其变成不稳定的具有放射性的原子核，这些原子核具有人工放射性。钴60的典型衰变：第一节原子与原子结构60CoT1/2=5.3年γ：1.17MeVβ：0.31MeVγ：1.33MeV第三十四页，共九十七页，2022年，8月28日第二节射线的种类和性质

了解射线的各种性质及应用一、X射线和γ射线的本质与性质1本质：是电磁波从科学的角度来说，电磁波是能量的一种，凡是能够释出能量的物体，都会释出电磁波。正像人们一直生活在空气中而眼睛却看不见空气一样，人们也看不见无处不在的电磁波。电磁波为横波。

第三十五页，共九十七页，2022年，8月28日电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变（如图所示），其强度与距离的平方成反比，波本身带动能量，任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。如太阳与地球之间的距离非常遥远，但在户外时，我们仍然能感受到太阳光的光与热。由于辐射强度随频率的减小而急剧下降，因此波长为几百千米（105米）的低频电磁波强度很弱，通常不为人们注意。

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。第二节射线的种类和性质

第三十六页，共九十七页，2022年，8月28日第二节射线的种类和性质

第三十七页，共九十七页，2022年，8月28日了解波长：

无线电波3000米～0.3毫米。

红外线0.3毫米～0.75微米。

可见光0.7微米～0.4微米。

紫外线0.4微米～10毫微米

X射线100毫微米～0.001毫微米

γ射线0.1毫微米～0.0001毫微米

高能射线小于0.001毫微米

传真（电视）用的波长是3～6米；

雷达用的波长更短，3米到几毫米。第二节射线的种类和性质

第三十八页，共九十七页，2022年，8月28日第二节射线的种类和性质

2波动关系：λ（波长Ǻ），C（光速），ν（频率）3波长单位：埃Ǻ=10-10m=10-8cm；纳米nm=10-9m。

4性质：

（1）不可见，在真空中以光速传播；（2）不带电，不受电场和磁场的影响；（3）具有某些光学特性：反射，折射（折射系数近1），有干涉和衍射；（4）具有极大的能量，能穿透物体；（5）能与物质发生复杂的物理和化学作用：如电离作用、荧光作用、热作用和光化学作用；（6）能杀伤生物细胞，破坏生物组织，具有辐射生物效应。第三十九页，共九十七页，2022年，8月28日

二X射线的产生及其特点第二节射线的种类和性质

阳极高电压阴极电子-+X射线发生器曝光记录设备X射线产生示意图辐射渗透试样X射线的产生：阴极灯丝通电加热---放出电子---在高压下高速撞击阳极靶面---部分以X射线能量形式辐射出来第四十页，共九十七页，2022年，8月28日1连续X射线（白色X射线，多色X射线）

X射线:射线束中包括---连续X射线和特征X射线产生机理：根据电动力学理论，作加速运动（包括负加速运动）的带电粒子将产生电磁辐射。X射线管内高速运动的电子与靶原子碰撞时，与原子核外库仑场作用，而产生电磁辐射，称为韧致辐射(产生了X射线）。这种辐射又由于是电子急剧停速引起的所以又称停速辐射（韧致辐射）。第二节射线的种类和性质

第四十一页，共九十七页，2022年，8月28日第二节射线的种类和性质

2连续X射线谱及最短波长：根据经典电动力学理论，韧致辐射的能量与停速时间Δt成反比E∽1/ΔtΔt--连续变化，E--连续变化，

λ--连续变化

λmin的导出：电场能=电子动能=光子能+消耗能,消耗能远小于光子能，故忽略消耗能，由此推导出最短波长如下：

连续谱的最短波长单位：λmin：埃。U：千伏。

例：U=200Kv,λmin=12.4/200=0.062埃

第四十二页，共九十七页，2022年，8月28日第二节射线的种类和性质

连续谱中最大强度对应的波长不同管电压下钨靶连续X射线

第四十三页，共九十七页，2022年，8月28日第二节射线的种类和性质

3连续X射线强度分布曲线及强度计算：连续谱曲线极其复杂！通过求面积积分导出总强度的公式：

连续x射线总强度式中：K--系数1.1--1.4×10-6

Z--原子序数；i--管电流；U--管电压影响强度的因素U、Z、i大家要了解并会运用这个公式，对于特定的射线机，其强度与管电压的平方成正比。曝光量E＝It也就是说曝光时间与管电压的平方成反比。现举例说明，希望大家能在实际工作中运用自如，第四十四页，共九十七页，2022年，8月28日第二节射线的种类和性质

管电压、管电流变化对X射线谱的影响第四十五页，共九十七页，2022年，8月28日例：某单位用X射线机透照一工件，在150KV的管电压下，曝光5分钟，得2.5的黑度值，其它透照参数不变，现将管电压提到180KV，要得到相同的黑度值(冲洗条件一样），其曝光时间应为多少分钟？解：由题意已知，U1＝150KV

t1=5E1=E2(黑度相同）U2＝180KV求t2=？由公式E=ItI=KZiU2

可推导出：KZiU12t1=

KZiU22t2t2=U12t1/U22=(150/180)2×5=3.5分钟答：180KV时的曝光时间应为3.5分钟。第二节射线的种类和性质

第四十六页，共九十七页，2022年，8月28日第二节射线的种类和性质

4连续X射线的效率（转换效率）：

x射线转换效率

影响转换效率的因素K、U、Z

例：Z=74；U=200；求ηη=1.4×10-6×74×200=2%

第四十七页，共九十七页，2022年，8月28日三标识X射线（特征X射线，线状X射线，单色X射线）1标识X射线产生机理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）；激发态原子释放能量发射光子（辐射）。即发射标识X射线。

第二节射线的种类和性质

第四十八页，共九十七页，2022年，8月28日产生标识X射线的条件：管电压>某一临界值时，才能产生标识X射线。标识射线的波长是不连续的。它取决于靶面的材料。它通常用于对材料的化学成分进行定性分析。在无损检测中，因强度低，几乎不起作用。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；

第二节射线的种类和性质

第四十九页，共九十七页，2022年，8月28日2标识谱及其特征标识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....

第二节射线的种类和性质

第五十页，共九十七页，2022年，8月28日四连续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。

第二节射线的种类和性质

第五十一页，共九十七页，2022年，8月28日五γ射线1产生原理原子核的重要性质----放射性放射性同位素产生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），这时原子核发射γ射线释放多余的能量，其机理是核内能级之间的跃迁产生的。第二节射线的种类和性质

第五十二页，共九十七页，2022年，8月28日第二节射线的种类和性质

2衰变规律与半衰期放射性同位素的衰变服从指数规律:

式中：No--初始状态的放射性原子核数（或活度）；

N–经过t时间后的放射性原子核数（或活度）；

λ--衰变常数。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。

第五十三页，共九十七页，2022年，8月28日第二节射线的种类和性质

半衰期的定义：放射性同位素原子核数（或强度）衰变到一半时所需的时间称为该同位素的半衰期。记以T1/2。例：Co60T1/2=5.3年

λ=0.693/5.3年=0.130/年衰变的简便计算公式

第五十四页，共九十七页，2022年，8月28日3γ射线谱---线状谱

Co60:2根；Ir192:24根；Cs137:1根；4γ射线的能量能量决定穿透力穿透力取决于源的种类和性质5γ射线的强度单位时间落到单位面积上的光子数第二节射线的种类和性质

第五十五页，共九十七页，2022年，8月28日6X射线和γ射线比较相同点:

（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）都是电磁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.

不同点:（1）产生方式不同；（2）能量变化不同：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）强度变化不同：X--可控，可调，取决于U，i,Z；γ--随时间变化；（4）波谱形式不同。

第二节射线的种类和性质

第五十六页，共九十七页，2022年，8月28日7工业探伤用的放射性同位素常用γ源：Co60，Cs137,Ir192,Tm170.Se75…

半衰期:Co605.3年，Cs13733年，Ir19275天，Se75120天制取方式:天然；人工人工制取是利用中子轰击使其发生核反应。核反应不能逆转，不能恢复！第二节射线的种类和性质

第五十七页，共九十七页，2022年，8月28日思考题：测得Ir192源1m处的初始强度为80Ci，问50天后，1m处的强度为多少Ci？注:Ir192半衰期为75天。第二节射线的种类和性质

第五十八页，共九十七页，2022年，8月28日八射线的能量与强度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，因此透彻的理解能量与强度概念，是十分重要的。如红灯、黄灯代表不同波长,即不同能量。而这些灯可以有5w,50w,500w,这代表强度。第二节射线的种类和性质

第五十九页，共九十七页，2022年，8月28日能量强度数目能量射线的穿透能力底片的黑度x管电压γ源的种类第六十页，共九十七页，2022年，8月28日1能量射线的穿透力取决于射线的能量,犹如人说话一样，说话声音大，所发出的能量高，声音就传导得更远。能量也称为线质；能量的单位：ev或尔格1ev=1.6x10-12

尔格。射线穿透物质后，能量是不变的，只有强度发生变化（射线根数减少）。

X射线（光子）能量的表达与计算

E=hν=hc/λλ=12.4/E（与λmin=12.4/U有本质区别）这里：E的单位：Kev;λ的单位：埃。

第二节射线的种类和性质

第六十一页，共九十七页，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:0.66Mev192Ir: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

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。

第二节射线的种类和性质

第六十二页，共九十七页，2022年，8月28日如何确定220KV射线的能量：先求:λmin=12.4/U=0.05636埃再求:最短波长所对应的射线能量Emax=hν/λmin=0.220(Mev)即：220kv管电压产生的X射线光子最大能量0.22Mev。第二节射线的种类和性质

第六十三页，共九十七页，2022年，8月28日2强度射线对胶片的感光取决于它的强度。在日常生活中我们经常碰到强度这一概念，但大家恐怕对强度这一概念的具体定义或含意不一定了解准确。力学性能中的强度，电流强度（电流），电场强度，声强、压强，光强等都是强度，均与面积密切相关，是单位面积存在或通过多少的一个量度，是一个统计概念。就灯泡来说，一定瓦数的灯，决定了它发出可见光的根数大小，靠近灯我们会感觉发热，是因为我们在单位面积上接收的根数多。强度的测量主要用计数器的方法。强度的量度常用相对强度，相对强度无量纲。绝对强度常用次/秒或伦琴。第二节射线的种类和性质

第六十四页，共九十七页，2022年，8月28日连续X射线的强度I=KZiU2

γ射线的强度γ射线的强度有二个不同的概念（A）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。常用居里作为单位。1居里（Ci)=3.7×1010

次/秒（Bq)放射强度随时间的改变而改变，其变化规律为：I=Ioe-λt

比活度：每克放射性物质的放射强度称为比活度，单位：居里/克。

第二节射线的种类和性质

第六十五页，共九十七页，2022年，8月28日（B）照射强度：（又称辐照强度，照射量率）单位时间内落在一定距离的照射面上(严格定义应为“标准状况下，一立方厘米空气内）的射线量，称为照射量率或照射强度。照射强度的常用单位为：伦琴（R）/小时。第二节射线的种类和性质

第六十六页，共九十七页，2022年，8月28日第二节射线的种类和性质

（3）放射强度和照射强度的转换关系a)通过放射常数Kr（又称特征强度）转换。转换公式：

（伦/时）

A-放射强度,R-距源距离,对每种γ射线源来说，Kr是常数。Kr的含义：放射强度为1居里的γ源，相距1米处的照射强度值称为特征强度，或放射常数Kr.

第六十七页，共九十七页，2022年，8月28日第二节射线的种类和性质

b)通过克镭当量转换转换公式：I=(伦琴/时)对每种γ射线源来说，M是常数。M的含义：根据测定：1毫克镭在1厘米处的照射强度为8.4R/h。任何放射源在1厘米处的照射强度若为8.4R/h，则该源与1毫克镭当量。例如：Co60，用Kr系数计算，1居里Co60在1厘米处的照射强度为13000R/h。相当于13000/8.4=1547.6毫克镭，即1.54克镭.结论为：1居里Co60相当于1.54克镭的照射强度。

第六十八页，共九十七页，2022年，8月28日第三节射线与物质的相互作用

学习射线与物质的作用效应理论与射线能量的关系与物质性质的关系作用；学习射线与物质相互作用的目的解释与计算穿透时的衰减现象，感光作用等。

第六十九页，共九十七页，2022年，8月28日

一、射线通过物质的衰减

射线穿过物质时，与物质中的原子发生撞击、产生能量转换，引发能量的衰减和以下种种物理效应。

1、射线与物质的相互作用

射线与物质的相互作用主要有三种过程：光电效应、康普顿效应和电子对的产生。这三种过程的共同点是都产生电子，然后电离或激发物质中的其他原子；此外，还有少量的瑞利散射（汤姆逊效应)。光电效应和康普顿效应随射线能量的增加而减少，电子对的产生则随射线能量的增加而增加，四种效应的共同结果是使射线在透过物质时强度产生衰减。

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每束射线都具有能量为E=hv的光子。光子运动时保持着它的全部动能。光子能够撞击物质中原子轨道上的电子，若撞击时光子释放出全部能量，将所有能量传给电子，使其脱离原子而成为自由电子，光子本身消失。

这种现象称为光电效应。光子的一部分能量把电子从原子中逐出去，剩余的能量则作为电子的动能被带走，于是该电子可能又在物质中引起新的电离。当光子的能量低于1MeV时，光电效应是极为重要的过程。（1）光电效应

光电效应

光电子光子第七十一页，共九十七页，2022年，8月28日光电效应的特点光子消失。能量全部转移到光电子上。伴有特征射线产生（电子跃迁辐射）。由于内层轨道电子被出轨道，在内层轨道上产生空位，外层轨道上的电子将跃迁到内层轨道去补充空位，并释放出多余的能量，产生荧光（特征）X射线，或称荧光辐射。发生概率与光子能量和物质的原子序数有关。低能光子与高原子序数的物质原子作用时，发生光电效应的概率较高。光电子的发射方向与光子能量有关。光子能量越高，光电子发射的方向越接近光子的入射方向。

第七十二页，共九十七页，2022年，8月28日（2）康普顿效应在康普顿效应中，一个光子撞击一个电子时只释放出它的一部分能量，结果光子的能量减弱并在和射线初始方向成θ角的方向上散射，而电子则在和初始方向成φ角的方向上散射。这种现象称为康普顿效应。这一过程同样服从能量守恒定律，即电子所具有的动能为入射光子和散射光子的能量之差，最后电子在物质中因电离原子而损失其能量。康普顿效应

反冲电子

光子

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康普顿效应的特点主要与受原子核束缚较弱的外层轨道电子和自由电子相互作用；有反冲电子产生；光子能量降低且改变方向形成散射线；这种散射线在探伤中对射线照相质量影响最大。发生康普顿效应的概率与光子能量和物质的原子序数相关；原子序数低的元素康普顿效应发生的可能性很高；对中等能量的光子，康普顿效应对各种元素都是主要的作用。第七十四页，共九十七页，2022年，8月28日（3）电子对的产生

在原子核场的作用下，一个具有足够能量的光子释放出它的全部动能而转化具有同样能量的一对正负电子，光子则完全消失，这样的过程称为电子对的产生。产生电子所需的最小能量为0.51MeV，所以光子能量hv必须大于等于1.02MeV。

电子对的产生和消失

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电子对效应的特点产生电子对。光子能量必需大于1.02MeV。产生一对正负电子所需要的能量是1.02MeV，其余能量转化为电子的动能。正电子的寿命很短，在产生后的极短时间内会与附近的负电子结合而消失，与之同时产生两个能量分别为0.51MeV的光子向相反方向辐射出去。这个现象称为电子湮没。发生电子对效应的几率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，所以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。第七十六页，共九十七页，2022年，8月28日（4）瑞利散射

入射光子与束缚较牢固的内层轨道电子发生弹性碰撞过程，束缚电子只是吸收入射光子后跃迁到高能级随即放出一个能量约等于入射光子的散射光子，并没有脱离原子，所以散射线与入射线具有相同的波长，能发生干涉的散射过程。

第二章射线检测第七十七页，共九十七页，2022年，8月28日瑞利散射的特点

发生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。入射光子能量在200KV以下时瑞利散射影响不可忽略。第七十八页，共九十七页，2022年，8月28日光子与物质相互作用的比较效应光子能量作用对象作用产物光电效应较低内层轨道电子光电子俄歇电子荧光射线康普顿效应中等外层轨道电子、自由电子散射光子反冲电子电子对效应≥1.02MeV原子核或电子正负电子对瑞利散射低内层轨道电子光子第七十九页，共九十七页，2022年，8月28日光子和物质间的相互作用与光子能量及物质原子序数之间的关系：第八十页，共九十七页，2022年，8月28日A.吸收：主要是电子获取了光子的全部或部分能量，光子的能量降低或消失，而电子的能量又被物质吸收。

B.散射：光子与核外电子相互作用后，失去部分能量，且改变传播方向，形成散乱射线。

C.衰减：由于光子能量被物质吸收，或改变传播方向，致使直接透过物体的一次射线强度低于入射射线强度，这称为射线强度发生了衰减。衰减=吸收+散射2射线的衰减第八十一页，共九十七页，2022年，8月28日穿过物体后透射射线的组成：入射线一次射线荧光辐射散射线电子（荧光电子、反冲电子、电子对）第八十二页，共九十七页，2022年，8月28日二射线强度的衰减规律1单色、窄束射线强度的衰减规律所谓单色射线是指：能量（波长）单一的射线。所谓窄束射线是指：在射线穿过物质后到达胶片的只有直透射线，而没有其它散乱射线的射线束。胶片吸收体工件吸收体窄束射线的产生工件胶片宽束射线第八十三页，共九十七页，2022年，8月28日射线穿过物质后其强度的衰减与物质的性质、厚度及射线光子的能量相关。单色窄束射线在穿过物质的过程中，光子能量不发生改变，衰减系数不变。在厚度很小的均匀介质中射线强度的衰减量与射线强度和穿过物质的厚度成正比，与物质的吸收系数成正比。即：对上式积分可得：第八十四页，共九十七页，2022年，8月28日窄束、单色射线的强度衰减公式:式中：I0—入射射线强度I—透射射线强度T—穿过的物质厚度μ—线衰减系数e—自然对数的底，约等于2.718第八十五页，共九十七页，2022年，8月28日窄束射线的衰减曲线第八十六页，共九十七页，2022年，8月28日2衰减系数μ衰减系数表示射线穿过物质的过程中，射线光子与物质原子发生作用的概率（可能性）。线衰减系数μ：入射光子在物质中穿过单位距离（如1cm）时，平均发生各种相互作用的概率。线衰减系数μ可用下式表示：μ＝τ＋σC＋σR＋κ式中：τ—光电效应的线衰减系数

σC—康普顿效应的线衰减系数

σR—瑞利散射的线衰减系数

κ—电子对效应的线衰减系数也可表示为：

μ＝τ＋σ（线吸收系数+线散射系数）第八十七页，共九十七页，2022年，8月28日质量衰减系数μm：线衰减系数除以物质密度所得的值。即：μm＝μ/ρ

（ρ为物质密度）μm＝τm＋σm对于常用的能量和常见的物质，μm与物质的原子序数Z和光子能量（波长λ）的关系可近似以下式表示：对同样能量的射线，物质原子序数越大，物质的密度越大，射线在物体中受到的衰减越大；对不同能量的射线，穿过同一物体时，能量低的射线将受到更大的衰减。第八十八页，共九十七页，2022年，8月28日以下是铁的线衰减系数曲线，图中，R曲线是瑞利散射部分，PE曲线是光电效应部分，C曲线是康普顿效应部分，PP曲线是电子对效应部分，T曲线是总衰减系数。第八十九页，共九十七页，2022年，8月28日第三节射线与物质的相互作用

3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