射线检测的物理基础

射线检测的物理基础第一页，共八十八页，2022年，8月28日本章节的内容原子与原子结构射线的种类和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，共八十八页，2022年，8月28日第一节原子与原子结构一原子1原子的概念:*定义：组成单质和化合物分子的最小微粒，是元素的具体体现,是体现元素性质的最小微粒,由原子核和核外电子构成。2原子的构成：图11动画演示*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；电子在一定轨道上饶核运动。*原子是有质量、有尺寸的一种粒子。（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！（一万万吨！）第三页，共八十八页，2022年，8月28日（2）大小：原子半径10-8

cm数量级。原子核半径10-13cm数量级。如果：核的半径为1cm核（1cm）电子*——————————*（约1000米）10-8/10-13=100000倍（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：原子量=质子数+中子数

A=Z+N例：60钴60=27+33质子数Z=核的正电荷数=电子数=原子序数第四页，共八十八页，2022年，8月28日原子结构理论

.第五页，共八十八页，2022年，8月28日

3原子结构理论*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：行星分布图11*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：（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，是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υ决定于下列关系式（称为玻尔频率条件）：

hυ（光量子能量）=En-EmEn、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）是不连续的第六页，共八十八页，2022年，8月28日4玻尔理论中的几个概念：图11*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；*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。第七页，共八十八页，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原子核的构成图13*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+N3原子核的电荷正电荷=原子序数Z4原子核的半径10-13----10-12

cm5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第八页，共八十八页，2022年，8月28日

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。7核内的几种作用力*库仑力：库仑力是静电力，是电荷间的作用力

*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）核力比库仑力约大100倍，是强相互作用力；（4）核力促成粒子的二种结合形式成对结合：质子+中子对对结合：一对质子+一对中子第九页，共八十八页，2022年，8月28日三元素及元素周期律1元素的概念（1）定义：具有相同核电荷的一类原子称为元素。例如：所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

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。图122同位素

*质子数相同而质量数不同的元素称为同位素。如：1H，2H，3H图12第十页，共八十八页，2022年，8月28日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。四放射性衰变1原子核的重要性质----放射性*核的稳定性概念*处于基态的稳定性原子核.…*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：在无外界作用下，不稳定原子核自发释放出中子和质子，转变为另一种元素的原子核，这种现象称为衰变。

*自然衰变与人工衰变*稳定同位素与不稳定同位素*放射性同位素与人工放射性同位素.第十一页，共八十八页，2022年，8月28日射线和辐射射线:由各种放射性核素发射出的、具有特定能量的粒子或光子束流。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十二页，共八十八页，2022年，8月28日2α衰变*放射性原子核释放出α粒子的过程称为α衰变，放出带2个正电荷的氦核。*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。图13*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。3β衰变放射性原子核释放出β粒子的过程称为β衰变。*β衰变后，原子核内核子数的变化：

β粒子是电子,一次β衰变：质子数增加一个，原子量不变。图13β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。第十三页，共八十八页，2022年，8月28日4γ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)。

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。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的典型衰变图251.钴60是由稳定同位素钴59被中子照射后形成的。2.钴60不稳定，放出β粒子变成同位素镍60，受激状态的镍60，连续放出2个各带有1.17和1.33MeV的γ射线光子后变为稳定状态。第十四页，共八十八页，2022年，8月28日原子结构汇总第十五页，共八十八页，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：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。

第十六页，共八十八页，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。第十七页，共八十八页，2022年，8月28日.*X射线、γ射线、可见光、无线电波等都是电磁波*X射线和γ射线是波长较短的电磁波第十八页，共八十八页，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10毫微米～0.1毫微米

γ射线0.1毫微米～0.001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。第十九页，共八十八页，2022年，8月28日2波动关系：λ=C/υλ（波长A），C（光速），υ（频率）3波长单位：埃

Ǻ=10-10m=10-8cm；纳米nm=10-10m=10-7cm.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：产生漫反射（不能产生镜面反射）和折射（折射系数近似1）；（4）能产生干涉和衍射（在铝合金和不锈钢中产生衍射斑纹）；（5）具有极大的能量，能穿透物体；（6）能使物质电离，能产生热效应和光化作用；（7）能杀伤生物细胞，破坏生物组织，具有辐射生物效应。第二十页，共八十八页，2022年，8月28日射线的种类和性质二X射线的产生及其特点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

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第二十一页，共八十八页，2022年，8月28日连续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1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。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图212连续X射线谱及最短波长：图22*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，

E=hυ=hc/λλ--连续变化第二十二页，共八十八页，2022年，8月28日

*

λmin的导出：电场能=电子动能=光子能+消耗能eV=MV2/2=hυ+p图21

∴hυ=MV2/2-p=eV–p消耗能远小于光子能，故忽略消耗能,即：

p—>0则hυmaxeVυmax=eV/h;υ=c/λ

∴λmin=hc/eV=12.4/V(h、c、e均为常数）单位：λmin：埃。U：千伏。例：U=200kV,λmin=12.4/200=0.062埃第二十三页，共八十八页，2022年，8月28日*连续谱变化规律：1.管电压变化；2.管电流变化；3.滤波的影响；4.靶材料原子序数Z的影响。图223连续X射线强度分布曲线及强度计算：图22*连续谱曲线I（λ）极其复杂！总强度：求面积积分*∞*I=∫I（λ）dλ=KZiV2

*λmin式中：K--系数1.1--1.4×10-6

/Kv

Z--原子序数；i--管电流(mA)；V--管电压(kV)*影响强度的因素V、Z、i第二十四页，共八十八页，2022年，8月28日管电压、管电流变化对X射线谱的影响

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。第二十五页，共八十八页，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分钟第二十六页，共八十八页，2022年，8月28日4连续X射线的效率（转换效率）：

*计算公式

η=连续X射线强度/电功率=KZiV2/iV=KVZ*K值：K=1.1--1.4×10-9/v；K=1.1--1.4×10-6/Kv*影响转换效率的因素K、V、Z*例：Z=74；V=200kV；求ηη=1.4×10-6×74×200=2%5连续X射线的空间强度分布：图23

*垂直方向不是强度最大方向*实际曝光场是一个椭圆*通过实验测定曝光场的强度分布第二十七页，共八十八页，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射线产生机理图24*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。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。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；2标识谱及其特征图24*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...第二十八页，共八十八页，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γ射线1产生原理原子核的重要性质----放射性贝克勒尔发现α，β，γ射线放射性同位素产生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射线释放多余的能量，其机理是核内能级之间的跃迁产生的。。图25第二十九页，共八十八页，2022年，8月28日2衰变规律与半衰期*衰变规律：N=Noe-λt

式中：No--初始状态的放射性原子核数（或强度）；

N--t时间后的放射性原子核数（或强度）；

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。

*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。第三十页，共八十八页，2022年，8月28日*半衰期公式的推导：

N1

——=——=e-λT’No2二边取自然对数，

Ln(1/2)=-λT’---->Ln2=0.693

所以：0.693

T’=————

例：Co60T’=5.3年

λ

λ=0.693/5.3年=0.130/年

*半衰期的简便计算公式

N1

——=(——)t/T’

（t/T’）即有多少个半衰期

No2第三十一页，共八十八页，2022年，8月28日

3γ射线谱---线状谱*60Co:2根；192Ir:24根；137Cs:1根；图254γ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.第三十二页，共八十八页，2022年，8月28日

*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。

7工业探伤用的放射性同位素（书P46的有关参数）*常用γ源：60Co,137Cs,192Ir,75Se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！第三十三页，共八十八页，2022年，8月28日*制取方式:天然；中子激活（轰击）：59Co+no--->Co60;

191Ir+no-->192Ir；

核反应不能逆转，不能恢复！核裂变：137Cs:235U裂变生成137Cs.第三十四页，共八十八页，2022年，8月28日六波粒二象性1波动特性:电磁波和机械波二大类波；无质量、无电荷的振动传播具有波长、波速、频率；C=λυ

2粒子特性：α粒子，β粒子，中子，质子等有质量的粒子发射。量子化能量E=hυ一份一份传播3波粒二象性的体现：E=hυ=hc/λ4波粒二象性的推广：一切微观粒子都具有波粒二象性5X射线，γ射线，中子射线，α射线，β射线...具有波粒二象性

第三十五页，共八十八页，2022年，8月28日七射线的种类及其在探伤中的应用1种类：（1）电磁波类：X射线，γ射线，以及红外线，紫外线，微波等...，（2）粒子类：α射线，β射线（电子射线），质子射线，中子射线等...2中子射线的衰减特性：（1）衰减系数与Z之间没有规律;（2）有些重元素中衰减小，有些轻元素中衰减大。

3应用*内部缺陷的探测：X,γ,中子*表面缺陷的探测：微波，红外线，激光*特殊结构的探测：炮弹（中子）*金属构件的探测：X,γ,中子*非金属构件的探测：微波，激光第三十六页，共八十八页，2022年，8月28日八射线的能量与强度

*能量与强度是一种力量的量度，能量是力量的质的体现；强度是力量的量的体现。*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。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；*能量的单位：ev或尔格1ev=1.6x10-12

尔格。*X射线（光子）能量的表达与计算*E=hυ=hc/λ=0.0124/λ*或λ=0.0124/E*以上二式中，E的单位：Mev;λ的单位：埃。*或者λ=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。第三十七页，共八十八页，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*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。第三十八页，共八十八页，2022年，8月28日如何确定220KV射线的能量：*先求:λmin=12.4/U=0.05636(AO)*再求:最短波长所对应的射线能量*Emax=hc/λmin=0.220(Mev)C(光速)--3*108m/s

*即：220kv管电压产生的X射线光子最大能量0.22Mev。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。第三十九页，共八十八页，2022年，8月28日*强度的量度：计数器，次/秒。*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。*强度的变化因素：（A）强度-距离平方反比律I1/I2=(F2/F1)2（B）穿过物体后的强度衰减规律连续X射线的强度I=KZiU2第四十页，共八十八页，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（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*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。第四十一页，共八十八页，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。*照射强度的变化规律：（A）距离--平方反比律；（B）穿过物体时的衰减规律

（3）放射强度和照射强度的转换关系(在以后的章节中有）第四十二页，共八十八页，2022年，8月28日第三节射线与物质的相互作用

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。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能量产生衰减。

第四十三页，共八十八页，2022年，8月28日

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

光电子光子第四十四页，共八十八页，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。

第四十五页，共八十八页，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

第四十六页，共八十八页，2022年，8月28日

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。第四十七页，共八十八页，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

第四十八页，共八十八页，2022年，8月28日

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。第四十九页，共八十八页，2022年，8月28日汤姆逊效应

（4）瑞利散射

射线与物质中带电粒子相互作用，产生与入射射线波长相同的散射线的现象叫做汤姆逊效应。这种散射线可以产生干涉，能量衰减十分微小。瑞利散射同样也是光子与核外轨道电子相互作用的过程。与光电效应不同的是，轨道电子被光子击出轨道后，又跃回原来的轨道，同时释放出一个与入射光子能量相同的一个光子（光子能量可忽略不计）。

第五十页，共八十八页，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五十一页，共八十八页，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：第五十二页，共八十八页，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射线的衰减第五十三页，共八十八页，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）第五十四页，共八十八页，2022年，8月28日六窄束，单色射线的强度衰减规律1概念*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；

2衰减规律：I=Ioe-μd3线衰减系数μ：d=1μ=Ln(Io/I)μ的物理意义：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，电子对效应是造成射线衰减的主要原因，所以线衰减系数包含三个效应的作用。因此：

μ=μ光电+μ康普顿+μ电子对第五十五页，共八十八页，2022年，8月28日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。第五十六页，共八十八页，2022年，8月28日质量衰减系数μm=μ/ρ线衰减系数除以物质密度所得的值*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乘积的总和：

μ/ρ=（μ1/ρ1）α1+（μ2/ρ2）α2+....…μ/ρ的变化规律

μm=μ/ρ=KZ3λ3

所以：I=Ioe-kρZ3λ3d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。6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Th。

第五十七页，共八十八页，2022年，8月28日**Th的计算*I=Ioe-µd1/2=I/Io=e-µTh

二边取自然对数

Th=Ln2/μ=0.693/μ这里：μ=KρZ3λ3Th的简便算法I/

Io=（1/2）NN=d/Th（计算有多少个半值层）第五十八页，共八十八页，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；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。对于宽束多色X射线（工业探伤用X射线），因为由多种能量成分的X射线组成，大部分波长较长，能量较低的X射线经过一个半价层后，已被吸收或衰减掉，此时强度衰减一半所需要的厚度值较小，剩余能量较高的X射线再继续穿过物质，强度再衰减一半所需要的厚度值与第一半价层相比就要大些，因此，对于特定管电压下的宽束多色X射线而言，半价层厚度数值随半价层序数值的增大而增大。另外，半价层厚度数值随透照能量的增大而增大。第五十九页，共八十八页，2022年，8月28日七宽束多色射线的强度衰减规律*1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。第六十页，共八十八页，2022年，8月28日2散射线与散射比图33*散射线的组成：康普顿散射；瑞利散射等。*n--散射比Is（散射线）=nIp（一次透射射线）n=Is/Ip其大小与射线能量，穿透物质种类、厚度等有关。*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；底部垫铅板…...3宽束单色射线的强度衰减规律*I（宽束）=Is（散射线）+Ip（窄束）*=nIp+Ip=（1+n）Ip=（1+n）Ioe-μd

4宽束多色射线的强度衰减规律*I（宽束）=Is（散射线）+Ip（窄束）*=nIp+Ip=（1+n）Ip=（1+n）Ioe-μd*这里：μ----平均衰减系数

第六十一页，共八十八页，2022年，8月28日5线质硬化（连续X射线均匀化）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。连续X射线的波长：从λmin---->∞图22波长不连续μ是变量计算困难通过加滤板的方法，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。图34*有效能量：平均衰减系数μ与某一能量的单色射线的衰减系数μ的数值相同，则可用此单色射线的能量值来表示连续X射线的平均能量，该能量又称为有效能量。第六十二页，共八十八页，2022年，8月28日第四节射线照相法的原理与特点*射线检测方法的分类与基本原理一射线检测方法的分类1按射线种类分*电磁辐射：X射线；γ射线；散射线*粒子辐射：中子射线；β射线（电子射线）2按观察方式分*胶片照相法；相纸照相法；荧屏实时法3按能量分*高能射线；低能射线4按成像方式分*二维平面成像；三维层析摄影5按检测功能分*工业探伤；测厚；应力分析第六十三页，共八十八页，2022年，8月28日二射线照相法原理底片图像构成的二个基本因数：黑度与形状决定黑度的是射线的强度变化决定形状的是射线的几何投影射线在穿透物体过程中会与物质发生相互作用，因吸收和散射而使其强度减弱，强度减弱程度取决于物质的衰减系数和射线在物质中穿越的厚度。如果被透照物体的局部存在缺陷，且构成缺陷的物质的衰减系数又不同于物体的衰减系数。该局部区域的透过射线强度就会与周围产生差异。把胶片放在适当位置使其在透过射线的作用下感光暗室处理后得到底片，底片上各点的黑化程度取决于射线照射量（射线强度和照射时间的乘积）。

第六十四页，共八十八页，2022年，8月28日T∆TIoIoIdId’第六十五页，共八十八页，2022年，8月28日当μ>>μ'时，忽略μ'，则得如下近似公式：ΔI/I定义为主因对比度（主因衬度）定义主因对比度为“穿过被检体被选定的一些部分后射线强度之比（或此比的对数）”，射线强度差异是底片产生对比度的根本原因。影响主因对比度的主要因数由μ=Kρλ3Z3

公式可知：影响主因对比度的主要因数是：ρ，λ，Z，ΔT，n。

第六十六页，共八十八页，2022年，8月28日2几何投影原理图42*放大*重叠*畸变三射线照相法的特点1适用范围*适用的材料：金属材料；非金属材料；复合材料；*适用的厚度（以钢为当量厚度）：*420KV的X射线机：80mm以内*

CO60：150mm以内*加速器：500mm以内