射线检测物理基础

射线检测物理基础第一页，共七十页，2022年，8月28日本章重点讲述四个问题:1.射线的性质、本质和X射线的产生2.射线谱--连续谱、特征谱、线状谱3.射线与物质的相互作用4.射线照相原理、特点第二页，共七十页，2022年，8月28日

第一节原子和原子核结构元素与原子（了解）1元素构成物质，每一种元素用元素符号表示（119种）CCOFe2原子的概念:定义：体现元素性质的最小微粒。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。第三页，共七十页，2022年，8月28日2原子的构成:*原子是由原子核和核外电子所构成。电子围绕原子核作行星运动；电子在一定轨道上绕核运动。

铁原子铯原子第四页，共七十页，2022年，8月28日（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！）相对原子质量=质子数+中子数+电子数（电子质量小，忽略）（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核（1cm）

电子*------------------------------*（约1000米）

10-8/10-13=100000倍原子是有质量、有尺寸的一种粒子。

原子质量微小相对原子质量第五页，共七十页，2022年，8月28日（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：钴6060=27+33质子数Z=核的正电荷数=电子数=原子序数（5）核素：凡是具有一定质子数、中子数并处于特定能量状态的原子或原子核称为核素。（6）同位素：同一种元素的原子具有相同的核电荷数，即核内质子数相同，中子数可以不同（中子不带电）。第六页，共七十页，2022年，8月28日

稳定

核素

不稳定自发放出α、β或γ射线变为另一种元素放射性核素获得：※Z≥83※用高能粒子轰击稳定核素的核质子数相同而中子数不同（核电荷数相同而相对原子质量不同）的各种原子互为同位素。

pie

氕dao氘chuan氚第七页，共七十页，2022年，8月28日1913年玻尔提出了完善的原子结构模型---玻尔模型.3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

卢瑟福α粒子散射试验1911年：卢瑟福模型：行星分布

古典电磁理论原子的线状光谱第八页，共七十页，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，各轨道有不同的能量状态，叫做能级，各能级的能值都是确定的。正常情况下电子在能级最低的轨道上运行，这时的原子状态称作基态。（2）原子从外界吸收一定能量时，电子就由最低能级跳到较高能级，这一过程称作跃迁，这时的原子状态称作激发态。激发态是一种不稳定状态，电子将再次跃迁回较低能级：hυ=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。第九页，共七十页，2022年，8月28日第十页，共七十页，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。第十一页，共七十页，2022年，8月28日1901年-W.KRontgen(伦琴)德国-发现X射线（物理）东尼1903年：安·亨利·贝克勒尔（法国）发现天然放射性；皮埃尔·居里（法国）、玛丽·居里（波兰裔法国人）发现并研究放射性元素钋和镭1904年：瑞利（英国）气体密度的研究和发现氩1906年：约瑟夫·汤姆生（英国）对气体放电理论和实验研究作出重要贡献并发现电子1908年E.卢瑟福（英国人）首先提出放射性元素的蜕变理论1911年M.居里（法国人）发现镭和钋因对X射线、放射性物质及应用作出贡献而获诺贝尔奖的科学家第十二页，共七十页，2022年，8月28日1914年-M.VLaue(劳厄)-发现晶体的X衍射衍射（物理）1915年-WH.WL.Bragg(布拉格)–用X射线分析晶体结构（物理）1917年-C.GBarkla(巴克拉)-发现X射线对元素的特征发射（物理）1921年：阿尔伯特·爱因斯坦（德国）他对数学物理学的成就，特别是光电效应定律的发现1922年：尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔（丹麦）关于原子结构以及原子辐射的研究1924年-M.GSiegbahn(塞格巴恩)-（瑞典）研究X射线光谱学（物理）1925年：弗兰克·赫兹（德国）发现原子和电子的碰撞规律1927年-A.HCompton(康普顿)-发现散射X射线的波长变化（物理）1929年：路易·维克多·德布罗意（法国）发现电子的波动性1935年：詹姆斯·查德威克（英国）发现中子1936年-P.J.WDebye(德拜)-X射线偶极矩和衍射及气体中的电子研究（化学）1946年-H.IMuller(马勒)-X射线辐照引起变异（生理学或医学）第十三页，共七十页，2022年，8月28日二原子核（了解）原子核的构成

原子核=质子+中子r∝A1/3

核的密度是相同的2原子核的质量*原子核的质量＜＜组成部分的质量和;结合能把原子核中粒子结合在一起的吸引力有关的负电位能的质量当量。第十四页，共七十页，2022年，8月28日3核的稳定性核力

斥力

核力核力的性质:．核力与电荷无关，无论中子还是质子都受到核力的作用。

核力是短程力，只在相邻原子核之间发生作用核力比库仑力约大100倍，是一种强相互作用力核力能促成粒子的成对结合和对对结合第十五页，共七十页，2022年，8月28日核的稳定性取决于质子与中子数量的组合

对于小质量数的核，N/Z=1

对于大质量数的核，N/Z=1.6

不稳定核素放射性衰变4α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。第十六页，共七十页，2022年，8月28日5β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。6γ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。并非每一个α衰变和β衰变都释放γ光子。γ射线的释放不影响原子核的核子数，仅减少原子核的强度。

第十七页，共七十页，2022年，8月28日第十八页，共七十页，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（理解）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；区别在于波长不同以及产生方法不同。第十九页，共七十页，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A=10-8cm；纳米nm=10-7cm.4X射线和γ射线性质：（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（折射系数近似1），干涉和衍射....；（4）具有极大的能量，能穿透物体；（5）能使物质电离，能产生热效应和光化作用；（6）能杀伤生物细胞，破坏生物组织，具有辐射生物效应。第二十页，共七十页，2022年，8月28日X射线的产生产生机理：作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。

连续谱最短波长与外加电压有关

X射线谱

特征谱波长位置取决于靶材料第二十一页，共七十页，2022年，8月28日连续X射线（白色X射线，多色X射线）1、轫致辐射：带电粒子在加速或减速时必然伴随着电磁辐射，当带电粒子与原子相碰撞（更确切地说是与原子核的库伦场相互作用）发生骤然减速时，由此伴随产生的辐射。X射线产生的波谱呈连续分布。连续谱存在着一个最短波长λmin=12.4/V（Å）,连续谱中最大强度对应波长λIM=1.5λmin

连续X射线的总强度IT=KiZiV2i变大电子数增多I变大V变大电子能量变大短波成分射线增大I变大Z越高核库仑场越强轫致辐射作用越强I变大

第二十二页，共七十页，2022年，8月28日2、

连续X射线谱及最短波长：1.管电流变；2.管电压变；3.滤波的影响；4.Z的影响影响强度的因素U、Z、i第二十三页，共七十页，2022年，8月28日3

、连续X射线的效率（转换效率）：

连续X射线强度KZiU2*计算公式η=--------------------=KUZ*电功率iU*

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、U、Z*例：Z=74；U=200；求ηη=1.4×10-6×74×200=2%

第二十四页，共七十页，2022年，8月28日（5）X射线管采用金属钨作靶的原因：X射线管采用金属钨作靶的原因：☆Z=74较大，产生X射线的转换效率高；☆钨的熔点高，不易热损；☆钨的饱和蒸气压低，能够使射线管保持高的真空度；☆钨具有良好的导热性。第二十五页，共七十页，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）标识X射线产生机理

V>VK

标识谱VK激发电压不同靶材VK各不相同第二十六页，共七十页，2022年，8月28日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。标识X射线强度少，能量低，在工业射线检测中不起作用。2标识谱特征1、每一谱线都有特定的波长，电子撞击的物质不同，这些特定波长的值也不同。2、特征谱可以分成若干系，每一系的谱线都有自己特定的结构和激发电压，只有电子的加速电压超过激发电压时，才能产生该系的特征谱线。第二十七页，共七十页，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射线五γ射线（理解）1产生原理γ射线是放射性同位素经过α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。*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。第二十八页，共七十页，2022年，8月28日核内能级之间的跃迁与核外电子跃迁相同点：放出光子，hυ=En-Em不同点：核外电子跃迁hυneV～

核内能级跃迁hυnKeV～n10MeVγ射线能量取决于放射性同位素种类，γ射线能谱为线状谱，谱线只出现在特定波长的若干点上。一种放射性同位素放出多种能量射线辐射能量的平均值同位素的辐射能量放射性同位素辐射能量不会衰减，不随时间而改变nKeV第二十九页，共七十页，2022年，8月28日2衰变规律与半衰期衰变定律：在一定量的放射性元素中，虽然所有的核都有可能发生衰变，但各个核并不是同时衰变的，而是有先有后，在一定的时间内，存在确定的几率。*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。越大，物质衰变的快*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T’。第三十页，共七十页，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’=--------

λ

例：Co60T’=5.3年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，共七十页，2022年，8月28日3γ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4γ射线的强度*单位时间落到单位面积上的光子数卢瑟福1898年发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种不同类型：一种是带正电的射线，极易吸收的，他称之为α射线；另一种带负电的射线，有较强的穿透能力，他称之为β射线。1900年由法国科学家P.V.维拉德（PaulUlrichVillard）发现，将含镭的氯化钡通过阴极射线，从照片记录上看到辐射穿过0.2毫米的铅箔，拉塞福称这一贯穿力非常强的辐射为γ射线，第三十二页，共七十页，2022年，8月28日5X射线和γ射线比较（理解）*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.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。第三十三页，共七十页，2022年，8月28日

第三节射线与物质的相互作用射线强度减弱散射吸收射线与物质的主要作用形式光电效应瑞利散射康普顿效应电子对效应第三十四页，共七十页，2022年，8月28日一瑞利散射和汤姆森散射（了解）

*入射光子与原子碰撞,碰撞类型与能量的关系:当入射光子的能量较小时光子不能碰出轨道电子只能产生散射现象。

*瑞利散射：光子与内层电子作用时，电子吸收光子能量从低能级跃迁到高能级，同时释放出一个散射光子，其能量与入射光子的能量相同。

*汤姆森散射：光子与自由电子碰撞，使电子作同频率振动并释放出与入射光子能量相同的散射线。外层电子通常认为是自由电子。

第三十五页，共七十页，2022年，8月28日瑞利散射效应示意图瑞利散射特点散射过程中束缚电子未脱离原子瑞利散射是相干散射的一种（散射线与入射线波长相同）瑞利散射的概率与物质的原子序数和入射光子能量有关σ∝Z2σ随能量增大急剧减小第三十六页，共七十页，2022年，8月28日第三十七页，共七十页，2022年，8月28日二光电效应（了解）*入射到物体内的光子与原子中的轨道电子发生碰撞，光子的全部能量传递给轨道电子使电子脱离轨道成为光电子，这一现象称为光电效应。*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是hυ>Ei入射光子能量>电子结合能第三十八页，共七十页，2022年，8月28日海因里希·鲁道夫·赫兹（HeinrichRudolfHertz，1857年（丁巳年）2月22日－1894年（甲午年）1月1日），德国物理学家，于1888年首先证实了电磁波的存在。并对电磁学有很大的贡献，故频率的国际单位制单位赫兹以他的名字命名。赫兹在1887年发现了光电效应。爱因斯坦发现光电效应定律Ek=hv-wEk是吸收光子而出射的电子的动能v是光波的频率h是普朗克常数W是被光照射的金属的逸出功。阿尔伯特·爱因斯坦（）犹太裔物理学家。他于1879年出生于德国乌尔姆市的一个犹太人家庭（父母均为犹太人)，1900年毕业于苏黎世联邦理工学院，入瑞士国籍。1905年，获苏黎世大学哲学博士学位，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖，同年，创立狭义相对论。1915年创立广义相对论。[1]第三十九页，共七十页，2022年，8月28日光电效应示意图自由电子：

称为光电子入射光子第四十页，共七十页，2022年，8月28日2光子不能与自由电子相互作用，不能保持动量守衡；3光电效应伴随二次标识X射线和俄歇电子的发生；*二次标识X射线：俄歇电子：二次标识X射线俄歇电子：二次光电子第四十一页，共七十页，2022年，8月28日第四十二页，共七十页，2022年，8月28日第四十三页，共七十页，2022年，8月28日第四十四页，共七十页，2022年，8月28日4光电效应发生的几率σ*σ∝Z5σ∝1/hυ’即：与原子序数的5次方成正比，与入射光子能量hυ’成反比。5光电效应可以在原子的任何一个壳层发生。第四十五页，共七十页，2022年，8月28日三康普顿效应（散射）（了解）*康普顿发现波长增长、运动方向改变现象*入射光子与轨道电子碰撞，轨道电子脱离轨道成为反冲电子，入射光子能量降低（波长变长）并改变运动方向成为散射线，这一现象称为康普顿效应（散射）。*波长变长：Δλ=λ'-λ。*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。2Δλ=0.0242(1-COSΦ)Δλ与入射光子能量无关与Φ有关第四十六页，共七十页，2022年，8月28日3Δλ与散射角关系：Φ=0Δλ=0无散射线Φ=180Δλ=2×0.0242背散射！Φ=90Δλ=0.02424Z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。入射光子散射光子反冲电子φθ外层电子或自由电子康普顿效应示意图第四十七页，共七十页，2022年，8月28日吴有训（），字正之，江西高安人，闻名世界的物理学家中国近代物理学奠基人，科学家，教育家。中国科协副主席、中国科学院副院长、研究员。吴有训在物理学领域中的重要成就是：在参与康普顿的X射线散射研究的开创工作时，他以精湛的实验技术和卓越的理论分析，验证了康普顿效应。第四十八页，共七十页，2022年，8月28日四电子对效应当入射光子的能量>1.022Mev时，在原子核附近由于核库仑场的作用将产生一对正、负电子，这种现象称为电子对效应。入射光子能量=电子对静止质量+动能*电子质能0.511Mev*特征：1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；2能量越大，产生电子对的可能性越大。e+e－θKLM电子对效应示意图φ第四十九页，共七十页，2022年，8月28日

赵忠尧，男，（1902年6月27日－1998年5月28日），浙江诸暨人。中科院院士、核物理学家，中国核物理研究的开拓者，中国核事业的先驱之一，南京大学杰出校友。1930年最先观察到γ射线通过重物质时的反常吸收和特殊辐射，这是正负电子对的产生和湮灭过程的最早实验证据。1936年，为了表彰正电子的发现这一重要成就，瑞典皇家科学院把诺贝尔物理学奖授予了1932年在云雾室中观测到正电子径迹的安德逊，而不是1930年首先发现了正负电子湮灭的赵忠尧。第五十页，共七十页，2022年，8月28日五、各种相互作用发生的相对几率各种效应几率低能量和原子序数高的物质，光电效应占优势中等能量和原子序数低的物质，康普顿效应占优势高能量和原子序数高的物质，电子对效应占优势第五十一页，共七十页，2022年，8月28日五、各种效应相互作用发生的相对几率常见材料铁的各种效应发生几率10KeV：光电效应占绝对优势100KeV：光电效应和康普顿效应各占50%1MeV：康普顿效应发生几率最大10MeV：康普顿效应和电子对效应各占50%10K100K1M第五十二页，共七十页，2022年，8月28日各种效应的发生对射线检测照相底片质量的影响提高照相对比降低照相对比度：康普顿效应光电效应电子对效应1MeV左右能量射线照相，其对比度往往不如较低能量或较高能量的射线照相，这些都是康普顿效应的影响造成的。这是一种成像质量较差的放射源第五十三页，共七十页，2022年，8月28日射线的衰减：由于物质对光子的吸收和散射，使得穿过物质的射线强度低于入射线强度，这种现象称为射线衰减。初始X射线强度Io热能荧光X射线穿透X射线强度I＝Ioe-μT电子散射X射线相干的不相干的光电子反冲电子俄歇电子X射线与物质相互作用示意图T一次射线第五十四页，共七十页，2022年，8月28日六窄束、单色射线的强度衰减规律（理解）透射射线和散射线：

穿过物质后射线通常由两部分组成:一部份是未与物质发生相互作用的光子,其能量和方向均未发生变化,称为透射射线(又称一次射线);另一部份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。射线分类(按能量)单色射线：指由单一波长的电磁波组成的射线，即只含有一种能量的光子，又称单能辐射。是线状谱。如CO60放射的γ射线就是线状光谱。连续谱射线：指包含连续分布能量的射线，即含有不同能量的光子，或者说，包含一段波长范围。是一个连续谱。例如；通常的X射线就是连续谱射线。1、单色射线和连续谱射线第五十五页，共七十页，2022年，8月28日2、窄束射线和宽束射线窄束射线：不包括散射线成分在内的射线束，又称透射射线。即通过物质后的射线束，仅由未与物质发生相互作用的光子组成。宽束射线：是包含了散射线成分在内的射线束，它既含有未与物质发生相互作用的一次透射线，又含有与物质发生相互作用而产生的散射线。吸收体源铅准直器铅准直器探测器△T获得窄束辐射的装置示意图射线分类(考虑散射线)第五十六页，共七十页，2022年，8月28日六、单色窄束射线衰减规律衰减公式：线衰变系数μ：是一个重要的系数，其表示入射光子通过单位厚度的物质时，与物质平均发生各种相互作用的可能性。

I=Ioe-μTμ第五十七页，共七十页，2022年，8月28日线衰减系数μ：

线衰减系数μ与射线光子的能量，物质的原子序数和密度有关。大致存在以下关系：质量衰减系数μm：

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，其线衰减系数也不同。μ=μ光电+μ康普顿+μ电子对

μm=μ/ρ

μ/ρ=KZ3λ3

第五十八页，共七十页，2022年，8月28日半价层(半值层)：指入射射线的强度减少一半时穿过的吸收物质厚度。（或指使入射射线的强度减弱到其值的二分之一时，穿过的物质厚度），记为Th。I=Ioe-µd

1/2=I/Io=e-µTh

Th=Ln2/μ=0.693/μ第五十九页，共七十页，2022年，8月28日【例】1

已知某窄束单能射线穿过20mm的钢后，强度减弱到原来的20％，求该射线在钢中的线衰减系数。解1：已知：I/I0=0.20，T=2cm，

线衰减系数表示入射光子在物体中，穿透单位距离时(例如1cm)，平均发生各种相互作用的可能性。

由公式：

I＝I0e－μTI/I0＝e－μT

e－μ·2＝0.2

两边取自然对数:lne－μ·2＝ln

0.2

－μ·2＝ln

0.2

故：

μ＝－1/2·ln0.2＝0.80(cm－1)答：-----。第六十页，共七十页，2022年，8月28日【例】2

已知某窄束单能射线穿过20mm的钢后，强度减弱到原来的20％，求该射线在钢中的线衰减系数。解2：设射线穿过n个半价层后，强度衰减到原来的20%，则有：

即20mm（2cm）钢，相当于2.32个半价层，

则：半价层Th厚度为0.86cm。

由公式：Th=0.693/μ，得

μ＝0.693/Th＝0.80(cm－1)答：-----

第六十一页，共七十页，2022年，8月28日七宽束多色射线的强度衰变规律（了解）

工业射线检验中应用的不可能是单色窄束射线,而是包含着散射线成分在内的多色宽束射线。

具有连续波长射线(如X射线)也称为