射线检测的物理基础

射线检测的物理基础第1页，共24页，2023年，2月20日，星期六射线检测基础1.1原子与原子结构1.1.1元素与原子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。原子质量采用“原子质量单位”用符号U表示，规定碳原子质量的1/12为U，而原子量就是某元素的原子的平均质量相当于612C的质量的1/12的比值。原子由一个原子核和若干个核外电子组成。原子核所带的正电荷数与核外电子所带的负电荷数相等。原子核是由两种更小的粒子即质子和中子组成的，中子不带电，１个质子带１个单位正电荷。第2页，共24页，2023年，2月20日，星期六射线检测基础数值关系：质子数＝核电荷数=核外电子数=原子序数原子量=质子数+中子数例如:2760Co表示钴元素中原子量为60的钴原子，核电荷数为27，核内有27个质子，33个中子，原子序数为27。

同位素:质子数相同而中子数不同(或叙述为核电荷数相同而原子量不同)的几种原子相互称为同位素。例如:2760Co和2759Co。同位素可分为稳定和不稳定两类，不稳定的同位素又称为放射性同位素。放射性同位素又可分为天然和人工制造两类，后者最常用的方法是用高能量粒子轰击稳定同位素的核使其成为放射性同位素。第3页，共24页，2023年，2月20日，星期六射线检测基础1.1.2玻尔的原子理论假设1.1.3要用人工方法，以中子、质子或其它基本粒子作为炮弹轰击原子核从而改变核内质子数或中子数目，可以产生新的同位素，也可以使稳定的同位素变为不稳定的同位素。

放射性衰变及其模式:不稳定的核素会自发蜕变，变成另一种核素，同时放出各种射线。α衰变β衰变γ衰变第4页，共24页，2023年，2月20日，星期六射线检测基础1.2射线的种类和性质1.2.1x射线和γ射线的性质

与电波，红外线，光波，紫外线一样都是电磁波。区别只是波长不同和产生方法不同。(图1-2)性质:a.在真空中以光速直线传播。

b.本身不带电，不受电场和磁场的影响。

c.在媒质界面上只能发生漫反射，而不能像可见光那样产生镜面反射。折射系数接近1。

d.可以发生干涉和衍射现象。

e.不可见光能穿透可见光不能穿透的物质。

f.和物质作用时，会与物质发生复杂的物理，化学作用。

g.具有辐射生物效应，能杀伤生物细胞，破坏生物组织。第5页，共24页，2023年，2月20日，星期六1.2.2x射线的产生及特点在一个具有阴阳两极的真空管（x射线管）产生。阴极是钨丝，阳极是金属制成的靶，两极之间加有很高的直流电压（管电压）。阴极加热释放的电子在高压电场中加速从阴极飞向阳极（管电流）以很高的速度撞击到金属靶上，失去所有动能，绝大部分动能转换为热能，仅有极少部分转换为x射线向四周辐射。这些x射线线谱由两部分组成：射线检测基础连续谱和标识谱第6页，共24页，2023年，2月20日，星期六

连续谱的产生及特点带电粒子在加速或减速时必然伴随着电磁辐射。当带电粒子与原子想碰撞(与原子核的库仑场相互作用)发生骤然减速时，由此伴随产生的辐射称为韧致辐射。连续谱的最短波长连续谱中最大强度对应的波长连续x射线总强度

管电流增加撞击电子数增加，管电压增加每个电子能量增大。转换过程增加Z越高核库仑场越强，韧致辐射作用越强。

x射线转换效率射线检测基础第7页，共24页，2023年，2月20日，星期六

标识谱的产生及特点

x射线官的管电压超过某个临界值（激发电压Vk）阴极放射的电子可以获得足够能量。它与阳极靶相撞时，可以将靶原子的内层电子逐出壳层之外，使该原子处于激发态，此时外层电子将向内层跃迁，同时放出1个光子，其能量等于发生跃迁的两能级之差。例如：Kα标识射线是L层电子跃迁至K层放出的，Kβ标识射线是N层电子跃迁至K层放出的。标识x射线强度只占x射线总强度的极少部分，能量也低，所以在工业射线探伤中不起什么作用。标识谱的波长只依赖于阳极靶面的材料，与管电压，管电流无关，不同的靶材激发电压也不同。射线检测基础第8页，共24页，2023年，2月20日，星期六1.2.3γ射线的产生及特点

γ射线是放射性同位素经α衰变或β衰变后，从激发态向稳定态过渡的过程中从原子核内发出的，这一过程称为γ衰变（或γ跃迁）。γ跃迁是核内能级之间的跃迁。和原子核外电子的跃迁相同和不同点:

反应式:2759Co+n→2760Co+γ.2760Coβ→2860Ni+γ不稳定受激发态的Ni60连续放出2个各带有1.17和1.33Mev的γ射线光子后转换为稳定状态。

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放射性同位素的衰变服从指数规律:

衰变常数λ反映了放射性物质的固有属性，λ越大该物质越不稳定，衰变得越快。

半衰期:T1/2放射性同位素衰变掉原有核数一半所需时间

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1.3射线与物质的相互作用射线通过物质时，会与物质发生相互作用而强度减弱。原因：吸收与散射主要形式：光电效应，康普顿效应，电子对效应和瑞利散射衰减规律，指数规律，衰减情况不仅与吸收物质的性质和厚度有关，还与辐射自身的性质有关。射线检测基础第11页，共24页，2023年，2月20日，星期六1.3.1光电效应入射光子与物质原子的束缚电子作用时，光子的全部能量转移给束缚电子使之发射出去，入射光子的全部能量用于该光电子与原子的结合能和光电子的动能。图1-9

光电效应的发生几率与射线能量和物质原子序数有关，它随着入射光子能量增大而减小，随着原子序数z的增大而增大。射线检测基础第12页，共24页，2023年，2月20日，星期六1.3.2康普顿效应入射光子和电子发生非弹性碰撞,入射光子能量一部分转移给电子使它成为反冲电子，另一部分成为散射光子的能量。反冲电子动能入射光子动能由反冲电子和散射电子之间进行分配。散射角越大，散射光子分配到的能量越小。图1-12

康普顿效应总是发生于自由电子或原子束缚最松的外层电子上，其发生的几率大致与物质原子序数成正比与光子能量成反比。射线检测基础第13页，共24页，2023年，2月20日，星期六1.3.3电子对效应当光子从原子核旁经过，在原子核库仑场作用下，光子转化为一个正电子和一个负电子（正负电子对）。

条件：入射光子能量，另一部分作为它的动能。图1-14

其发生几率是高能量射线和原子序数高的物质占优势。射线检测基础第14页，共24页，2023年，2月20日，星期六1.3.4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。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。射线检测基础第15页，共24页，2023年，2月20日，星期六1.3.5相对几率图1-17

对于低能量射线和原子序数高的物质光电效应占优势。对于中等能量射线和原子序数低的物质康普顿效应占优势。

对于高能量射线和原子序数高的物质电子对效应占优势。图1-18x射线与物质相互作用导致强度减弱以及能量强化。射线检测基础第16页，共24页，2023年，2月20日，星期六1.3.6窄束、单色射线的强度衰减规律吸收：光电和电子对效应散射：康普顿效应穿过物质层的射线通常由两部分组成：透射射线和散射射线

透射射线：未与物质发生相互作用的光子，能量和方向均未变。

散射射线：发生一项或多项康普顿效应的光子，能量和方向均改变。

窄束射线：不包括散射成分的射线束，通过物质后仅由未与物质发生相互作用的光子组成。射线检测基础第17页，共24页，2023年，2月20日，星期六

单色：指由单一波长电磁波组成的射线（相同能量光子，单能辐射）窄束、单色射线的强度衰减公式:

衰减系数μ的意义：射线通过单位厚度物质时与物质相互作用的几率，与射线能量、物质的原子序数和密度有关。对于同一物质射线能量不同μ不同。对于同一能量射线，通过不同物质时其μ也不同。单位cm-1表1-3

半价层T1/2指使入射射线强度减少一半的吸收物质厚度射线检测基础第18页，共24页，2023年，2月20日，星期六1.3.7宽束、单色射线的强度衰减规律工业探伤中应用的射线不可行是窄束、单色射线到达探伤器的束流中总是包含散射成分,这样的射线称为宽束射线。束流中的光子往往也不具有相同能量。γ射线是由几种乃至十几种能量的光子组合属多色。x射线的波长更是连续变化的。射线检测基础第19页，共24页，2023年，2月20日，星期六

散射线和散射比对射线照相产生影响的散射线来自康普顿效应，在较低能量范围则来自相干散射(瑞利散射)

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，其射线总强度为I则：

散射比：n=Is/Ip

其大小与射线能量，穿透物质种类、厚度等有关。射线检测基础1第20页，共24页，2023年，2月20日，星期六

平均衰减系数μ

因为光子能量不同,其衰减系数也不同，考虑到总的衰减结果，得以下关系式：

即为多色射线强度衰减公式，其中μ称为平均衰减系数。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，所以平均能量将高于初始射线的平均能量（硬化现象）随着穿透厚度增加，线度逐渐变硬。平均衰减系数μ逐渐减小，平均半阶层逐渐增大。图1-20

宽束多色射线的强度衰减规律

射线检测基础23第21页，共24页，2023年，2月20日，星期六1.4射线照相法

1.4.1射线照相法原理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）。射线检测基础第22页，共24页，2023年，2月20日，星期六

由于缺陷部位和完好部位的透照射线强度不同，底片上相应部位就会出现黑度差异，该黑度差意义为“对比度”把底