第二章-射线检测(一)课件

第八章射线检测射线检测技术概述射线检测物理基础射线检测基本原理和方法射线照相检测设备与器材射线检测缺陷分析射线检测新技术（自学）第一节射线检测技术概述射线检测是五种常规无损检测技术之一。它依据被检工件由于成分、密度、厚度等的不同，对射线（即电磁辐射或粒子辐射）产生不同的吸收或散射的特性，对被检工件的质量、尺寸、特性等作出判断。X射线是1895年由德国物理学家伦琴发现的；1912年，美国物理学家D.库利吉博士研制出了新型的x射线管——白炽阴极x射线管，这种x射线管可以承受高电压、高管流，从而为x射线的工业应用奠定了基础。1922年，美国Watertown陆军兵工厂安装了库利吉管X射线机(工作电压200kV，管电流5mA)，第一次完成了真正的工业射线照相。从此以后，射线照相检验技术得到了迅速发展。20世纪30年代，射线照相检验技术开始进入正式工业应用。一、射线检测技术的发展概况20世纪40年代，射线照相检验底片的质量问题被首次提出。1962年前后，建立了完整的、今仍在指导常规射线照相检验技术的基本理论。20世纪70年代以后，图像增强器射线实时成像检验技术、射线层析检测技术（CT技术、康普顿散射成像检测技术）等发展迅速。1990年以后，射线检测技术进入数字射线检测技术时代。射线检测技术包括：射线照相检验技术、射线实时成像检验技术、射线层析检测技术和其他射线检测技术。射线照相检验技术主要是x射线照相检验技术、γ射线照相检验技术、中子射线照相检验技术和非胶片射线照相检验技术，此外还有电子射线照相检验技术等。射线实时成像检验技术主要是采用图像增强器、成像板和线阵列等构成的射线实时成像检验系统。射线层析检测技术，即CT技术和康普顿散射成像检测技术，主要应用在精密件、特殊结构件和研究领域。二、射线检测主要方法x射线平板照相射线检测技术与超声检测技术、磁粉检测技术、渗透检测技术、涡流检测技术比较，具有的主要特点是：

(1)对被检验工件无特殊要求，检验结果显示直观；

(2)检测结果可以长期保存；

(3)检验技术和检验工作质量可以自我监测。三、射线检测技术的特点、适用性与局限性射线检测技术的适用性：适用于各种材料的检验，不仅可用于金属材料，也可用于非金属材料和复合材料的检验，特别是还可以用于放射性材料的检验。射线检测对被检工件的表面和结构没有特殊要求，可应用于各种产品的检验。摄像检测的原理决定了这种技术最适宜体积型缺陷（即具有一定空间分布的缺陷，特别是具有一定厚度的缺陷）的检测。射线检测的灵敏度与一系列因素相关，除了所采用的射线照相技术外，主要是缺陷的类型、被检工件的材料与结构特点。目前，射线检测技术广泛地应用于机械、兵器、造船、电子、航空、航天等工业领域，其中应用最广泛的方面是铸件和焊接件的检验，常用范围如下：

(1)探伤：铸造、焊接工艺缺陷检验，复合材料构件检验等；(2)测厚：厚度在线实时测量；(3)检查：机场、车站、海关检查，结构与尺寸测定等；(4)研究：弹道、爆炸、核技术、铸造工艺等动态过程研究，考古研究，反馈工程等。在应用中，射线检测技术需要考虑的主要问题是辐射防护。射线具有辐射生物效应，对人体可产生伤害，因此在应用射线检测技术时必须考虑辐射防护问题，必须按照国家和行业的有关标准、法规作好辐射防护工作，应力求避免辐射事故。另外，射线照相检测技术对裂纹类缺陷的方向性限制以及较高的检验成本也是射线检测技术存在的主要问题。近年来研究了一系列新技术、研制了新设备，如射线实时成像检测技术、计算机层析(CT)技术、康普顿散射成像测技术等，这些技术在相当程度上克服了常规射线检测技术的弱点，为射线检测技术的应用开辟了重要的新领域。第二节射线检测物理基础一、射线概念（一）射线分类射线分类：一类是电磁辐射；另一类是粒子辐射。电磁辐射的能量子是光（量）子，X射线与γ射线属于电磁辐射，电磁辐射与物质的作用本质上是光子与物质的相互作用。1905年，在普朗克能量子概念的基础上，爱因斯坦提出了光（量）子概念。他认为光是光量子流，光量子简称为光子。光子的能量为

ε=hυ式中，h为普朗克常数；υ为辐射频率(Hz)。光子不带电荷，其静止质量为0，在真空中沿直线以光速c(c=2.998×108m/s)传播。不同波长的光具有不同能量的光子。光子与一般基本粒子的本质不同是它的静止质量为0，即只有运动时才具有质量，质量的大小与其运动速度有关，速度越大质量越大。光既具有粒子性，又具有波动性，也就是具有波粒二象性。单个光子运动显示粒子性，大量光子的运动显示波动性。各种粒子射线，如α粒子、β粒子、质子、电子、中子等(β粒子是从原子核中释放出的电子，可以是负电子，也可以是正电子）的射线，都属于粒子辐射。粒子辐射与物质的相互作用是粒子与物质的作用，不同粒子的特性不同，作用的机制和过程也不同。电磁辐射中的光子没有确定的静止质量，但产生粒子辐射的各种粒子却都具有确定的静止质量。两类辐射在本质上不同，在与物质相互作用时，作用的机制和过程也不同，损失能量过程也不同。因此，在讨论射线与物质的相互作用时，必须指明是哪种射线。在没有特别指明时，所称的射线均指电磁辐射中的x射线与γ射线。

（二）X射线与X射线谱1895年，德国的物理学家伦琴在研究阴极射线时，发现了一种新的奇异的射线。这种射线不可见，但却对物体具有强大的穿透力，能使荧光材料发出荧光，并可使胶片感光。当时不清楚它是什么射线，故命名为X射线，也称伦琴射线。X射线是由高速运动的电子撞击金属靶时急剧减速，其动能转化为电磁辐射，从而产生了X射线。在X射线管中产生的X射线，其强度随波长的分布如图1-1所示，这种强度随波长分布的关系曲线称为X射线谱。X射线谱是由两部分组成的：连续X射线谱（见左图）和特征X射线谱（也称标识X射线谱，见右图）。连续谱是从最短波长开始，随波长的增加强度逐渐变化的部分；特征谱则是在某些特定波长上叠加在连续谱上的线状谱部分。连续X射线谱的形成原因：在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各种各样，极少量的电子在一次或很少次数的撞击过程中就损失了全部能量，而多数电子需经过多次撞击过程才能逐渐损失掉全部能量，因此，辐射的光子能量各种各样，从而形成连续谱辐射。在X射线管中，灯丝加热后将发射电子，这些电子在高压作用下高速飞向阳极，到达阳极时的动能为：如果电子在撞击过程中损失了其全部动能，由能量守恒定律，产生的辐射光子的最短波长和加速电压之间有下述关系：代入各值，可得到：其中V的单位为kV。在计算X射线的最短波长时常用上式。连续谱的最强波长与最短波长之间有下列近似关系：

式中，e为电子的电荷；λmin为最短波长(cm)；λm为最强波长(cm)；V加速电压（管电压）(kV)；v为电子运动速度；c为光速。

对于x射线管，其发出的连续谱射线的总强度I为（即图中曲线下的面积）：

I=iαZV2

式中，i为管电流(mA)；Z为靶物质的原子序数；V为管电压(kV)；α为系数（约为1.1～1.4×10-6）。

连续X射线谱的强度与管电压、管电流和靶物质原子序数之间的关系见图1-2。

连续谱X射线的转换效率η等于连续谱X射线的总强度与X射线管输入功率之比：

η=αZV为得到高转换效率，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，因为大部分的电子能量转换成了热能。

当加速电压超过一临界值—激发电压时，会出现叠加在连续谱上的线状谱线，即仅在某些特定的波长位置出现的强度很大的谱线，这种线状谱的波长只依赖于阳极靶面材料，而与管电压和管电流无关，把这种标识靶材料特征的波谱称为特征谱或标识谱。特征谱线可以分组，分别命名为K、L、M等系特征谱线:K系特征谱线是原子的外层轨道电子跃迁到K层轨道时产生的特征谱线;L系特征谱线是原子的外层轨道电子跃迁到L层轨道时产生的特征谱线;M系特征谱线是原于的外层轨道电子跃迁到M层轨道时产生的特征谱线，依此类推。每一系特征谱线都有特定的结构和波长。由于每个电子层都有复杂的能级结构，所以特征谱线的结构也很复杂，因为它们的形成要受到电子跃迁法则的制约。电子撞击的物质不同，出现特征谱的特定波长的值也不同，每一系的特征谱线都有自己的特定结构和激发电压。下图中，钼的K层电子的激发电压是20.01kV，所施加的电压是35kV，因此出现了特征谱线。钨的K层电子的激发电压是69.51kV，因此未出现K系特征谱线。一些元素的特征谱线：

特征谱的主要特点：

(1)每一谱线都有特定波长，电子撞击的物质不同，特定波长的值也不同；

(2)特征谱可以分成若干组，称为系，如K系、L系、M系等，每一系的谱线都有自己的特定结构和激发电压，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。特征谱的这些特点反映了物质原子结构的特点，因此运用特征谱线可以对材料成分进行分析，如X射线荧光光谱分析技术。标志X射线强度只占X射线总强度的极小一部分，能量也很低，故在工业射线照相检验技术中一般不考虑特征谱线。（三）

γ射线

γ射线是具有特定能量的光子流，是由放射性同位素的原子核在衰变过程中产生的。实际上，γ射线是在放射性衰变过程中所产生的处于激发态的核，在向低能级的激发态或基态跃迁过程中产生的辐射（核内跃迁）。由于不同的原子核具有不同的能级结构，因此不同的放射性元素辐射的γ射线具有不同的能量。γ射线的产生过程不同于x射线的产生过程，但γ射线也是电磁波，在本质上与x射线相同。对于一个γ射线的放射性源，描述其放射性的指标是放射性活度。放射性活度是放射性源在单位时间内(通常是1s)发生衰变的核的个数，单位名称是贝可（勒尔），符号是Bq，1Bq表示在1s的时间内发生一个核的衰变，即：

lBq=l/s

放射性衰变的专用单位符号是Ci，单位名称为居里：

lCi=3.7×1010/S=3.7×l010Bq

注意：活度并不等于射线强度。对于同一放射性元素，活度大的源其射线强度也大，但对不同的放射性元素，不一定存在这样的关系。（四）

X射线与γ射线的主要特点劳厄在1912年成功进行x射线穿过晶体的衍射实验，证实了x射线和光一样，也是电磁波，它的波长范围约为0.005nm～l0nm。γ射线也是波长很短的电磁波，在本质上与x射线相同。x射线和γ射线在电磁波谱中的位置如图所示。根据量子理论，X射线和γ射线是能量为ε=hυ的光子流。X射线和γ射线与光在本质上完全相同，但x射线和γ射线的光子的能量远大于可见光，所以在性质上又存在明显的不同。x射线和γ射线的主要性质为：

(1)在真空中以光速沿直线传播，不受电场或磁场的影响。

(2)具有波粒二象性。(3)在界面处可以发生反射、折射，但与可见光有很大差别。对于常见的媒介，X射线不能产生可见光那样的镜面反射，因为媒介界面对它来说太粗糙了；X射线从一种媒介进入另一种媒介时会发生折射，但折射率几乎等于1，其方向几乎没有任何改变。(4)X射线也可以发生干涉、衍射现象，但其波长远小于可见光，所以干涉、衍射现象只有在孔、狭缝等特别小时才能观察到。(5)X射线对人眼不可见，但它能穿透可见光不能穿透的物体。波长短的X射线称为硬X射线，其光子能量大，穿透能力强；波长较长的X射线称为软X射线，穿透能力较弱。(6)当X射线射入物体时，将与物质发生复杂的物理和化学作用，如使物质原子发生电离、使某些物质发出荧光、使某些物质产生光化学反应等。(7)具有辐射生物效应，能够杀伤生物细胞，损害生物组织，危及生物器官的正常功能。二、光子与物质的相互作用当X射线、γ射线射入物体后，将与物质发生复杂的相互作用。这些作用从本质上是光子与物质原子的相互作用，包括光子与原子、光子与轨道电子、光子与自由电子以及光子与原子核的相互作用。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。这些相互作用产生了各种不同的现象，主要是光电效应、康普顿效应、电子对效应和瑞利散射。（一）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，入射光子与轨道电子相互作用，把全部能量传递给这个轨道电子，则该电子将克服原子核的束缚成为自由电子，入射光子消失，这种过程称为光电效应。图1-5是光电效应的示意图。如果入射光子的能量小于电子与原子核的结合能，则不能发生光电效应。在光电效应中，释放的自由电子称为光电子。光电子发射的方向与入射光子的能量有关:当入射光子能量较低时，光电子主要分布在与入射光子方向相垂直的方向；随着入射光子能量的增大，光电子的发射方向逐渐倾向于入射光子的方向。发生光电效应时，电子层中将产生空位，这会使原子处于不稳定状态，因此，外层电子将向存在空位的电子层跃迁，以填补空位使原子回到稳定的状态。在跃迁过程中，将产生跃迁辐射，发射特征X射线，通常称为荧光辐射，这是光电效应的重要特征。较高能级的轨道电子填充空位时所释放的能量，可以激发外层轨道电子，使其成为自由电子，称为俄歇电子（内转换电子），这种过程称为俄歇效应。光电效应只能发生在入射光子与轨道电子的相互作用中，不能发生在入射光子与自由电子的相互作用过程中。发生光电效应和物质的原子序数相关。在入射光子能量大于原子核情况下，光电效应的发生率随入射光子能量的增大而降低、随物质原子序数的增大而增大。（二）康普顿效应康普顿效应是由美国物理学家康普顿首先发现的。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（康普顿散射）。在相互作用过程中，入射光子与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，并偏离入射光子的传播方向。反冲电子和散射光子的方向都和入射光子的能量相关，随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。

康普顿效应发生的可能性不仅与入射光子的能量有关，还和物质的原子序数相关，原子序数越低的元素，康普顿效应发生的可能性越高。在康普顿效应中，散射线的波长将增长，其增加量为△λ=2λ0sin2(θ/2)式中，θ为散射角；λ0为康普顿波长。

代人有关的值，可得到康普顿波长值为：

λ0=0.0242661×l0-8cm

（三）电子对效应能量高于1.02MeV的光子入射到物质中时，与该物质的原子核发生相互作用，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，见图1-7。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有关。产生的正电子的寿命很短，在它运动快要停止时将与负电子结合，转化为两个能量如0.51MeV的光子。

电子对效应只发生在入射光子能量不小于1.02MeV时的原因：电子的静止质量相当于0.51MeV的能量，一对电子的静止质量相当于1.02MeV的能量，根据能量守恒定律，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。

入射光子与电子发生作用也可以产生电子对效应，但这时入射光子的能量应不小于2.04MeV，并且其发生的可能性远小于入射光子与原子核相互作用的过程。电子对效应发生的可能性与物质原子序数的平方成正比，与光子能量的对数近似成正比，因此在光子能量较高、原子序数也较高时电子对效应显得非常重要。

（四）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更高的能级，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，可以认为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有关，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0.5keV一200keV)必须注意瑞利散射。

下图概括了光电效应、康普顿效应、电子对效应与光子能量和与物质的原子序数之间的关系。三、射线衰减规律（一）射线衰减基本概念当X射线或γ射线射入物体时，其光子将与物质发生复杂的相互作用，主要是光电效应、康普顿效应、电子对效应和瑞利散射，由于这些相互作用使从物体透射的一次射线强度低于入射射线强度，从而使射线强度发生衰减。

入射射线经过与物质的相互作用后，在出射的射线中包含透射的一次射线（未与物质发生作用，直接穿透物体）、散射线（康普顿散射线、瑞利散射线、荧光辐射等）和各种电子（光电子、反冲电子、俄歇电子等）。即：入射光子的能量，除保留在透射一次射线中一部分外，另有一部分会转移到能量或方向已经改变的光子那里，还有一部分转移到与之相互作用的电子或产生的电子那里（这一过程为散射）。转移到电子的这一部分能量，由于电子可以与物质相互作用而有相当一部分损失在物体之中（这一过程为吸收）。因此，入射到物体的射线，由于一部分能量被吸收、一部分能量被散射而受到减弱，使其强度产生衰减。按射线的能量，可以将射线分为单色射线和连续谱射线。单色射线是指射线的能量是单一的，即射线含有一种能量的光子，是单一波长的。连续谱射线是指射线包含连续分布能量的射线，即射线含有不同能量的光子，射线的波长不是单一的，而是一段波长范围。如前所述，穿过一定厚度的物体后，透射射线中将包括一次射线、散射线和电子等。如果到达检测器（胶片）的射线中只有一次射线，则称为窄束射线，记为ID；如果到达检测器（胶片）的射线中除了一次射线外还含有散射线，则称为宽束射线，记为Is。（二）单色窄束射线的衰减规律射线穿透物体时其强度的衰减与吸收体的性质、厚度及射线光子的能量相关。对于一束射线，在均匀媒介中，在很小的厚度范围内强度的衰减量与入射线强度和穿透物体的厚度成正比：

ΔI=μIΔT

积分上式：I=I0e-μT式中：I0为入射射线强度；I为透射射线强度；T为吸收体厚度；μ为线衰减系数(cm-1)。

根据I=I0e-μT公式，随着厚度的增加，透射射线强度将迅速减弱；另外，衰减程度也和射线本身的能量有关，这体现在公式中的线衰减系数项上。线衰减系数是一个重要的系数。入射到物体中的射线的光子，在穿行一段距离后，有的与物质发生了相互作用，有的没有发生，线衰减系数表示的就是入射光子在物体中穿行单位距离时(例如lcm)，平均发生各种相互作用的可能性，可以写成：

μ=τ+σC+σR+κτ为光电效应的线衰减系数；σC为康普顿效应的线衰减系数；σR为瑞利散射的线衰减系数；κ为电子对效应的线衰减系数。

如果将所描述的各种相互作用统一按吸收和散射来进行分析，则线衰减系数可写成：

μ=τ+σ式中，τ为线吸收系数；σ为线散射系数。线衰减系数除以物质密度所得到的值称为质量衰减系数，有：

μm=μ/ρ其中ρ为物质的密度。相应地也可以得到：μm=τm+σm

线衰减系数表示了射线穿透物体时其强度衰减的特性，它既与射线的能量有关，也与射线所穿过物质的原子序数有关。对同一种物质，射线的能量不同时衰减系数也不同；同一能量的射线，入射到不同物质时衰减系数也不相同。

(R曲线代表瑞利散射部分，PE曲线代表光电效应部分，C曲线是康普顿效应部分，PP曲线是电子对效应部分，T曲线是总的线衰减系数）。通常情况下，质量衰减系数和原子序数以及入射射线波长之间有下列近似关系：

μm≈kZ3λ3k为系数；Z为吸收体的原子序数；λ为入射射线的波长。上式表明，对同样能量的射线，物质的原子序数越大，物质的密度越大，射线在物体中受到的衰减也越大；对不同能量的射线，当穿过同一种物体时，能量低的射线将受到更大的衰减。当物体为混合物或化合物时，若构成物体的各元素的百分比分别为W1、W2、W3…，相应的质量衰减系数分别为μm1，μm2，μm3…，则质量衰减系为：

μm=Wl

μml+W2μm2+W3

μm3.......

例如，三氧化二铝对0.05MeV能量的射线可按下式计算其线衰减系数。从有关手册查到：铝(Al)：相对原子质量A=27;质量衰减系数值μm=0.357cm2/g

氧(O)：相对原子质量A=16,质量衰减系数值μm=0.211cm2/gAl2O3:密度=3.90g/cm3～4.l0g/cm3，取其值为3.95g/cm3。

根据上述数据计算，得到：μm

=0.357×[2×27/(3×16+2×27)]+0.211×[3×16/3×16+2×27)

=0.2833(cm2／g)因此．

μ

=μm

ρ=0.2833*3.95=1.139(cm-l)即三氧化二铝的线衰减系数为1.139cm-l。

实际应用中，常用半厚度（也称为半值层或半价层）来描述吸收体对一定能量射线的衰减程度。半厚度是指使入射射线的强度减弱为其原来值的1/2时的物体厚度，记为Th，有：（三）宽束连续谱射线的衰减规律射线照相检验中使用的X射线是连续谱射线，因此连续谱X