射線檢測的物理基礎

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1、 射線檢測的物理基礎 射線檢測的物理基礎1.1 射線的產生及性質1.1 射線的產生及性質1.1.1 射線的分類 射線是宏觀上直線高速運動的微觀粒子流。物理學上的射線又稱輻射。射線種類很多，其性質、產生機理、與物質作用時的行為也各不相同，有人為產生的射線，也有客觀存在的射線。按射線粒子是否帶有電荷可做如下分類：1、帶有電荷的射線 帶有電荷的射線種類很多。根據所帶電荷性質不同又可把它們分為帶正電荷的射線和帶負電荷的射線。前者如：射線、質子射線等；后者如射線（電子束）等。2、不帶電荷的射線這類射線如 x 射線、射線、中子射線等。這些微觀粒子本身都不帶電荷，其中中子射線是一種實際存在的物質粒子，有質量

2、、大??；而 x、射線是沒有靜止質量、幾何尺寸，但有一定能量的光量子。實質上，x、射線的本質都是電磁波的一部分。如圖 1-1 所示：輻射波長 單位:埃()106 105 104 103 102 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 (105)(104)(103)(102)(10)(1)(10-1)(10-2)(10-3)(10-4)(10-5)(10-6)nm 可 x 射線 無線電波 紅外線 見 紫外線 射線 宇宙射線 光圖 1-1 電磁波譜 因為 x、射線不帶電荷，沒有質量，所以它們不受電磁場的影響，在與物質作用時有較強的穿透力，一般射線探傷用的都是 x、射線，而中子射線

3、和高能射線探傷只在很小范圍內使用，所以這里只對 x、射線進行討論。1.1.2 射線的產生1、X 射線（亦稱“倫琴射線”）的產生 根據經典的電磁理論，高速運動的帶電粒子受阻會產生電磁輻射，亦稱韌致輻射。在射線管兩極高電壓的作用下，從陰極發出的電子會得到加速，高速運動的電子在受到陽極靶的阻遏時將產生韌致輻射，使一部分能量轉變成 x 射線，而絕大部分則以熱能形式釋放出來。產生 x 射線的基本條件：(1)要有一定數量的電子(2)電子向一定方向高速運動(3)在電子前進的路徑上，有阻止電子運動的障礙物。2、射線的產生質子數相同而中子數不同的元素稱為同位素。同位素有穩定和不穩定兩種，不穩定同位素也叫放射性同

4、位素，它會自發蛻變，變成另一種元素，同時放出各種射線，這種現象稱為放射性衰變。射線是放射性同位素經過衰變（或）后，從激發態向穩定態過度的過程中，從原子核內發出的。以放射性同位素 Co60 為例，Co60 經過一次衰變成為處于 2.5 兆電子伏特激發態的Ni60，隨后放出能量分別為 1.17MeV 和 1.33MeV 的兩種射線而躍遷到基態。1.1.3 射線的特性1、射線的能量與強度能量是指單個的光量子的能量或多個光量子的能量的平均值。光量子的能量（E）與頻率（）成正比。E=h=hc/(1.1)式中 射線的波長 c 射線傳播速度 h普朗克常數(h=6.62510-34)X 射線的能量由射線管兩端

5、所加的電壓決定。射線的能量由放射性同位素的種類決定。一種放射性同位素可能放出許多種能量的射線，對此取其所輻射的所有能量的平均值作為該同位素的輻射能量。例如 Co60 的平均能量為（1.17+1.33）/2=1.25MeV。能量越高,線質越硬,穿透力越強。x、射線的強度是指單位時間內通過單位面積的所有光量子的能量和。2、射線的譜線特征 （1）X 射線X 射線是由于韌致輻射所產生的，所以 它的本質是電磁波，圖 1-2 是 x 射線的波譜分布圖，從 圖 中 可 以 看 出 x 射 線 分 為 連 續 譜 和標識譜（特征譜）。0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 波長 10相 對 8強 6 度

6、4 2 鎢靶 35KV (Z=74)鉬靶 35KV(Z=42)當電子（撞擊陽極靶）能量（kev）不超過某一限定（靶金屬 k 層結合能）時，僅為連續譜；如超過某一限度則除連續譜以外，還迭加一些標識譜。圖 1-2 x 射線波譜分存布 連續譜的產生及特點 大量電子與靶相撞，減速過程各不相同，少量電子經一次減速就失去全部動能，而大多數電子經多次制動逐步喪失動能，這就使得能量轉換過程中所發出的電磁輻射可以具有各種波長，因此 x 射線的波譜呈連續分布。連續譜存在著一個最短波長min,其數值只依賴于外加電壓 V 而與靶材料無關，如果一個電子在電場中得到動能 E=eV 與靶一次撞擊,這些動能全部轉換為輻射能，

7、則輻射的波長可按下式計算。E=eV=h=hc/min (1.2)則 )A()kV(V4.12)m(V104.12eVhc7min (1.3)式中：h普朗克常數(h=6.62510-34)；C光速(c=3108m)；e電子 電量(e=1.610-19)；V管電壓(單位：千伏)連續譜中最大強度對應的波長 IM=1.5min (1.4)在實際檢測中，以最大強度波長IM為中心的鄰近波段的射線起主要作用。連續 x 射線的總強度 IT可用連續譜曲線下所包含的面積表示（積分法）。試驗證明，IT與管電流 i，管電壓 V，靶材料原子序數 Z 有以下關系：IT=KiiZV2 (1.5)式中，Ki比例常數，Ki1.

8、11.4109 管電流越大，表明單位時間撞擊靶的電子數越多；管電壓增加時，雖然電子數目未變，但每個電子所獲得的能量增大，因而短波成份射線增加，且碰撞發生的能量轉換過程增加；靶材料的原子序數越高，核庫侖場越強，韌致輻射作用越強，所以靶一般采用高原子序數的鎢制作。上述關系可參見圖 1-2 和 1-3。相 相 對 對 強 強 度 度 I I min min1min2 10mA 5mA 8 10mA 200KV 100KV 100KV (a)不同管電流 (b)不同管電壓圖 1-3 x 射線譜 X 射線的產生效率等于連續 x 射線的總強度 IT與管電壓 V 和管電流 i 的乘積之比，即：VZKiViZV

9、KVIi2iIT (1.6)可見 x 射線的產生效率與管電壓和靶材料原子序數成正比。在其他條件相同的情況下，管電壓越高，x 射線的產生效率越高；管電壓的高壓波形越近恒壓，x 射線的產生效率也越高。當電壓為 100KV 時，x 射線的轉換效率約為 1%，而產生 4MeVx 射線的加速器，其轉換效率約為 36%。由于輸入能量絕大部分轉換為熱能，所以 x 射線管必須有良好的冷卻裝置，以保證陽極不被燒壞。標識譜的產生和特點 當 x 射線管兩端所加的電壓超過某個臨界值 VK時，波譜曲線上除連續譜外，還將在特定波長位置出現強度很大的線狀譜線，這種線狀譜的波長只依賴于陽極靶面的材料，而與管電壓和管電流無關，

10、因此，把這種標識靶材料特征的波譜稱為標識譜，VK稱為激發電壓。不同靶材的激發電壓各不相同，例如圖 1-2 中，管電壓 35KV 時，低于鎢的激發電壓（Vk=69.34KV）高于鉬的激發電壓（Vk=20.0KV）,所以，鉬靶的波譜上有標識譜而鎢靶的波譜上沒有標識譜。標識 x 射線強度只占 x 射線總強度極少一部分，能量也很低，所以在工業射線檢測中，標識譜不起什么作用。（2）射線射線的光譜稱為線狀譜，譜線只出現在特定波長的若干點上。如圖。1.0 相 0.8 1.17Mev 1.33Mev對 0.6強 0.4度 0.2 0.5 1.0 1.5 2.0(Mev)衰變規律及半衰期 放射性同位素的原子核衰

11、變是自發進行的，對于任意一個放射性核，它何時衰變具有偶然性，不可預測，但對于足夠多的放射性核的集合，它的衰變規律服從統計規律，是十分確定的。放射性同位素衰變掉原有核一半所需時間，稱為半衰期，用 T1/2表示，當 t=T1/2時,N=N0/2,由式（1.8）式可得 T1/2=ln2/=0.693/(1.9)T1/2也反映了放射性物質的固有屬性，值越大，T1/2越小。幾種常用源探傷常用的源目前多采用人工放射性同位素制造,通常所用源有 Co60(鈷)、Cs137(銫)、Ir192(銥)、Tm170(銩)等,其特性與參數見表 2-2。1.1.4 X 射線和射線的性質 1、X 射線、射線的性質 X 射線

12、、射線就其本質而言都是電磁波，正因它們是比可見光波長更短的電磁波，所以除了具有一些可見光所具有的特性外，還有其特有的性質，概括起來，它們有如下性質：(1)不可見，以光速直線傳播。(2)不帶電荷，不受電磁場的干擾。(3)能穿透金屬等可見光不能穿透的物質。(4)有反射、折射、衍射、干射現象，但不太明顯。(5)能被物質吸收和散射。(6)能使氣體電離。(7)能使某些物質發生熒光作用。(8)能使膠片感光。(9)能殺傷有生命的細胞。2、X 射線、射線在探傷應用中的比較 X 射線、射線它們的相同點是都屬于電磁波，而不同之處在于它們產生機理不同。X射線是由于高速運動的電子被阻遏時的躍遷產生的，而射線是由于放射

13、性同位素在自發衰變時原子核能級之間的躍遷產生的。正是由于它們的產生機理不同，所以它們在探傷中就各有優缺點。(1)x 射線可通過調節管電壓、管電流透照在穿透情況下的任意厚度，而射線的能量只取決于源的種類，對同種源來講射線能量和穿透能力一般是固定的。(2)射線與 x 射線相比，它的波長更短，穿透能力更強。但物質對射線的吸收要比 x射線弱，所以用射線拍出的底片對比度小。又因為射線源的焦點就是放射性同位素的幾何尺寸，所以往往焦點比 x 射線機焦點要大，所以得到底片的幾何不清晰度較大。(3)射線源發出的射線在整個空間中都有，而對 x 射線機即使周向機也只有在一個環周上有射線的存在，所以對于大型容器，尤其

14、是球型容器，射線的效率要比 x 射線機的效率高。(4)因為 x 射線機受電力支配，而射線源不需電源，不需冷卻，所以對于缺少電源缺少自來水的現場工地，射線比 x 射線機更方便,更因為射線源比一般 x 射線機要小巧,所以對一些形狀特殊的工作,射線探傷更是顯出其優越性。(5)因為射線射線設備不能隨意關閉，所以從安全因素上對環境污染與操作方面十分麻煩，防護與管理上的要求也更高。1.2 射線與物質的相互作用1.2 射線與物質的相互作用 射線通過物質時，會與物質發生相互作用而強度減弱，導致強度減弱的原因可分為兩類，即吸收和散射。吸收是一種能量轉換，光子的能量被物質吸收后變為其他形式的能量；散射會使光子的運

15、動方向改變。在 x 射線和射線能量范圍內，光子與物質作用的主要形式有：光電效應、康普頓效應、電子對效應，當光子能量較低時，還必須考慮瑞利散射。射線通過物質時的強度衰減遵循指數規律，衰減情況不僅與吸收物質的性質和厚度有關，而且還取決于輻射自身的性質。1.2.1 光電效應 當光子與物質原子的束縛電子作用時，光子把全部能量轉移給某個束縛電子，使之發射出去，而光子本身消失掉，這一過程稱為光電效應，光電效應發射出的電子叫光電子，該過程如圖 1-5 所示。原了吸收了光子的全部能量,其中一部分消耗于光電子脫離原子束縛所需的電離能(電子在原子中的結合能),另一部分就作為光電子的動能。所以，發生光電效應的前提條

16、件是光子能量必須大于電子的結合能。釋放出來的光電子能量 Ee與入射光子能量 h以及電子所在殼層的結合能 Ei之間有如下關系：Ee=h-Ei （1.10）光電效應的發生幾率與射線能量和物質原子序數有關,它隨著光子能量增大而減小,隨著原子序數 Z 的增大而增大。原子核 原子 反沖電子 e 入射光子 h 入射光子 h 電子 e-光電子 散射光子 h 圖 1-5 光電效應的示意圖 圖 1-6 康普頓效應的示意圖1.2.2 康普頓效應 在康普頓效應中,光子與電子發生非彈性碰撞,一部分能量轉移給電子,使它成為反沖電子,而散射光子的能量和運動方向發生變化,如圖 1-6 所示,h和 h為入射和散射光子能量,為

17、散射光子與入射光子方向間夾角,稱為散射角,為反沖電子的反沖角?？灯疹D效應總是發生于自由電子或原子的束縛最松的外層電子上，入射光子的能量和動量由反沖電子和散射光子兩者之間進行分配，散射角越大，散射光子的能量越小，當散射角為 1800時，散射光子能量最小?？灯疹D效應的發生機率大致與物質原子序數成正比，與光子能量成反比。1.2.3 電子對效應 當光子從原子核旁經過時，在原子核的庫侖場作用下，光子轉化為一個正電子和一個負電子，這種過程稱為電子對效應，如圖 1-7 所示。根據能量守恒定律，只有當入射光子能量 h大于 2m0C2即 h1.02MeV 時，才能發生電子對效應，入射光子的能量除一部分轉變為正負

18、電子對的靜止質量（1.02MeV）外,其余就作為它們的動能。與光電效應相似，電子對效應除涉及入射光子和電子對外，必須有一個第三者原子核參加，才能滿足動量和能量守恒。e+原子核 正負電子對 入射光子 h e_ 圖 1-7 在原子核庫侖場中的電子對效應 電子對效應產生的快速正電子和電子一樣,在吸收物質中通過電離損失和輻射損失消耗能量,很快被慢化,然后與吸收物質中一個電子相互轉化為兩個能量為 0.51MeV 的光子,這種現象稱電子對湮沒。1.2.4 瑞利散射 瑞利散射是入射光子和束縛較牢固的內層軌道電子發生的彈性散射過程(也稱為電子的共振散射)。在此過程中，一個束縛電子吸收入射光子而躍遷到高能級，隨

19、即又放出一個能量約等于入射光子能量的散射光子，由于束縛電子未脫離原子，故反沖體是整個原子，從而光子的能量損失可忽略不計。瑞利散射是相干散射的一種，所謂相干散射，是指散射線與入射線具有相同波長，從而能夠發生干涉的散射過程。瑞利散射的幾率和物質的原子序數及入射光子的能量有關，大致與物質原子序數 Z 的平方成正比，并隨入射光子能量的增大而急劇減小。當入射光子能量在 200KV 以下時，瑞利散射的影響不可忽略。1.2.5 各種相互作用發生的相對幾率 光電效應、康普頓效應、電子對效應的發生幾率與物質的原子序數和入射光子能量有關，對于不同物質和不同能量區域，這三種效應的相對重要性不同，圖 1-8 表示各種

20、效應占優勢的區域,可以看出:1.對于低能量射線和原子序數高的物質,光電效應占優勢。2.對于中等能量射線和原子序數低的物質，康普頓效應占優勢。3.對于高能量射線和原子序數高的物質，電子對效應占優勢。80 (%)100 z 60 80 60 40 40 20 20 0.01 0.1 1 10 100 1 2 5 1 2 5 1 2 5 1 2 5 E (MeV)0.01 0.1 1 10 100 圖 1-8 按光子能量和原子序數來表示的 光子能量(MeV)三種相互作用占優勢的區域 圖 1-9 鐵中各種效應的發生幾率 圖 1-9 表示射線與鐵相互作用時,各種效應的發生幾率,由圖中可見看出:當光子能量

21、為10KeV 時,光電效應占優勢,隨著能量的增大,光電效應逐漸減小,而康普頓效應的作用卻逐光電效應 電子對效應占優勢 占優勢 康普頓效應 占優勢 C e 漸增大,稍過 100KeV,兩種效應相等,瑞利散射在此能量附近發生比率達到最大,但也不超過10%。在 1MeV 左右，射線強度的衰減幾乎都是康普頓效應造成的。光子能量繼續增大，由電子對效應引起的吸收逐漸增大，在 10MeV 左右，電子效應與康普頓效應作用大致相等。超過10MeV 以后，電子對效應的比率越來越大。各種效應對射線照相質量產生不同的影響。例如，光電效應和電子對效應引起的吸收有利于提高照相對比度，而康普頓效應產生的散射則會降低對比度。

22、對輕金屬試件照相質量往往比重金屬試件照相質量差。使用 1MeV 左右能量的射線照相，其對比度往往不如較低能量射線或更高能量射線，這些都是康普頓效應的影響造成的。1.3 射線在物質中的衰減規律1.3 射線在物質中的衰減規律1.3.1 射線在物質中的衰減規律射線在物質中的衰減規律 射線通過物質后,總強度衰減了,射線強度的衰減來自于兩個方面吸收和散射。當射線通過物質時，隨著貫穿行程的增加，射線強度衰減增大。射線的衰減程度不僅與穿透物質的厚度有關，而且還與射線的線質（即能量）有關，與物質的密度和原子序數等都有關。一般來說，射線的波長越短，能量越大，衰減就越小，物質的原子序數越大，密度越大，衰減就越大。

23、但它們之間并不是簡單的直線關系，而是呈指數規律衰減。對于單色單束（一種頻率的平行射線束）它在物質中的衰減規律為：I=I0e-T (1.11)式中：I0入射線的初始強度值，I射線通過物質層 T 以后的強度，物質對射線的衰減系數，T通過物質層的厚度，e自然對數的底。在實際探傷工作中使用的 x 射線和射線，并非是理想的單色單束，x 射線為多色多束，而射線為單色多束，對于多色多束射線來說它的衰減規律和單色單束射線在物質中的傳播規律是有區別的。首先，探傷時所使用的射線一般為連續射線，這就使得衰減系數實際上是個變量，在射線穿過物質的初始部分，值較大，隨著穿透層的深入，射線的線質逐漸變硬，衰減系數也就減小了

24、。考慮到這種情況，衰減系數可取平均值。實質上探傷時射線還是寬束的，這就必須考慮散射線的影響，因為散射線的作用結果使穿過物質后射線強度還應包括散射線成分。即實際通過物質 T 層后，射線強度為垂直透過的射線強度 Ip和散射線強度 Is的和，即：I=Ip+Is 考慮了多束色情況后，（并引入散射比 n）表示射線在物質中的衰減規律的1-11 式可修正為：I=(1+n)I0e-T (1.12)式中，n 為散射比，它是散射占垂直透過射線強度的比。即 n=Is/Ip1.3.2 衰減系數與半價層在式（1-11）中，為衰減系數，它的物理意義是單位射線強度在穿過單位物質厚度時的衰減量，也稱它為線衰減系數。因為導致射

25、線強度衰減的有吸收和散射效應，所以線衰減系數是三個效應對強度衰減的貢獻之和，即：=+c+e (1.13)式中，光電效應對衰減系數的貢獻，c康普頓散射對衰減系數的貢獻，e電子對效應對衰減系數的貢獻。線衰減系數是入射光量子的能量（h）和穿過物質的原子序數 Z 的函數。K.Z3 (1.14)K-比例系數 -射線波長 Z-被透物質的原子序數 射線能量越大，物質原子序數越小，線衰減系數就越小，相反，射線能量越低，穿過物質的原子序數越大，線衰減系數越大。半價層：射線在物質中傳播時，強度強度衰減到原來的一半時穿過物質的厚度。有時也叫半階層。如果用 H1/2來表示半價層，它與線衰減系數關系如下：由（1-11）式可得：2/1H00eII21 經數學整理后得到：H1/2=0.693/(1.15)即射線穿過物質的半價層與物質對這種射線的衰減系數的乘積為一常數.物質對射線的衰減系數越大,它的半價層就越小,相反,物質對射線的衰減系數越小,其半價層厚度就越大。