射線檢測的物理基礎(chǔ)

1、第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),1.1 原子與原子結(jié)構(gòu)1.1.1元素與原子世界上一切物質(zhì)都是由元素構(gòu)成的，原子是元素的具體存在，是體現(xiàn)元素性質(zhì)的最小微粒。原子質(zhì)量采用“原子質(zhì)量單位”用符號U表示，規(guī)定碳原子質(zhì)量的1/12為U，而原子量就是某元素的原子的平均質(zhì)量相當于6 12C的質(zhì)量的1/12的比值。原子由一個原子核和若干個核外電子組成。原子核所帶的正電荷數(shù)與核外電子所帶的負電荷數(shù)相等。原子核是由兩種更小

2、的粒子即質(zhì)子和中子組成的，中子不帶電，１個質(zhì)子帶１個單位正電荷。,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),數(shù)值關(guān)系：質(zhì)子數(shù)＝核電荷數(shù)=核外電子數(shù)=原子序數(shù) 原子量=質(zhì)子數(shù)+中子數(shù)例如: 27 60Co表示鈷元素中原子量為60的鈷原子，核電荷數(shù)為27，核內(nèi)有27個質(zhì)子，33個中子，原子序數(shù)為27。 同位素:質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同(或敘述為核電荷數(shù)相同而原子量不同)的幾種原子相互稱為同位素。 例如:

3、 27 60Co和27 59Co。同位素可分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩類，不穩(wěn)定的同位素又稱為放射性同位素。放射性同位素又可分為天然和人工制造兩類，后者最常用的方法是用高能量粒子轟擊穩(wěn)定同位素的核使其成為放射性同位素。,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),1.1.2 玻爾的原子理論假設(shè) 1.1.3 要用人工方法，以中子、質(zhì)子或其它基本粒子作為炮彈轟擊原子核從而改變核內(nèi)質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)目，可以產(chǎn)生新的同位素，也可以使穩(wěn)定的同位素變?yōu)椴环€(wěn)定的同位素。 放

4、射性衰變及其模式:不穩(wěn)定的核素會自發(fā)蛻變，變成另一種核素，同時放出各種射線。α衰變 β衰變 γ衰變,,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),1.2 射線的種類和性質(zhì)1.2.1 x 射線和γ射線的性質(zhì) 與電波，紅外線，光波，紫外線一樣都是電磁波。區(qū)別只是波長不同和產(chǎn)生方法不同。 (圖1-2) 性質(zhì):a.在真空中以光速直線傳播。 b.本身不帶電，不受電場和磁場的影響。 c.在媒質(zhì)界

5、面上只能發(fā)生漫反射，而不能像可見光那樣產(chǎn)生鏡面反射。折射系數(shù)接近1。 d.可以發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象。 e.不可見光能穿透可見光不能穿透的物質(zhì)。 f.和物質(zhì)作用時，會與物質(zhì)發(fā)生復(fù)雜的物理，化學(xué)作用。 g.具有輻射生物效應(yīng)，能殺傷生物細胞，破壞生物組織。,1.2.2 x 射線的產(chǎn)生及特點 在一個具有陰陽兩極的真空管（x 射線管）產(chǎn)生。陰極是鎢絲，陽極是金屬制成的靶，兩極之間加有很高

6、的直流電壓（管電壓）。陰極加熱釋放的電子在高壓電場中加速從陰極飛向陽極（管電流）以很高的速度撞擊到金屬靶上，失去所有動能，絕大部分動能轉(zhuǎn)換為熱能，僅有極少部分轉(zhuǎn)換為x 射線向四周輻射。 這些x 射線線譜由兩部分組成：,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),連續(xù)譜和標識譜,連續(xù)譜的產(chǎn)生及特點 帶電粒子在加速或減速時必然伴隨著電磁輻射。當帶電粒子與原子想碰撞(與原子核的庫侖場相互作用)發(fā)生驟然減速時，由此伴隨產(chǎn)生的輻

7、射稱為韌致輻射。 連續(xù)譜的最短波長 連續(xù)譜中最大強度對應(yīng)的波長 連續(xù)x 射線總強度 管電流增加撞擊電子數(shù)增加，管電壓增加每個電子能量增大。轉(zhuǎn)換過程增加Z越高核庫侖場越強，韌致輻射作用越強。 x 射線轉(zhuǎn)換效率,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),,,,,,標識譜的產(chǎn)生及特點 x 射線官的管電壓超過某個臨界值（激發(fā)電壓Vk）陰極放射的電子可以獲得足夠能量。它與陽極靶相撞時，可以將靶原子

8、的內(nèi)層電子逐出殼層之外，使該原子處于激發(fā)態(tài)，此時外層電子將向內(nèi)層躍遷，同時放出1個光子，其能量等于發(fā)生躍遷的兩能級之差。例如：Kα標識射線是L層電子躍遷至K層放出的，Kβ標識射線是N層電子躍遷至K層放出的。 標識x射線強度只占x射線總強度的極少部分，能量也低，所以在工業(yè)射線探傷中不起什么作用。 標識譜的波長只依賴于陽極靶面的材料，與管電壓，管電流無關(guān)，不同的靶材激發(fā)電壓也不同。,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),,1.

9、2.3 γ射線的產(chǎn)生及特點 γ射線是放射性同位素經(jīng)α衰變或β衰變后，從激發(fā)態(tài)向 穩(wěn)定態(tài)過渡的過程中從原子核內(nèi)發(fā)出的，這一過程稱為γ衰變（或γ躍遷）。 γ躍遷是核內(nèi)能級之間的躍遷。 和原子核外電子的躍遷相同和不同點: 反應(yīng)式: 27 59Co+n→ 27 60Co+γ. 27 60Coβ→ 28 60Ni+γ 不穩(wěn)定 受激發(fā)態(tài)的Ni60連續(xù)放出2個各帶有1.17和

10、1.33Mev的γ射 線光子后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定狀態(tài)。,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),,放射性同位素的衰變服從指數(shù)規(guī)律: 衰變常數(shù)λ反映了放射性物質(zhì)的固有屬性，λ越大該物質(zhì)越不穩(wěn)定，衰變得越快。 半衰期:T1/2放射性同位素衰變掉原有核數(shù)一半所需時間,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),,,,1.3射線與物質(zhì)的相互作用 射線通過物質(zhì)時，會與物質(zhì)發(fā)生相互作用而強度減弱。 原因：吸收與散射 主要形式：光電效應(yīng)，康普頓

11、效應(yīng)，電子對效應(yīng)和瑞利散射 衰減規(guī)律，指數(shù)規(guī)律，衰減情況不僅與吸收物質(zhì)的性質(zhì)和厚度有關(guān)，還與輻射自身的性質(zhì)有關(guān)。,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),1.3.1光電效應(yīng) 入射光子與物質(zhì)原子的束縛電子作用時，光子的全部能量轉(zhuǎn)移給束縛電子使之發(fā)射出去，入射光子的全部能量用于該光電子與原子的結(jié)合能和光電子的動能。

12、 圖1-9 光電效應(yīng)的發(fā)生幾率與射線能量和物質(zhì)原子序數(shù)有關(guān)，它隨著入射光子能量增大而減小，隨著原子序數(shù)z的增大而增大。,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),1.3.2 康普頓效應(yīng) 入射光子和電子發(fā)生非彈性碰撞,入射光子能量一部分轉(zhuǎn)移給電子使它成為反沖電子，另一部分成為散射光子的能量。 反沖電子動能 入射光子動能由反沖電子和散射電子之間進行分配。散射角越

13、大，散射光子分配到的能量越小。圖1-12 康普頓效應(yīng)總是發(fā)生于自由電子或原子束縛最松的外層電子上，其發(fā)生的幾率大致與物質(zhì)原子序數(shù)成正比與光子能量成反比。,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),1.3.3 電子對效應(yīng) 當光子從原子核旁經(jīng)過，在原子核庫侖場作用下，光子轉(zhuǎn)化為一個正電子和一個負電子（正負電子對）。 條件：入射光子能量

14、 ，另一部分作為它的動能。圖1-14 其發(fā)生幾率是高能量射線和原子序數(shù)高的物質(zhì)占優(yōu)勢。,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),1.3.4瑞利散射 入射光子與束縛較牢固的內(nèi)層軌道電子發(fā)生彈性碰撞過程，束縛電子只是吸收入射光子后躍遷到高能級隨即放出一個能量約等于入射光子的散射光子，并沒有脫離原子，所以散射線與入射線具有相同的波長，能發(fā)生干涉的散射過程。 發(fā)生幾率和物質(zhì)的原

15、子序數(shù)及入射光子的能量有關(guān)。大致與物質(zhì)原子序數(shù)Z的平方成正比，并隨入射光子能量的增大而急劇減小。入射光子能量在200KV以下時瑞利散射影響不可忽略。,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),1.3.5 相對幾率 圖1-17 對于低能量射線和原子序數(shù)高的物質(zhì)光電效應(yīng)占優(yōu)勢。 對于中等能量射線和原子序數(shù)低的物質(zhì)康普頓效應(yīng)占優(yōu)勢。 對于高能量射線和原子序數(shù)高的物質(zhì)電子對效應(yīng)占優(yōu)勢。

16、 圖1-18 x 射線與物質(zhì)相互作用導(dǎo)致強度減弱以及能量強化。,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),,,,1.3.6 窄束、單色射線的強度衰減規(guī)律 吸收：光電和電子對效應(yīng) 散射：康普頓效應(yīng) 穿過物質(zhì)層的射線通常由兩部分組成：透射射線和散射射線 透射射線：未與物質(zhì)發(fā)生相互作用的光子，能量和方向均未變。 散射射線：發(fā)生一項或多項康普頓效應(yīng)的光子，能量和方向均改變。 窄束射線：不包括散射成分

17、的 射線束，通過物質(zhì)后僅由未與物質(zhì)發(fā)生相互作用的光子組成。,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),單色：指由單一波長電磁波組成的射線（相同能量光子，單能輻射） 窄束、單色射線的強度衰減公式: 衰減系數(shù)μ的意義： 射線通過單位厚度物質(zhì)時與物質(zhì)相互作用的幾率，與射線能量、物質(zhì)的原子序數(shù)和密度有關(guān)。對于同一物質(zhì)射線能量不同μ不同。對于同一能量射線，通過不同物質(zhì)時其μ也不同。 單位 cm-1

18、 表1-3 半價層T1/2指使入射射線強度減少一半的吸收物質(zhì)厚度,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),,,1.3.7寬束、單色射線的強度衰減規(guī)律 工業(yè)探傷中應(yīng)用的射線不可行是窄束、單色射線到達探傷器的束流中總是包含散射成分,這樣的射線稱為寬束射線。束流中的光子往往也不具有相同能量。γ射線是由幾種乃至十幾種能量的光子組合屬多色。 x 射線的波長更是連續(xù)變化

19、的。,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),散射線和散射比 對射線照相產(chǎn)生影響的散射線來自康普頓效應(yīng)，在較低能量范圍則來自相干散射(瑞利散射) 應(yīng)用寬束射線時，一次透射射線Ip 和散射射線Is同時到達探測器，其射線總強度為I則： 散射比：n= Is/Ip 其大小與射線能量，穿透物質(zhì)種類、厚度等有關(guān)。,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),1,平均衰減系數(shù)μ 因為光子能量不同

20、,其衰減系數(shù)也不同，考慮到總的衰減結(jié)果，得以下關(guān)系式： 即為多色射線強度衰減公式，其中μ稱為平均衰減系數(shù)。射線穿透物質(zhì)過程中，能量較低的射線分量強度衰減多，而能量較高的射線分量強度衰減相對較少，所以平均能量將高于初始射線的平均能量（硬化現(xiàn)象）隨著穿透厚度增加，線度逐漸變硬。平均衰減系數(shù)μ逐漸減小，平均半階層逐漸增大。 圖 1-20 寬束多色射

21、線的強度衰減規(guī)律,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),2,3,1.4射線照相法 1.4.1 射線照相法原理 射線在穿透物體過程中會與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因吸收和散射而使其強度減弱，強度減弱程度取決于物質(zhì)的衰減系數(shù)和射線在物質(zhì)中穿越的厚度。如果被透照物體的局部存在缺陷，且構(gòu)成缺陷的物質(zhì)的衰減系數(shù)又不同于物體的衰減系數(shù)。該局部區(qū)域的透過射線強度就會與周圍產(chǎn)生差異。把膠片放在適當位置使其在透過射線的作用下感光暗室處理后得到底片

22、，底片上各點的黑化程度取決于射線照射量（射線強度和照射時間的乘積）。,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),由于缺陷部位和完好部位的透照射線強度不同，底片上相應(yīng)部位就會出現(xiàn)黑度差異，該黑度差意義為“對比度”把底片放在觀片燈光屏上借助透過光線觀察可以看到由對比度構(gòu)成的不同形狀的影像。 主要對比度: ΔI缺陷與其附近的輻射強度差 影響因素 圖1-25

23、 P25公式1~5 I為背景輻射強度,第一章 射線檢測的物理基礎(chǔ),,,,1.4.2射線照相法特點 1.檢測結(jié)果有直接記錄（底片）。 2.可以獲得缺陷的投影圖像，缺陷定性定量準確。 3.體積型缺陷檢出率很高，而面積型缺陷的檢出率受多種因素影響. 4.適宜檢驗較薄工件，不適宜檢驗較厚工件（靈敏度）。 5.適宜對接焊縫的檢驗,檢測角焊縫效果差,不適