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1、中国石油大学信息与控制工程学院现代测试技术现代测试技术2011.11中国石油大学信息与控制工程学院第八章第八章 射线检测技术射线检测技术射线检测技术中国石油大学信息与控制工程学院第一节第一节 射线检测的物理基础射线检测的物理基础8.1射线检测的物理基础中国石油大学信息与控制工程学院辐射辐射 非电离辐射非电离辐射 电离辐射电离辐射 直接直接带电离子，如带电离子，如、阴极射线等，穿透能力差阴极射线等，穿透能力差 间接间接不带电离子，如不带电离子，如X X、中子射线，穿透能力强中子射线，穿透能力强一、射线的种类一、射线的种类8.1射线检测的物理基础中国石油大学信息与控制工程学院射线的穿透能力射线的穿
2、透能力8.1射线检测的物理基础中国石油大学信息与控制工程学院射线的波长分布射线的波长分布在射线检测中应用的射线主要是在射线检测中应用的射线主要是X X射、射、射线和中子射线。射线和中子射线。X X射射线和线和射线属于电磁辐射，而中子射线是中子束流。射线属于电磁辐射，而中子射线是中子束流。8.1射线检测的物理基础中国石油大学信息与控制工程学院8.1射线检测的物理基础二、射线的产生二、射线的产生nX X射线射线产生产生阴极阴极发射电子的灯丝发射电子的灯丝加速装置加速装置高压发生器高压发生器将电子加速，将电子加速，使之具有一定的动能使之具有一定的动能轰击阳极靶轰击阳极靶 阳极阳极电子轰击靶面，产生电
3、子轰击靶面，产生X X射线射线 高能电子轰击阳极靶有高能电子轰击阳极靶有98%98%99%99%的能量转化成热能散失掉，因的能量转化成热能散失掉，因此，阳极靶一定要耐热，只有此，阳极靶一定要耐热，只有1%1%2%2%的能量转变为的能量转变为X X射线射线 中国石油大学信息与控制工程学院变压器冷却水钨灯丝钨灯丝钨灯丝钨灯丝玻璃玻璃玻璃玻璃金属聚灯罩金属聚灯罩金属聚灯罩金属聚灯罩铍窗口铍窗口铍窗口铍窗口金金金金属属属属靶靶靶靶X X X X射线射线射线射线X X X X射线射线射线射线电子电子8.1射线检测的物理基础中国石油大学信息与控制工程学院分类分类 X X射线可分为两类：射线可分为两类：连续
4、连续连续连续X X X X射线射线射线射线和和标识标识标识标识X X X X射线射线射线射线连续连续X X射线射线：波长呈连续分布的连续：波长呈连续分布的连续X X射线，有一个极限波长射线，有一个极限波长0 0（或短波（或短波限）限）8.1射线检测的物理基础中国石油大学信息与控制工程学院标识标识X X射线：射线：当管电压超过某一临界值时，当管电压超过某一临界值时，形成与靶材有关的特殊波长的形成与靶材有关的特殊波长的射线射线 X X射线检测中主要用射线检测中主要用连续谱连续谱 8.1射线检测的物理基础中国石油大学信息与控制工程学院n射线射线同位素同位素同位素同位素质子数相同，中子数不同，在周期表
5、中处质子数相同，中子数不同，在周期表中处于同一位置于同一位置 产生产生放射性原子核在发生放射性原子核在发生衰变衰变,衰变后产生的新核往往处衰变后产生的新核往往处于高能量级于高能量级,要向低能级跃迁要向低能级跃迁,辐射出辐射出光子光子.首先由法国首先由法国科学家科学家P.V.P.V.维拉德发现，是继维拉德发现，是继、射线后发现的第三种射线后发现的第三种原子核射线。原子核射线。8.1射线检测的物理基础中国石油大学信息与控制工程学院天然放射性同位素：天然放射性同位素：Ra226Ra226、U235U235人工放射性同位素：人工放射性同位素：Co60Co60、Ir192Ir192分类分类衰变规律衰变规
6、律随时间延长，放射性逐渐减弱随时间延长，放射性逐渐减弱 为衰变常数；为衰变常数；N N0 0为原有原子数；为原有原子数；N N衰变后剩余原子数衰变后剩余原子数 半衰期半衰期半衰期半衰期：衰变到原来一半时所需时间：衰变到原来一半时所需时间 8.1射线检测的物理基础两种人工放射性同位素的基本参数两种人工放射性同位素的基本参数8.1射线检测的物理基础中国石油大学信息与控制工程学院 中子射线中子射线 产生：产生：原子核（除原子核（除H H外）经强大外力激发作用，会释放出中子外）经强大外力激发作用，会释放出中子 分类：分类：中子源分类：中子源分类：同位素中子源同位素中子源同位素中子源同位素中子源、加速器
7、中子源加速器中子源加速器中子源加速器中子源和和反应堆反应堆反应堆反应堆中子源中子源中子源中子源 方法：方法：质子、质子、粒子、粒子、射线等轰击原子核产生中子射线射线等轰击原子核产生中子射线 8.1射线检测的物理基础中国石油大学信息与控制工程学院8.1射线检测的物理基础中国石油大学信息与控制工程学院三三 射线特性射线特性1 1 不可见性不可见性：射线波长比可见光短：射线波长比可见光短 2 2 穿透性穿透性：射线可以穿透物体，并产生衰减（衰减性）：射线可以穿透物体，并产生衰减（衰减性）3 3 不带电荷不带电荷：不受电磁场作用，又称为：不受电磁场作用，又称为直线性直线性，是真实图，是真实图形的反映形
8、的反映 4 4 光化反应光化反应：使物质电离，使胶片感光：使物质电离，使胶片感光 5 5 生物效应生物效应：电离并杀死生命细胞，尤以中子射线为甚：电离并杀死生命细胞，尤以中子射线为甚 8.1射线检测的物理基础中国石油大学信息与控制工程学院散射吸收射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用四四 射线通过物质时的衰减射线通过物质时的衰减 射线在穿透物质时，与物质相互作用，使强度减射线在穿透物质时，与物质相互作用，使强度减弱弱衰减衰减8.1射线检测的物理基础中国石油大学信息与控制工程学院吸收现象吸收现象 当射线穿透物质时，会因与物质中原子核或核外电子碰撞当射线穿透物质时，会因与物质中原子核或核外电子碰
9、撞而消耗，最终其能量全部转变为热能。当能量较低时，形成而消耗，最终其能量全部转变为热能。当能量较低时，形成光光光光电效应电效应电效应电效应 吸收效应的大小与射线本身能量的高低和被透照物质的性吸收效应的大小与射线本身能量的高低和被透照物质的性质有关质有关 8.1射线检测的物理基础中国石油大学信息与控制工程学院散射现象散射现象 射线通过物质后，不仅射线通过物质后，不仅能量能量能量能量改变，有部分入射线改变改变，有部分入射线改变了原来的了原来的方向方向方向方向,当当方向方向方向方向改变时，称为改变时，称为汤姆逊散射汤姆逊散射 改变改变方向方向方向方向及及能量能量能量能量时，称为时，称为康普顿散射康普
10、顿散射 散射线是一些偏离了原射线的入射线方向，射向四面八方的射线。散射线是一些偏离了原射线的入射线方向，射向四面八方的射线。射线能量越低，被透照物质中的电子密度越大，射线的散射效应射线能量越低，被透照物质中的电子密度越大，射线的散射效应越显著，散射线的强度越大越显著，散射线的强度越大 8.1射线检测的物理基础中国石油大学信息与控制工程学院衰减衰减由吸收由吸收(t)(t)、散射、散射(s s)共同作用，其规律：共同作用，其规律：其中，其中，I I、I I0 0分别为入射线和透射线分别为入射线和透射线强度；强度；为衰减系数；为衰减系数；d d为被测物质为被测物质的厚度的厚度 8.1射线检测的物理基
11、础中国石油大学信息与控制工程学院射线衰减特性射线衰减特性1 18.1射线检测的物理基础中国石油大学信息与控制工程学院射线衰减特性射线衰减特性2 28.1射线检测的物理基础中国石油大学信息与控制工程学院半价层半价层射线衰减特性射线衰减特性3 3 8.1射线检测的物理基础中国石油大学信息与控制工程学院第二节第二节 X X射线检测的基本原射线检测的基本原理和方法理和方法 8.2 X射线检测的基本原理和方法 中国石油大学信息与控制工程学院一、一、检测原理检测原理 利用射线在物质中的衰减和利用射线在物质中的衰减和对某些物体产生光化作用进行的。对某些物体产生光化作用进行的。当射线穿过工件完好部位时，其当射
12、线穿过工件完好部位时，其强度为：强度为：8.2 X射线检测的基本原理和方法 中国石油大学信息与控制工程学院High Electrical PotentialElectrons-+X-ray Generator or Radioactive Source Creates RadiationExposure Recording DeviceRadiation Penetrate the Sample部位不同，射部位不同，射线强度不同线强度不同X X射线检测射线检测8.2 X射线检测的基本原理和方法 中国石油大学信息与控制工程学院当射线穿过工件有缺陷部位时，其强度为：当射线穿过工件有缺陷部位时，其强
13、度为：所以，所以，dI2I1dI08.2 X射线检测的基本原理和方法 中国石油大学信息与控制工程学院由两式比较，当厚度相同时：由两式比较，当厚度相同时：，I I2 2I I1 1，缺陷部位强度完好部位，缺陷部位强度完好部位例如：夹钨，钨为重金属，对射线吸收较大，感光少，例如：夹钨，钨为重金属，对射线吸收较大，感光少，暗室处理时容易洗去，呈白色块状。而基体金属吸收暗室处理时容易洗去，呈白色块状。而基体金属吸收系数小，透过射线多，感光多，呈黑色系数小，透过射线多，感光多，呈黑色 8.2 X射线检测的基本原理和方法 中国石油大学信息与控制工程学院，I I2 2I I1 1，缺陷部位强度完好部位，缺陷
14、部位强度完好部位 例如：气孔、夹渣，对射线吸收少，感光多，呈黑色例如：气孔、夹渣，对射线吸收少，感光多，呈黑色，I I2 2I I1 1，缺陷部位强度完好部位，不能显现，缺陷部位强度完好部位，不能显现 若厚度不同，若厚度不同，d d变化而变化而不变，可用于不变，可用于厚度检测。厚度检测。8.2 X射线检测的基本原理和方法 中国石油大学信息与控制工程学院二、检测方法二、检测方法 常用的常用的照相法、电离检测法、荧光屏直接观照相法、电离检测法、荧光屏直接观察法，察法，发展的有发展的有电视观察法；电视观察法；照相法照相法射线射线 衰减衰减 强度强度变化变化 胶片胶片 感光感光 潜影潜影 影像影像 评
15、判评判 此法灵敏度高，直观可靠，此法灵敏度高，直观可靠，重复性好，但成本较高，时间重复性好，但成本较高，时间较长较长 8.2 X射线检测的基本原理和方法 中国石油大学信息与控制工程学院电离检测法电离检测法射线射线 工件工件 电离室电离室 电离气体电离气体 电流电流 判断判断完整性完整性 此法自动化程度高，成本此法自动化程度高，成本低，但定性困难低，但定性困难 8.2 X射线检测的基本原理和方法 中国石油大学信息与控制工程学院荧光屏荧光屏直接观察法直接观察法 此法成本低，效率高，可连续生产，但分辨率差此法成本低，效率高，可连续生产，但分辨率差 射线射线 工件工件 荧光屏荧光屏 缺陷形缺陷形状状8
16、.2 X射线检测的基本原理和方法 中国石油大学信息与控制工程学院电视观察法电视观察法 电视观察法是的发展，可用电视显示系统直接显示电视观察法是的发展，可用电视显示系统直接显示 此法自动化程度高，可观察动态情况。此法自动化程度高，可观察动态情况。8.2 X射线检测的基本原理和方法 中国石油大学信息与控制工程学院电视观察法电视观察法8.2 X射线检测的基本原理和方法 中国石油大学信息与控制工程学院8.3 X射线照相检测技术第三节第三节 X X射线照相检射线照相检测技术测技术中国石油大学信息与控制工程学院根据根据胶片上影像的形状及其黑度的不均匀程度，就胶片上影像的形状及其黑度的不均匀程度，就可以评定
17、被检测试件中有无缺陷及缺陷的性质、形可以评定被检测试件中有无缺陷及缺陷的性质、形状、状、大小和位置大小和位置。此此法的优点是灵敏度高、直观可靠、重复性好法的优点是灵敏度高、直观可靠、重复性好，是，是射线检测法中应用最广泛的一种常规方法射线检测法中应用最广泛的一种常规方法。由于由于生产和科研的需要，还可用放大照相法和闪光生产和科研的需要，还可用放大照相法和闪光照相法以弥补其不足。照相法以弥补其不足。放大照相可以检测出材料中放大照相可以检测出材料中的微小缺陷。的微小缺陷。8.3 X射线照相检测技术中国石油大学信息与控制工程学院X X射线照相检测原理射线照相检测原理8.3 X射线照相检测技术中国石油
18、大学信息与控制工程学院一、一、照相法的灵敏度和透度计照相法的灵敏度和透度计灵敏度灵敏度定义：定义：显示缺陷的程度或能发现最小缺陷的能力显示缺陷的程度或能发现最小缺陷的能力 分类分类 绝对灵敏度绝对灵敏度 底片上能发现被检试件中与射线平行方向的最小缺陷尺寸底片上能发现被检试件中与射线平行方向的最小缺陷尺寸 8.3 X射线照相检测技术中国石油大学信息与控制工程学院相对灵敏度相对灵敏度底片能发现被检试件中与射线平行方向的最小缺陷尺寸，占底片能发现被检试件中与射线平行方向的最小缺陷尺寸，占缺陷处试件厚度的百分数缺陷处试件厚度的百分数 其中，其中，x x为最小缺陷尺寸；为最小缺陷尺寸；d d为试件厚度为
19、试件厚度 相对灵敏度由于考虑了厚度因素，由相对灵敏度由于考虑了厚度因素，由 ，更能体现透照质量，所以，通常所说的，更能体现透照质量，所以，通常所说的照相灵敏度照相灵敏度即指此灵敏度即指此灵敏度 8.3 X射线照相检测技术中国石油大学信息与控制工程学院透度计（像质指示器）透度计（像质指示器）实践中最小缺陷尺寸很难确定，用确定尺寸的实践中最小缺陷尺寸很难确定，用确定尺寸的人工缺陷来标定灵敏度就方便得多了；人工缺陷来标定灵敏度就方便得多了；透度计用是来透度计用是来检查透照技术和胶片处理质量的，检查透照技术和胶片处理质量的，即定量地评价射线底片影像质量的工具；即定量地评价射线底片影像质量的工具；8.3
20、 X射线照相检测技术中国石油大学信息与控制工程学院二、增感屏二、增感屏 X X射线产生效率非常低，要得到满意的图像，射线产生效率非常低，要得到满意的图像，需要相当长的时间，效果不理想，要用增感屏。需要相当长的时间，效果不理想，要用增感屏。分类 增感屏可分为：增感屏可分为：金属增感屏金属增感屏金属增感屏金属增感屏、荧光增感屏荧光增感屏荧光增感屏荧光增感屏和和金属荧光增感屏金属荧光增感屏金属荧光增感屏金属荧光增感屏 片基金属箔荧光层保护层增感系数：增感系数：8.3 X射线照相检测技术中国石油大学信息与控制工程学院金属金属增感屏增感屏：可：可分为前屏、后屏，金属箔置向胶片，分为前屏、后屏，金属箔置向
21、胶片，其作用有：其作用有：a a 增感作用增感作用：利用射：利用射线透过金属屏激发二次电线透过金属屏激发二次电子和二次射线增感子和二次射线增感 b b 滤波作用滤波作用：为减少散：为减少散射线不良影响，吸收波长较长射线不良影响，吸收波长较长的散射线，故影像清晰的散射线，故影像清晰 组成及作用组成及作用8.3 X射线照相检测技术中国石油大学信息与控制工程学院荧光荧光增感屏增感屏：射线照射在物质上（钨酸钙、硫化锌镉）会产生荧光效应，射线照射在物质上（钨酸钙、硫化锌镉）会产生荧光效应，发出与某些胶片感光色相近波长的光，加快了感光速度，发出与某些胶片感光色相近波长的光，加快了感光速度，增大了可探测厚度
22、；增大了可探测厚度；金属金属荧光增感屏荧光增感屏：结合结合了荧光增感屏增感效果好，金属增感屏底片质量好的了荧光增感屏增感效果好，金属增感屏底片质量好的优点，制作而成。所以，此类增感屏优点，制作而成。所以，此类增感屏使底片的感光速度使底片的感光速度比金属屏快，且比荧光屏的像质比金属屏快，且比荧光屏的像质好好。荧光增感屏所发荧光亮荧光增感屏所发荧光亮度与荧光物质的晶粒度度与荧光物质的晶粒度有关；有关；荧光增感屏荧光增感屏8.3 X射线照相检测技术中国石油大学信息与控制工程学院三、三、曝光参数的选择曝光参数的选择 射线的硬度射线的硬度射线的穿透力。波长越短硬度越大，衰减越小；射线的穿透力。波长越短硬
23、度越大，衰减越小；波长由管电压决定，管电压越高，波长越短；波长由管电压决定，管电压越高，波长越短；6060150kV150kV：中等硬度；：中等硬度；60kV60kV以下：软以下：软X X射线；射线；软软X X射线有利于提高对比度射线有利于提高对比度。8.3 X射线照相检测技术中国石油大学信息与控制工程学院 射线的曝光量射线的曝光量 定义：管电流定义：管电流i i乘以时间乘以时间t t；通常，在射线设备允许范围内，管电通常，在射线设备允许范围内，管电流尽量取得大些，以缩短曝光时间并减流尽量取得大些，以缩短曝光时间并减小散射线的影响。小散射线的影响。曝光距离与射线强度的关系：曝光距离与射线强度的
24、关系：8.3 X射线照相检测技术中国石油大学信息与控制工程学院焦距的选择焦距的选择焦距：焦距：F F，放射源到胶片的距离。，放射源到胶片的距离。由于几何不清晰度由于几何不清晰度U Ug g的影响，焦距的影响，焦距选择要充分参考射线源尺寸选择要充分参考射线源尺寸f f和试和试件厚度件厚度d d。a a、b b分别表示放射源到缺陷和缺陷到胶分别表示放射源到缺陷和缺陷到胶片的距离片的距离8.3 X射线照相检测技术中国石油大学信息与控制工程学院三、三、曝光曲线曝光曲线曝光曲线是射线照相检验的必曝光曲线是射线照相检验的必备工具，是选择工艺参数的基备工具，是选择工艺参数的基础。础。它可以有设备、胶片、增感屏它可以有设备、胶片、增感屏按具体条件制定，也可以选用按具体条件制定，也可以选用合适的曝光曲线合适的曝光曲线 8.3 X射线照相检测技术中国石油大学信息与控制工程学院材料厚度与曝光量的关系曲线材料厚度与曝光量的关系曲线1 18.3 X射线照相检测技术中国石油大学信息与控制工程学院材料厚度与曝光量的关系曲线材料厚度与曝光量的关系曲线2 28.3 X射线照相检测技术中国石油大学信息与控制工程学院第四节第四节 常见缺陷及常见缺陷及其影像特征其影像特征8.4 常见缺陷及其影像特征课后了解课后了解