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1、II级培训射线检测物理基础第一章第一章 射线检测的物理基础射线检测的物理基础1 原子与原子结构（研究物质）(1)元素与原子 世界上一切物质都是元素构成。如：水（H2O）由氢（H）和氧（O）两种元素构成；钢由铁（Fe）和碳（C）等几种元素构成。每种元素都用特定的符号来表示。元素有天然的和人工制造的两种。元素的存在形式是原子，原子是体现元素性质的最小微粒。原子的质量极其微小，为了方便起见，一般用原子量来表示原子的质量。原子量就是某元素的原子的平均质量相对于126C的质量的1/12的比值。原子的构成：由一个位于原子中心的原子核和几个核外电子组成。原子核带正电，核外电子带负电。两者所带的电荷数相等。即
2、核电荷数与核外电子数相等。原子核的构成：由若干质子和若干中子构成。质子带正电，中子不带电。有几个质子就带几个正电。整个原子核因质子带正电而带正电。在元素周期表中，元素的次序是按核电荷数排列的，因此，原子序数等于核电荷数。根据以上所述，构成下式：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 原子核+-电子-电子-电子-电子射线检测研究的对象：1射线2工件与胶片（物质）3射线如何与工件作用的？射线源工件胶片一种元素可包含有多种核素。同一种元素必定具有相同的核电荷数或质子数，但中子数不一定相同，不同的中子数就构成不同的原子。如：氢元素有三种原子，氕、氘、氚。同位素：质子数相同而中子
3、数不同的各种原子互为同位素。核素可分为稳定和不稳定的两类，不稳定的核素称为放射性核素。它能自发地放出某些射线、或射线，而变成另一种元素。放射性核素可分为天然的和人工制造的两类。当前射线检测所用的射线源均为人工放射性核素。2 核外电子运动规律原子理论的发展：A 道尔顿原子理论：原子是物质的最小单元，不可分割的。B 汤姆逊原子理论：正电荷平均分布在整个原子中，而电子则平均分布在这些正电荷之间。C 卢瑟福原子理论：带正电的原子核在原子中心，若干个带负电的电子在核外绕原子核运转。D 玻尔原子理论：带正电的原子核在原子中心，若干个带负电的电子在核外绕原子核运转。但电子是沿各自的轨道绕核运行，各条轨道有着
4、不同的能量状态（能级）。在卢瑟福原子理论的基础上引入了轨道和能级的概念。与现代原子理论最为接近。基态：正常情况下电子总是在能级最低的轨道上运行时的原子状态。跃迁：当原子从外界吸收一定能量时，电子就由最低能级跳到较高能级的过程。发生跃迁后，原子处于不稳定的激发态。电子将再回到较低能级，并释放出光子，光子的能量正好是两个能级的能级差。3 原子核结构 原子核由带正电的质子和不带电的中子构成。原子核体积为原子半径的万分之一，而质量且占原子质量的99%以上。所以原子是一个极其空旷的结构，在射线与物质发生作用时给部分射线穿过物质而不与射线发生作用造成了可能。原子核内的质子和中子是处于运动中的，因而原子核具
5、有角动量和磁矩，也具有能级概念。但应区别于电子轨道的能级。两者之间的其中一个区别是能级之间的能量差值具有巨大不同，电子轨道能级差一般是几ev到几千ev，而核内能级差一般是几千ev到十几兆ev。核内质子和中子是以核力结合在一起的。（地球和太阳是万有引力，电子和原子核之间是库仑力）核力的性质：（1）核力与电荷无关；（2）核力是短程作用力；（3）核力是一种强作用力，是库仑力的100倍；（4）核力能促成粒子的成对结合以和对对结合。采用人为的方法，以中子、质子或其它基本粒子轰击原子核，改变核内质子数或中子数，可以制造出新的核素。核素有稳定的和不稳定的两种，不稳定的核素会自发蜕变，变成另一种核素，同时放出
6、各种射线，这种现象称为放射性衰变。放射性衰变的三种模式：（1）衰变 放出带两个正电的42He（氦）,衰变后形成的子核，核电荷数较母核减2，即在元素周期表上前移两位，而质量数较母核减少4。（2）衰变+衰变，母核放出电子，衰变后子核的质量数不变，而核电荷数增加1，即在元素周期表上 后移一位；轨道电子俘获，母核俘获核外轨道上的一个电子（最常见的是俘获K层电子，称为K俘获），核中的一个质子转为中子，即在元素周期表前移一位。（3）衰变 放出波长很短的电磁辐射。衰变前后核的质量数和电荷数均不发生改变。且总是伴随着衰变和衰变而发生。1.2 1.2 射线的种类和性质射线的种类和性质1 X1 X射线和射线和射线
7、的性质相同点：（1）都是电磁波，在真空中以光速传播；（2）本身不带电，不受电场和磁场的影响；（3）在媒质界面上只能发生漫反射；（4）可以发生干涉和衍射现象；（5）不可见，能够穿透可见光不能穿透的物质；（6）在物质作用过程中，会与物质发生复杂的物理和化学作用；（7）具有辐射效应，能够杀伤生物细胞，破坏生物组织。不同点：（1）产生方式不同，X射线是高速电子轰击阳极靶产生的；射线是放射性核素衰变产生的。（2）能量不同 X射线能量可调，取决于管电压；射线能量不可调，取决于源种类。（3）强度不同，X射线强度决于管电压和管电流；射线强度随时间的推移按指数规律减弱。（4）波谱不同 X射线波谱是连续谱；射线波
8、谱是线状谱。2 X射线的产生和其特点 （1）X射线的产生方式：1）灯丝通电发热，灯丝周围聚集大量电子；2）电子被阴极罩聚焦成一定形状；3）在阴极和阳极之间的高压驱驶下，电子高速奔向阳极；4）高速电子撞击阳极靶，被突然遏止，电子动能被转化为热能和X射线。（2）韧致辐射：带电粒子在加速或减速时必然伴随着电磁辐射，当带电粒子与原子核库仑场相互作用发生骤然减速时，由此伴随产生的辐射。（3）X射线的波谱特点：由连续谱和标识谱两部分组成 连续谱：即波长连续变化，它的最短波长只与外加电压有关；为什么会连续呢？标识谱：也叫特征谱，只与靶材料有关。-+-射线（4）连续谱最短波长的计算：电子的动能E=eV 全部转
9、化为电磁辐射的能量E=h，则该辐射的波长min为：eV=h=hc/min min=hc/eV=12.410-7/V=12.4/V()式中 h 普朗克常数，6.62610-34Js c 光速 3108m/s e 电子电量，1.610-19C V 管电压，kV （5）产生的X射线总强度：It=KiZiV2 Ki 比例常数1.11.410-6从上式可以看出，产生的X射线强度与下列三个因素有关系：1）管电压 2）管电流 3）靶材料原子序数产生的X射线效率：=KiZV 与管电压和靶材料原子序数有关 100 kV时，约为1%；200 kV时约为2%；通过计算可以发现，高速电子的能量绝大部分转化为热量，只有
10、小部分转化X射线。所以应和时对阳极进行冷却。（6）标识谱的产生和特点：标识谱的产生条件：X射线管的管电压必须超过激发电压Vk。激发电压Vk一般都较低，如钨靶为69.51kV，钼靶为20kV。故实际检测时，一般都伴随有标识X射线产生。标识谱的产生机理：如果X射线管的管电压超过Vk,阴极发射的电子可以获得足够的能量，它与阳极靶相撞时，可以把靶原子的内层电了驱逐出壳层之外，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（即标识X射线），光子的能量等于发生跃迁的两能级之差。一般跃迁常发生在K系列层电子上。标识X射线强度只占X射线总强度的极少一部分，在实际检测中，基本不予考虑。3 射线的
11、产生和特点（1）射线的产生方式：放射性同位素经过衰变和衰变后，在激发态向稳定态过渡的过程中从原子核内发出的，是核内能级之间的跃迁。（2）射线与标识X射线的不同：射线是核内能级之间的跃迁后产生的电磁辐射，其能量一般是几千ev到十几兆ev。标识X射线是核外电子层之间的跃迁后产生的电磁辐射，其能量一般是几ev到几千ev。（3）射线的能量由放射性同位素的种类决定的（4）射线的波谱是线状谱。（5 5）放射性同位素的衰减）放射性同位素的衰减 N=NN=N0 0e e-T T N N0 0 原有原子核数量原有原子核数量 N N 经过经过T T时间后，衰变的原子核数量时间后，衰变的原子核数量 衰变常数，它反映
12、了放射性同位素的固有属性，衰变常数，它反映了放射性同位素的固有属性，值越大，衰变越快。值越大，衰变越快。上式说明放射性同位素的衰减呈指数衰减规律。上式说明放射性同位素的衰减呈指数衰减规律。半衰期半衰期T T1/21/2 ：表示放射性同位素衰变掉原有核数一半所需的时间。：表示放射性同位素衰变掉原有核数一半所需的时间。从上面的公式可以得到从上面的公式可以得到T T1/21/2=0.693/=0.693/半衰期半衰期T T1/21/2也反映了放射性同位素的固有属性，也反映了放射性同位素的固有属性，值越大，值越大，T T1/21/2越小，衰变越快。越小，衰变越快。4 4 波粒二象性波粒二象性电磁辐射既
13、有波动性也有粒子性一种现象。电磁辐射既有波动性也有粒子性一种现象。波动性：有波长、频率，会衍射、散射等。波动性：有波长、频率，会衍射、散射等。粒子性：光能量，会光电效应、康普顿效应、电子对效应等。粒子性：光能量，会光电效应、康普顿效应、电子对效应等。5 5 射线的种类射线的种类（1 1）X X和和射线 穿透能力强（2）电子射线和射线（3）质子射线和射线 射线 电离能力最强（4）中子射线 容易穿透高原子序数物质而难穿透低原子序数物质6 常用放射性同位素射线源Co60Cs137Ir192Tm170Se75主要能量(Mev)1.17,1.330.6610.296,0.3080.346,0.4680.
14、084,0.0520.121,0.1360.265,0.280平均能量(Mev)1.250.6610.3550.0720.206半衰期5.3年33年75天128天120天适宜透照钢厚度(mm)402001510010100320540如何得到中子照射Co59U235的裂变产物Ir191俘获热中子中子照射Tm169中子照射Se74衰变产物 Ni60Ba137Pt192 Os192Yb170As75衰变方式衰变衰变衰变K俘获衰变轨道电子俘获相当的X射线能量（kV)4001002501.3 1.3 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用射线与物质相互作用的结果：强度减弱，且服从指数衰减规律射线与物
15、质相互作用的结果：强度减弱，且服从指数衰减规律强度减弱的原因：吸收与散射强度减弱的原因：吸收与散射吸收：光子能量被吸收，并转换为其它形式的能量，有光电效应、电子对效应；吸收：光子能量被吸收，并转换为其它形式的能量，有光电效应、电子对效应；散射：光子的运动方向改变，能量传递或改变，有康普顿效应、瑞利散射。散射：光子的运动方向改变，能量传递或改变，有康普顿效应、瑞利散射。（1 1）光电效应）光电效应 光子与原子的束缚电子作用时，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失掉，这一光子与原子的束缚电子作用时，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失掉，这一过程
16、称为光电效应。发射出去的电子叫光电子。过程称为光电效应。发射出去的电子叫光电子。光电效应发生的前提：入射光子的能量光电效应发生的前提：入射光子的能量EeEe应大于电子层壳所在的应大于电子层壳所在的EiEi。光电效应的发生概率：随光子能量增大而减小，原子序数的增大而增大。光电效应的发生概率：随光子能量增大而减小，原子序数的增大而增大。光电效应的其它产物：光电效应的其它产物：光电效应后，原子处于激发态。退激方式有两种，光电效应后，原子处于激发态。退激方式有两种，一种是外层电子向内层跃迁，并辐射标识一种是外层电子向内层跃迁，并辐射标识X X射线（次级射线（次级X X射线或荧光射线或荧光X X射线），
17、其能量是两电子层的能级差；射线），其能量是两电子层的能级差；另一种是激发能转移给外层电子，使这发射出去，发射出去的电子称为俄歇电子。另一种是激发能转移给外层电子，使这发射出去，发射出去的电子称为俄歇电子。光电效应逐出的电子多发生在光电效应逐出的电子多发生在K K层（内层）上。层（内层）上。（2 2）康普顿效应）康普顿效应 入射光子与原子的自由电子或外层电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使它成为反冲电子发射出去，而入射光子与原子的自由电子或外层电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使它成为反冲电子发射出去，而光子本身不消失，只是能量和运动方向都发生了改变。这一过程称为康普顿效应光子本
18、身不消失，只是能量和运动方向都发生了改变。这一过程称为康普顿效应 康普顿效应的发生概率与物质原子序数成正比，与光子能量成反比。康普顿效应的发生概率与物质原子序数成正比，与光子能量成反比。（3 3）电子对效应）电子对效应 入射光子与原子核库仑场作用，光子转化为入射光子与原子核库仑场作用，光子转化为1 1个正电子和个正电子和1 1个负电子，这一过程叫电子对效应。个负电子，这一过程叫电子对效应。电子对效应发生的前提条件：入射光子能量必须大于电子对的结合能电子对效应发生的前提条件：入射光子能量必须大于电子对的结合能1.02MeV.1.02MeV.电子对湮灭：电子对效应产生的正负电子对在吸收物质中很快消
19、失，并转化为电子对湮灭：电子对效应产生的正负电子对在吸收物质中很快消失，并转化为2 2个能量为个能量为0.51MeV0.51MeV的光子的现象。的光子的现象。电子对效应发生的概率与物质原子序数的平方成正比，与光子能量基本上成正比。电子对效应发生的概率与物质原子序数的平方成正比，与光子能量基本上成正比。（4 4）瑞利散射）瑞利散射 入射光子与原子的内层电子发生弹性散射，电子吸收入射光子而跃迁到高能级，随即又放出入射光子与原子的内层电子发生弹性散射，电子吸收入射光子而跃迁到高能级，随即又放出1 1个能量约等于入射光子个能量约等于入射光子能量的散射光子。能量的散射光子。由于入射光子与散射光子拥有相同
20、的波长，故会发生干涉现象，瑞利散射是相干散射的一种。由于入射光子与散射光子拥有相同的波长，故会发生干涉现象，瑞利散射是相干散射的一种。瑞利散射发生概率与物质原子序数的平方成正比，随光子能量增大而急剧减小。瑞利散射发生概率与物质原子序数的平方成正比，随光子能量增大而急剧减小。四种效应比较四种效应比较光电效应康普顿效应电子对效应瑞利散射作用对象内层电子（多为K层）自由电子或外层电子原子核内层电子吸收或散射光子消失被吸收光子不消失被散射光子消失被吸收光子消失被吸收实际效果是散射产物光电子标识X射线俄歇电子散射光子反冲电子正负电子对散射光子发生概率ph随Z的增大而增大随hv的增大而减小cZ与hv成反比
21、p Z2Ep Z2lnER Z2R随hv的增大而急剧减小（5）各种效应相互作用发生的相对概率对于低能射线和原子序数高的物质，光电效应占优；对于中等能量射线和原子序数低的物质，康普顿效应占优；对于高能射线和原子序数高的物质，电子对效应占优。射线与铁相互作用时，各种效应发生的概率：10keV,光电效应占绝对优势。随能量的增大，光电效应逐渐减小，而康普顿效应逐渐增大；100keV,光电效应与康普顿效应发生的概率相等；瑞利效应此时最大；1MeV,康普顿效应最大，且基本上都是康普顿效应；光电效应变0；随能量的增大，电子对效应开始并增大，康普顿效应逐渐减小10MeV,电子对效应与康普顿效应发生的概率相等；
22、随能量的增大，电子对效应概率越来越大。(6)窄束、单色射线的强度衰减规律 射线与物质相互作用后，一部分吸收，一部分散射，一部分不与物质作用而直接穿透过去。直接穿透过去，能量和方向均不发生改变的射线称为透射线Ip；发生散射，能量和方向均发生改变的射线称为散射线Is。窄束射线是指不包括散射成分的射线束。单色射线是指由单一波长电磁波组成的射线。窄束、单色射线的强度衰减规律：I=I0e-uT I 衰减后（穿透后）的射线强度 I0衰减前（穿透前）的原始射线强度 T T穿透厚度穿透厚度 u u线衰减系数线衰减系数 l线衰减系数u的意义是射线通过单位厚度物质时，与物质相互作用的概率。它与射线能量、物质的原子
23、序数和密度有关。可分解为四个效应的分线衰减系数。l u=uph+uc+up+uR u大致与物质密度成正比；随原子序数的增大而增大；u与光子能量的关系是：光电效应和康普顿效应时，随光子能量的增大而减小；电子对效应时，随光子能量的增大而增大；故常规射线检测（小于1MeV)时，因为一般不发生电子对效应,u是随光子能量的增大而减小。半价层：是指入射射线强度减少一半时的吸收物质厚度，用T1/2来表示。它表示某种能量射线的穿透能力或某种射线的衰减作用程度。它与u之间的关系是：l T1/2=0.693/u例例 已知某窄束单色射线穿过已知某窄束单色射线穿过20mm的钢后，强度减弱到原来的的钢后，强度减弱到原来
24、的20%，求该射线在钢中的线衰减系数。，求该射线在钢中的线衰减系数。解：解：1 T1/2 I/I0=(1/2)1 2 T1/2 I/I0=(1/2)2 n T1/2 I/I0=(1/2)n I/I0=20%=0.2=(1/2)n 得得n=2.32 T1/2=2/2.32=0.86cm u=0.693/0.86=0.8cm-1(7)宽束、多色射线的强度衰减规律宽束、多色射线的强度衰减规律宽束射线：包含有散射线成分的射线；宽束射线：包含有散射线成分的射线；多色射线：有多种波长组成的射线，其中多色射线：有多种波长组成的射线，其中X射线的波长是连续的，也称射线的波长是连续的，也称“白色白色”射线。射线
25、。射线透过物质以后，有两种射线，即透射线和散射线。射线透过物质以后，有两种射线，即透射线和散射线。如果用如果用I来表示透过物质以后的射线总强度，来表示透过物质以后的射线总强度，Ip来表示透射线强度，来表示透射线强度，Is来表示散射线强度，用来表示散射线强度，用n来表示散射线强度来表示散射线强度Is与透射线强度与透射线强度Ip之比，即之比，即n=Is/Ip（我们称它为散射比），则有：（我们称它为散射比），则有：I=Ip+Is=Ip（1+Is/Ip）=Ip（1+n）散射比与射线能量，穿透物质种类、穿透厚度等许多因素有关。散射比与射线能量，穿透物质种类、穿透厚度等许多因素有关。平均衰减系数多色射线的
26、强度衰减：I=I0e-T 为平均衰减系数（因为不同能量的射线其衰减系数是不一样的，故引入平均衰减系数）。多色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，这样，透射射线的平均能量将高于初始射线的平均能量，此过程称为多色射线穿透物质过程的线质硬化现象。随穿透厚度的增加，线质逐渐变硬，平均衰减系数逐渐减小，而半价层逐渐增大。宽束、多色射线强度衰减规律：I=I0e-T（1+n)连续X射线的有效能量：如果连续X射线在某一穿透厚度范围内的平均衰减系数与某一能量的单色射线的衰减系数的数值相同，则可用此单色射线的能量值来表示连续x射线的平均能量，称为有效能量。1.4
27、射线照相法的原理与特点 Ip=I0e-uT Ip=I0e-u T Ip=Ipe-u(T-T)=I0e-u Te-u(T-T)Ip=I0e-u(T-T)-u T I=Ip-Ip=I0e-u T(e(u-u)T-1)I=(1+n)I0e-uT I/I=(e(u-u)T-1)/(1+n)I/I=(u-u)T/(1+n)当u=0时，I/I=u T/(1+n)称为主因对比度I0I0IpIpIpTTuuI射线照相的特点缺陷显示有直观的图像，可以长期保存；对体积类缺陷检测灵敏度高，对面积型缺陷检测灵敏度低；透照低厚度工件灵敏度高，透照大厚度工件灵敏度低；几乎适用于所有材料，特别是对表面粗糙度要求不高，材料晶粒度对其几乎不产生影响；检测成本高，检测速度慢；射线对人体有害，防护要求高。射线照相的特点谢谢谢谢 谢谢谢谢 大大大大 家家家家 !谢谢观赏谢谢观赏