射線檢測(cè)物理基礎(chǔ)課件

1、 射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)射線檢測(cè)初、中級(jí)人員培訓(xùn)2本章節(jié)的內(nèi)容原子與原子結(jié)構(gòu)射線的種類和性質(zhì)射線與物質(zhì)的相互作用射線照相法的原理與特點(diǎn)3第一節(jié) 原子與原子結(jié)構(gòu)一 原子 1 原子的概念: * 定義：組成單質(zhì)和化合物分子的最小微粒，是元素的具體體現(xiàn),是體現(xiàn)元素性質(zhì)的最小微粒,由原子核和核外電子構(gòu)成。 2 原子的構(gòu)成：圖11 動(dòng)畫演示 * 原子是由原子核和核外電子所構(gòu)成。 * 電子圍繞原子核作行星運(yùn)動(dòng)；電子在一定軌道上饒核運(yùn)動(dòng)。 * 原子是有質(zhì)量、有尺寸的一種粒子。 （1）質(zhì)量：幾乎集中在原子核內(nèi)，核的密度非常大！ 如果：把核集中在 1cm3 的體積內(nèi)，那么：這1cm3 的體積內(nèi)核的總重量為 108 噸

2、！ （一萬(wàn)萬(wàn)噸！）4（2）大?。涸影霃?10-8 cm 數(shù)量級(jí)。 原子核半徑 10- 13cm 數(shù)量級(jí)。如果：核的半徑為 1cm 核（1cm） 電子 *（約1000米）10-8 / 10-13 = 100000 倍（3）電荷：原子核帶正電；電子帶負(fù)電；原子為中性。（4）構(gòu)成：原子核（質(zhì)子 + 中子）+電子 數(shù)量關(guān)系：原子量 = 質(zhì)子數(shù) + 中子數(shù) A = Z + N 例：60鈷 60 = 27 + 33質(zhì)子數(shù)Z=核的正電荷數(shù)=電子數(shù)=原子序數(shù)原子結(jié)構(gòu)理論.6 3 原子結(jié)構(gòu)理論 * 20世紀(jì)初二種不同的原子結(jié)構(gòu)模型1903年：湯姆森假設(shè)：核子與電子在原子內(nèi)均勻分布 #1911年：盧瑟福模型：行

3、星分布 圖11 * 散射實(shí)驗(yàn)否定了湯姆森假設(shè)肯定了盧瑟福模型 * 盧瑟福模型不完善，1913年玻爾提出了完善的原子結(jié)構(gòu)模型 -玻爾模型. 玻爾理論（玻爾模型）的要點(diǎn)：（1）原子只能存在一些不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)，這些穩(wěn)定狀態(tài)各有一定的能量E1、E2、E3.En。處于穩(wěn)定狀態(tài)中運(yùn)動(dòng)的電子雖然有加速度，但不發(fā)生能量輻射。能量的改變，是由于吸收或 放射輻射的結(jié)果或由于碰撞的結(jié)果。 （2）原子從一個(gè)能量為En的穩(wěn)定狀態(tài)過(guò)度到能量為Em的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，它發(fā)射（或吸收）單色的輻射，其頻率決定于下列關(guān)系式（稱為玻爾頻率條件）： h（光量子能量）=En-Em En、Em分別為較高、較低能級(jí)的能量值。穩(wěn)定狀態(tài)的改變（或

4、能量的改變）是不連續(xù)的74 玻爾理論中的幾個(gè)概念： 圖11 * 基態(tài)：原子處于最低能量的狀態(tài)稱為基態(tài)，是穩(wěn)定狀態(tài)； * 激發(fā)態(tài)：電子獲得能量從低能級(jí)軌道進(jìn)入高能級(jí)軌道，該過(guò)程 稱為激發(fā)；此時(shí)原子處于高能量狀態(tài)，稱為激發(fā)態(tài)， 激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的狀態(tài)； * 原子的狀態(tài)特性：任何不穩(wěn)定狀態(tài)的原子必將自動(dòng)的回到穩(wěn)定狀態(tài)即回到基態(tài)；該過(guò)程將釋放出原子高于基態(tài)的能量，即產(chǎn)生輻射。釋放能量的過(guò)程可以一次回到基態(tài)，也可以逐次回到基態(tài)；* 躍遷：電子從一個(gè)軌道向另一個(gè)軌道的運(yùn)動(dòng)，稱為躍遷（包括從低到高；或從高到低的運(yùn)動(dòng)）；* 能級(jí)：用平行線表示核外電子所處的能量級(jí)別稱為能級(jí)，外殼層能級(jí)最高，但外殼層上的電子結(jié)合能

5、最低。8二 原子核 1 原子核的結(jié)構(gòu) * 精確的結(jié)構(gòu)模型自今尚未建立 * 多種模型并存的狀態(tài)：殼層模型，液滴模型.、 2 原子核的構(gòu)成 圖13 * 均勻分布 * 不同數(shù)量的質(zhì)子和不同數(shù)量的中子構(gòu)成不同性質(zhì)（元素）的原子核 * 原子的原子量A代表該原子的原子核的質(zhì)子和中子的總和: A = Z + N 3 原子核的電荷 正電荷=原子序數(shù) Z 4 原子核的半徑 10-13-10-12 cm 5 原子核的質(zhì)量 原子核的質(zhì)量 電子的質(zhì)量; 原子的質(zhì)量 原子核的質(zhì)量9 6 核的穩(wěn)定性 * 核的穩(wěn)定性取決于質(zhì)子與中子數(shù)量的組合 質(zhì)子與中子數(shù)量： 2、8、20、28、50、82、126 最穩(wěn)定。 7 核內(nèi)的幾

6、種作用力 * 庫(kù)侖力：庫(kù)侖力是靜電力，是電荷間的作用力 * 核力 ：存在于質(zhì)子和中子間，是核穩(wěn)定性的重要因素 核力的性質(zhì)： （1）核力與電荷無(wú)關(guān)； （2）核力是短程力； （3）核力比庫(kù)侖力約大100倍，是強(qiáng)相互作用力； （4）核力促成粒子的二種結(jié)合形式 成對(duì)結(jié)合： 質(zhì)子 + 中子 對(duì)對(duì)結(jié)合： 一對(duì)質(zhì)子 +一對(duì)中子10三 元素及元素周期律 1 元素的概念 （1）定義：具有相同核電荷的一類原子稱為元素。 例如：所有一個(gè)核電荷數(shù)的原子稱為 氫元素， 所有八個(gè)核電荷數(shù)的原子稱為氧元素. （2）元素符號(hào): 表示某種元素的一個(gè)符號(hào) A：原子量（原子質(zhì)量數(shù)）。 Z：原子序數(shù)：原子在元素周期表中的排列序號(hào)。原

7、子核所帶的正電荷數(shù)。 圖12 2 同位素 * 質(zhì)子數(shù)相同而質(zhì)量數(shù)不同的元素稱為同位素。 如：1H，2H，3H 圖12113 元素周期律 * 1869門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素周期律 * 自然定律: 玻爾理論對(duì)元素周期律的科學(xué)解釋 元素周期律揭示了：元素的性質(zhì)是隨著元素原子序數(shù)的增加而呈現(xiàn)出周期性的變化，這一變化的原因是它們的原子結(jié)構(gòu)隨著原子序數(shù)的增加而呈現(xiàn)周期變化的規(guī)律。四 放射性衰變 1 原子核的重要性質(zhì)-放射性 * 核的穩(wěn)定性概念 * 處于基態(tài)的穩(wěn)定性原子核. *處于激發(fā)態(tài)的原子核是不穩(wěn)定的。總是通過(guò)衰變釋放能量，變成另一種核素回歸到基態(tài)。 * 衰變的定義：在無(wú)外界作用下，不穩(wěn)定原子核自發(fā)釋放出中子

8、和質(zhì)子，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素的原子核，這種現(xiàn)象稱為衰變。 * 自然衰變與人工衰變 * 穩(wěn)定同位素與不穩(wěn)定同位素 * 放射性同位素與人工放射性同位素.射線和輻射射線:由各種放射性核素發(fā)射出的、具有特定能量的粒子或光子束流。 輻射：射線由射線源向外發(fā)射的過(guò)程。帶電離子貫穿物質(zhì)的本領(lǐng)較差不帶電離子電中性貫穿物質(zhì)的本領(lǐng)較強(qiáng)廣泛用于無(wú)損檢測(cè)132 衰變 * 放射性原子核釋放出粒子的過(guò)程稱為衰變，放出帶2個(gè)正電荷的氦核。 * 衰變后，原子核內(nèi)核子數(shù)的變化： 粒子是氦的原子核（He) 核內(nèi)：2個(gè)質(zhì)子，2個(gè)中子 一次衰變：質(zhì)子數(shù)減少二個(gè)，中子數(shù)減少二個(gè)，原 子量減少4。圖13 * 粒子所形成的射線是一種電離輻射。

9、 射線穿透能力很小，在空氣中也只能飛行幾個(gè)厘米，但電離能力很強(qiáng)。 3 衰變放射性原子核釋放出粒子的過(guò)程稱為衰變。* 衰變后，原子核內(nèi)核子數(shù)的變化： 粒子是電子, 一次衰變：質(zhì)子數(shù)增加一個(gè)，原子量不變。 圖13 粒子所形成的射線也是一種電離輻射。 射線是正電子流或負(fù)電子流,它穿透能力較大，可穿透幾毫米厚的鋁，但電離作用較弱。144 衰變(輻射) 放射性原子核釋放出光子的過(guò)程稱為衰變(輻射)。 衰變通常是在衰變和衰變過(guò)程中發(fā)生的。 射線的釋放不影響原子核的核子數(shù)，僅減少原子核的能量。 *并非每一個(gè)衰變和衰變都釋放光子。 射線是波長(zhǎng)很短的電磁波，穿透物體的能力很強(qiáng)，甚至可以穿透幾個(gè)厘米厚的鉛板，但電

10、離作用很小。5 人工放射性用高能粒子轟擊穩(wěn)定原子核，使其變成不穩(wěn)定的具有放射性的原子核，這些原子核具有人工放射性。* 鈷60的典型衰變 圖251.鈷60是由穩(wěn)定同位素鈷59被中子照射后形成的。2.鈷60不穩(wěn)定，放出粒子變成同位素鎳60，受激狀態(tài)的鎳60，連續(xù)放出2個(gè)各帶有1.17和1.33MeV的射線光子后變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。15原子結(jié)構(gòu)匯總16 第二節(jié) 射線的種類和性質(zhì)* 了解射線的各種性質(zhì)及應(yīng)用一、 X射線和射線的本質(zhì)與性質(zhì) 1 本質(zhì)： 電磁波 從科學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，電磁波是能量的一種，凡是能夠釋出能量的物體，都會(huì)釋出電磁波。 正像人們一直生活在空氣中而眼睛卻看不見(jiàn)空氣一樣，人們也看不見(jiàn)無(wú)處不在的電

11、磁波。電磁波為橫波。 電磁波的磁場(chǎng)、電場(chǎng)及其行進(jìn)方向三者互相垂直。振幅沿傳播方向的垂直方向作周期性交變（如圖所示），其強(qiáng)度與距離的平方成反比，波本身帶動(dòng)能量，任何位置之能量功率與振幅的平方成正比。磁能隨著電場(chǎng)與磁場(chǎng)的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去，不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量，這就是一種輻射。如太陽(yáng)與地球之間的距離非常遙遠(yuǎn)，但在戶外時(shí)，我們?nèi)匀荒芨惺艿教?yáng)光的光與熱。由于輻射強(qiáng)度隨頻率的減小而急劇下降，因此波長(zhǎng)為幾百千米（105米）的低頻電磁波強(qiáng)度很弱，通常不為人們注意。 .* X射線、射線、可見(jiàn)光、無(wú)線電波等都是電磁波 * X射線和射線是波長(zhǎng)較短的電磁波 了解波長(zhǎng)：無(wú)線電波 3000米0

12、.3毫米。紅外線 0.3毫米0.75微米?？梢?jiàn)光 0.7微米0.4微米。紫外線 0.4微米10毫微米X射線 10毫微米0.1毫微米射線 0.1毫微米0.001毫微米高能射線 小于0.001毫微米傳真（電視）用的波長(zhǎng)是36米；雷達(dá)用的波長(zhǎng)更短，3米到幾毫米。202 波動(dòng)關(guān)系：=C/ （波長(zhǎng) A），C（光速），（頻率）3 波長(zhǎng)單位： 埃 =10-10m=10-8 cm ；納米 nm=10-10m=10-7 cm. 4 性質(zhì)： （1）不可見(jiàn)，在真空中以光速傳播； （2）不帶電，不受電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響； （3）具有某些光學(xué)特性：產(chǎn)生漫反射（不能產(chǎn)生鏡面反射）和折射（折射系數(shù)近似1）； （4）能產(chǎn)生干涉和

13、衍射（在鋁合金和不銹鋼中產(chǎn)生衍射斑紋）； （5）具有極大的能量，能穿透物體； （6）能使物質(zhì)電離，能產(chǎn)生熱效應(yīng)和光化作用； （7）能殺傷生物細(xì)胞，破壞生物組織，具有輻射生物效應(yīng)。射線的種類和性質(zhì)二 X射線的產(chǎn)生及其特點(diǎn)21X射線的產(chǎn)生：陰極燈絲通電加熱-放出電子-在高壓下高速撞擊陽(yáng)極靶面-部分以X射線能量形式輻射出來(lái) 陽(yáng)極 高電壓 陰極電子-+X射線發(fā)生器曝光記錄設(shè)備X射線產(chǎn)生示意圖輻射滲透試樣22連續(xù)X射線（白色X射線，多色X射線）* X射線: 射線束中包括連續(xù)X射線和特征X射線1 產(chǎn)生機(jī)理：根據(jù)電動(dòng)力學(xué)理論，作加速運(yùn)動(dòng)（包括負(fù)加速運(yùn)動(dòng)）的帶電粒子將產(chǎn)生電磁輻射。X射線管內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)的電子與靶

14、原子碰撞時(shí)，與原子核外庫(kù)侖場(chǎng)作用，而產(chǎn)生電磁輻射，稱為韌致輻射。這種輻射又由于是電子急劇停速引起的所以又稱停速輻射圖21 2 連續(xù)X射線譜及最短波長(zhǎng)：圖22 * 根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論，韌致輻射的能量與停速時(shí)間 t成反比 E1/t t-連續(xù)變化，E-連續(xù)變化， E=h=hc / -連續(xù)變化23 * min的導(dǎo)出：電場(chǎng)能 = 電子動(dòng)能 = 光子能 + 消耗能 eV = MV2 /2= h + p 圖21 h= MV2 /2 - p= eV p 消耗能遠(yuǎn)小于光子能，故忽略消耗能,即： p 0 則 hmax eV max =eV / h ; =c/ min = hc / eV = 12.4 / V (

15、h、c、e均為常數(shù)） 單位：min：埃。 U：千伏。例： U=200kV, min =12.4 / 200= 0.062 埃24* 連續(xù)譜 變化規(guī)律： 1.管電壓變化；2.管電流變化；3.濾波的影響； 4.靶材料原子序數(shù)Z的影響。 圖223 連續(xù)X射線強(qiáng)度分布曲線及強(qiáng)度計(jì)算：圖22 * 連續(xù)譜曲線 I（） 極其復(fù)雜！總強(qiáng)度： 求面積積分* * I = I（） d = KZi V2 * min 式中：K-系數(shù) 1.1-1.410-6 /Kv Z-原子序數(shù) ； i-管電流(mA) ； V-管電壓(kV)* 影響強(qiáng)度的因素 V、Z、i管電壓、管電流變化對(duì)X射線譜的影響25大家要了解并會(huì)運(yùn)用這個(gè)公式，

16、對(duì)于特定的射線機(jī)，其強(qiáng)度與管電壓的平方成正比。曝光量EIt也就是說(shuō)曝光時(shí)間與管電壓的平方成反比。例：某單位用X射線機(jī)透照一工件，在150KV的管電壓下，曝光5分鐘，得2.5的黑度值，其它透照參數(shù)不變，現(xiàn)將管電壓提到180KV，要得到相同的黑度值(沖洗條件一樣），其曝光時(shí)間應(yīng)為多少分鐘？解：由題意已知，U1150KVt1=5E1=E2(黑度相同） U2180KV求t2=？由公式E=It I= KZi U2 可推導(dǎo)出：KZi U12t1 = KZi U22t2t2 =U12t1/U22 =(150/180)25=3.5分鐘答： 180KV時(shí)的曝光時(shí)間應(yīng)為3.5分鐘26274 連續(xù)X射線的效率（轉(zhuǎn)換

17、效率）： * 計(jì)算公式 =連續(xù)X射線強(qiáng)度 /電功率 = KZiV2 / iV = KVZ * K值：K= 1.1-1.410-9 /v； K= 1.1-1.410-6 /Kv * 影響轉(zhuǎn)換效率的因素 K、 V、 Z * 例：Z=74；V=200kV；求 =1.410-6 74200=2%5 連續(xù)X射線的空間強(qiáng)度分布：圖23 * 垂直方向不是強(qiáng)度最大方向 * 實(shí)際曝光場(chǎng)是一個(gè)橢圓 * 通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定曝光場(chǎng)的強(qiáng)度分布28三 標(biāo)識(shí)X射線（特征X射線，線狀X射線，單色X射線） 1 標(biāo)識(shí)X射線產(chǎn)生機(jī)理圖24 * 能量較大的電子入射到靶材料的原子中，與殼層電子碰撞，擊出內(nèi)電子，使原子處于激發(fā)態(tài)（吸收）；激發(fā)

18、態(tài)原子釋放能量發(fā)射光子（輻射）。即發(fā)射標(biāo)識(shí)X射線。 產(chǎn)生標(biāo)識(shí)X射線的條件：管電壓某一臨界值時(shí)，才能產(chǎn)生標(biāo)識(shí)X射線。在無(wú)損檢測(cè)中，因強(qiáng)度低，幾乎不起作用 例 ： W 靶：69.5KV 開(kāi)始產(chǎn)生標(biāo)識(shí)X射線； Mo靶：20KV 開(kāi)始產(chǎn)生標(biāo)識(shí)X射線； 2 標(biāo)識(shí)譜及其特征圖24 * 標(biāo)識(shí)X射線譜是疊加在連續(xù)譜上的單色譜。其線系為： * 入射到K層的發(fā)射K系標(biāo)識(shí)X射線， K K * 入射到L層的發(fā)射L系標(biāo)識(shí)X射線, L L. 29四 連續(xù)X射線與標(biāo)識(shí)X射線的區(qū)別 （1） 產(chǎn)生機(jī)理不同. （2） 能量與波譜不同. （3） 強(qiáng)度不同. X射線管產(chǎn)生的X射線包括：連續(xù)X射線和標(biāo)識(shí)X射線射線 1 產(chǎn)生原理原子核的

19、重要性質(zhì)-放射性貝克勒爾發(fā)現(xiàn)，射線放射性同位素產(chǎn)生或衰變之后，若仍處于高能級(jí)的激發(fā)狀態(tài)，必定要釋放多余的能量回到低能級(jí)的穩(wěn)定狀態(tài)（基態(tài)），這時(shí)發(fā)射射線釋放多余的能量，其機(jī)理是核內(nèi)能級(jí)之間的躍遷產(chǎn)生的。 。圖25302 衰變規(guī)律與半衰期 * 衰變規(guī)律： N=Noe-t 式中：No-初始狀態(tài)的放射性原子核數(shù)（或強(qiáng)度）； N -t 時(shí)間后的放射性原子核數(shù)（或強(qiáng)度）； -衰變常數(shù)。 * 并非每一次衰變都發(fā)射射線。 * 放射性同位素的能量不隨時(shí)間改變。 * 半衰期的定義：放射性同位素原子核數(shù)（或強(qiáng)度）衰變到一半時(shí)所需的時(shí)間稱為該同位素的半衰期。記以T1/2 。31* 半衰期公式的推導(dǎo)： N 1 = =

20、e-T No 2二邊取自然對(duì)數(shù)， Ln(1/2)=-T - Ln2=0.693 所以： 0.693 T= 例：Co60 T=5.3年 =0.693/5.3年=0.130/年 * 半衰期的簡(jiǎn)便計(jì)算公式 N 1 =()t/T （t/T）即有多少個(gè)半衰期 No 232 3 射線譜 -線狀譜 * 60Co: 2根； 192Ir:24根； 137Cs:1根； 圖25 4 射線的能量 能量決定穿透力 * 穿透力取決于源的種類和性質(zhì) 5 射線的強(qiáng)度 * 單位時(shí)間落到單位面積上的光子數(shù) 6 X射線和射線比較 * 相同點(diǎn) * （1）都是電磁波，本質(zhì)相同； * （2）都具有反射，折射等光學(xué)性質(zhì)； * （3）都能使

21、膠片感光； * （4）都是電離輻射能對(duì)人和生物造成危害； * （5）穿過(guò)物體時(shí)具有相同的衰減規(guī)律. 33 * 不同點(diǎn) * （1）產(chǎn)生方式不同； * （2）能量不同：X-可控，可調(diào)，取決于管電壓； * -不可控，不可調(diào)，取決于源的性質(zhì)； * （3）強(qiáng)度不同：X-可控，可調(diào)，取決于U，i, Z； * -隨時(shí)間變化； * （4）波譜形式不同。 7 工業(yè)探傷用的放射性同位素（書 P46的有關(guān)參數(shù)） * 常用源：60Co, 137Cs, 192Ir, 75Se半衰期: Co60 5.3年， Cs137 33年 ，Ir192 75天，Se75 120天 制取方式:天然；人工人工制取是利用中子轟擊使其發(fā)生核

22、反應(yīng)。核反應(yīng)不能逆轉(zhuǎn)，不能恢復(fù)！34* 制取方式: 天然； 中子激活（轟擊）：59Co+no-Co60; 191Ir+no-192Ir； 核反應(yīng)不能逆轉(zhuǎn)，不能恢復(fù)！ 核裂變：137Cs: 235U裂變生成137Cs. 35六 波粒二象性 1 波動(dòng)特性 :電磁波和機(jī)械波二大類波；無(wú)質(zhì)量、無(wú)電荷的振動(dòng)傳播 具有波長(zhǎng)、波速、頻率； C= 2 粒子特性 ：粒子，粒子，中子，質(zhì)子等有質(zhì)量的粒子發(fā)射。量子化能量 E= h 一份一份傳播 3 波粒二象性的體現(xiàn)： E= h= hc/ 4 波粒二象性的推廣：一切微觀粒子都具有波粒二象性 5 X射線，射線，中子射線，射線，射線.具有 波粒二象性 36七 射線的種類

23、及其在探傷中的應(yīng)用 1 種類： （1） 電磁波類：X射線，射線，以及紅外線，紫外 線，微波等. ， （2） 粒子類：射線，射線（電子射線），質(zhì)子射 線，中子射線等 . 2 中子射線的衰減特性： （1）衰減系數(shù)與Z 之間沒(méi)有規(guī)律; （2）有些重元素中衰減小，有些輕元素中衰減大。 3 應(yīng)用 * 內(nèi)部缺陷的探測(cè)：X,中子 * 表面缺陷的探測(cè)：微波，紅外線，激光 * 特殊結(jié)構(gòu)的探測(cè)：炮彈（中子） * 金屬構(gòu)件的探測(cè)：X,中子 * 非金屬構(gòu)件的探測(cè)：微波，激光37八 射線的能量與強(qiáng)度 * 能量與強(qiáng)度是一種力量的量度，能量是力量的質(zhì)的體現(xiàn)；強(qiáng)度是力量的量的體現(xiàn)。 * 射線對(duì)物體的穿透和對(duì)膠片的感光，是其能

24、量和強(qiáng)度的具體表現(xiàn)，因此透徹的理解能量與強(qiáng)度概念，是十分重要的。如紅燈、黃燈代表不同波長(zhǎng),即不同能量。而這些燈可以有5w,50w,500w,這代表強(qiáng)度 。1 能量 * 射線的穿透力取決于射線的能量,能量也可稱為線質(zhì)； * 能量的單位：ev 或 爾格 1ev=1.6x10-12 爾格。 * X射線（光子）能量的表達(dá)與計(jì)算 * E = h = hc / = 0.0124/ * 或 = 0.0124 / E * 以上二式中，E的單位：Mev; 的單位：埃。 * 或者 = 12.4 / E（與min=12.4/U 有本質(zhì)區(qū)別） * 這里： E的單位：Kev; 的單位：埃。38 * 連續(xù)X射線的能量取決

25、于管電壓； * 標(biāo)識(shí)X射線的能量達(dá)到臨界電壓后與管電壓變化無(wú)關(guān)； * 標(biāo)識(shí)X射線的能量與靶材料有關(guān)； * 射線的能量（穿透力）取決于源的種類和性質(zhì)； * 60Co： 1.17Mev 1.33Mev。 137 Cs: 0.66Mev * 192Ir: 0.35Mev（實(shí)際上有12組不同的能量） * 平均能量 Co60: （1.17Mev+1.33Mev ）/2=1.25Mev * 當(dāng)量能：射線的穿透力相當(dāng)于X射線同等穿透力所對(duì) 應(yīng)的管電壓值，稱為當(dāng)量能。39如何確定220KV射線的能量： * 先求 :min = 12.4 / U= 0.05636(AO ) * 再求 :最短波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的射線能量

26、* Emax= hc/ min=0.220 (Mev) C(光速)-3 *108m/s * 即： 220kv管電壓產(chǎn)生的X射線光子最大能量0.22Mev。強(qiáng)度 * 射線對(duì)膠片的感光取決于它的強(qiáng)度。 在日常生活中我們經(jīng)常碰到強(qiáng)度這一概念，但大家恐怕對(duì)強(qiáng)度這一概念的具體定義或含意不一定了解準(zhǔn)確。力學(xué)性能中的強(qiáng)度，電流強(qiáng)度（電流），電場(chǎng)強(qiáng)度，聲強(qiáng)、壓強(qiáng)，光強(qiáng)等都是強(qiáng)度，均與面積密切相關(guān)，是單位面積存在或通過(guò)多少的一個(gè)量度，是一個(gè)統(tǒng)計(jì)概念。就燈泡來(lái)說(shuō)，一定瓦數(shù)的燈，決定了它發(fā)出可見(jiàn)光的根數(shù)大小，靠近燈我們會(huì)感覺(jué)發(fā)熱，是因?yàn)槲覀冊(cè)趩挝幻娣e上接收的根數(shù)多。* 強(qiáng)度的量度：計(jì)數(shù)器，次/秒。 * 強(qiáng)度的量度常

27、用相對(duì)強(qiáng)度，相對(duì)強(qiáng)度無(wú)量綱。 絕對(duì)強(qiáng)度常用次/秒 或 倫琴。* 強(qiáng)度的變化因素： （A） 強(qiáng)度-距離平方反比律I1/ I2=(F2/ F1)2 （B） 穿過(guò)物體后的強(qiáng)度衰減規(guī)律 連續(xù)X射線的強(qiáng)度 I =KZiU24041* 射線的強(qiáng)度 射線的強(qiáng)度有二個(gè)不同的概念 （A）放射強(qiáng)度：（又稱活度，活性）放射性同位素單 位時(shí)間產(chǎn)生衰變的次數(shù)稱為放射強(qiáng)度。常用居里 作為單位。 1居里（Ci)=3.71010 次/秒 * 放射強(qiáng)度隨時(shí)間的改變而改變，其變化規(guī)律為： * I=Ioe -t * 比活度：每克放射性物質(zhì)的放射強(qiáng)度稱為比活度。 單位： 居里/克。42 （B）照射強(qiáng)度：（又稱輻照強(qiáng)度，照射量率）單位

28、時(shí)間內(nèi)落在一定距離的照射面上(嚴(yán)格定義應(yīng)為“標(biāo)準(zhǔn)狀況下，一立方厘米空氣內(nèi)）的射線量，稱為照射量率或照射強(qiáng)度。 照射強(qiáng)度的常用單位為 ： 倫琴（R）/小時(shí)。 * 照射強(qiáng)度的變化規(guī)律： （A）距離-平方反比律 ； （B）穿過(guò)物體時(shí)的衰減規(guī)律 （3）放射強(qiáng)度和照射強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換關(guān)系(在以后的章節(jié)中有）43第三節(jié) 射線與物質(zhì)的相互作用 一、射線通過(guò)物質(zhì)的衰減射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)中的原子發(fā)生撞擊、產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換，引發(fā)能量的衰減和以下種種物理效應(yīng)。1、射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用主要有三種過(guò)程：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)的產(chǎn)生。 這三種過(guò)程的共同點(diǎn)是都產(chǎn)生電子， 然后電離或激發(fā)物質(zhì)中的其他原子；

29、此外，還有少量的瑞利散射。光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)隨射線能量的增加而減少，電子對(duì)的產(chǎn)生則隨射線能量的增加而增加，四種效應(yīng)的共同結(jié)果是使射線在透過(guò)物質(zhì)時(shí)能量產(chǎn)生衰減。 每束射線都具有能量為E=hv的光子。光子運(yùn)動(dòng)時(shí)保持著它的全部動(dòng)能。 光子能夠撞擊物質(zhì)中原子軌道上的電子，若撞擊時(shí)光子釋放出全部能量，將所有能量傳給電子，使其脫離原子而成為自由電子，光子本身消失。 這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光子的一部分能量把電子從原子中逐出去，剩余的能量則作為電子的動(dòng)能被帶走，于是該電子可能又在物質(zhì)中引起新的電離。當(dāng)光子的能量低于1 MeV時(shí)，光電效應(yīng)是極為重要的過(guò)程。（1） 光電效應(yīng) 光電效應(yīng) 光電子光子光電效應(yīng)的特點(diǎn)光

30、子消失。能量全部轉(zhuǎn)移到光電子上。伴有特征射線產(chǎn)生（電子躍遷輻射）。由于內(nèi)層軌道電子被出軌道，在內(nèi)層軌道上產(chǎn)生空位，外層軌道上的電子將躍遷到內(nèi)層軌道去補(bǔ)充空位，并釋放出多余的能量，產(chǎn)生熒光（特征）X射線，或稱熒光輻射。發(fā)生概率與光子能量和物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)。低能光子與高原子序數(shù)的物質(zhì)原子作用時(shí)，發(fā)生光電效應(yīng)的概率較高。光電子的發(fā)射方向與光子能量有關(guān)。光子能量越高，光電子發(fā)射的方向越接近光子的入射方向。 （2） 康普頓效應(yīng) 在康普頓效應(yīng)中，一個(gè)光子撞擊一個(gè)電子時(shí)只釋放出它的一部分能量，結(jié)果光子的能量減弱并在和射線初始方向成角的方向上散射，而電子則在和初始方向成角的方向上散射。這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)

31、。 這一過(guò)程同樣服從能量守恒定律， 即電子所具有的動(dòng)能為入射光子和散射光子的能量之差， 最后電子在物質(zhì)中因電離原子而損失其能量?？灯疹D效應(yīng) 反沖電子 光子 康普頓效應(yīng)的特點(diǎn)主要與受原子核束縛較弱的外層軌道電子和自由電子相互作用；有反沖電子產(chǎn)生；光子能量降低且改變方向形成散射線；這種散射線在探傷中對(duì)射線照相質(zhì)量影響最大。發(fā)生康普頓效應(yīng)的概率與光子能量和物質(zhì)的原子序數(shù)相關(guān)；原子序數(shù)低的元素康普頓效應(yīng)發(fā)生的可能性很高；對(duì)中等能量的光子，康普頓效應(yīng)對(duì)各種元素都是主要的作用。（3） 電子對(duì)的產(chǎn)生 在原子核場(chǎng)的作用下，一個(gè)具有足夠能量的光子釋放出它的全部動(dòng)能而轉(zhuǎn)化具有同樣能量的一對(duì)正負(fù)電子，光子則完全消失

32、，這樣的過(guò)程稱為電子對(duì)的產(chǎn)生。 產(chǎn)生電子所需的最小能量為0.51 MeV，所以光子能量hv必須大于等于1.02 MeV。 電子對(duì)的產(chǎn)生和消失 電子對(duì)效應(yīng)的特點(diǎn)產(chǎn)生電子對(duì)。光子能量必需大于1.02MeV。產(chǎn)生一對(duì)正負(fù)電子所需要的能量是1.02MeV，其余能量轉(zhuǎn)化為電子的動(dòng)能。正電子的壽命很短，在產(chǎn)生后的極短時(shí)間內(nèi)會(huì)與附近的負(fù)電子結(jié)合而消失，與之同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)能量分別為0.51MeV的光子向相反方向輻射出去。這個(gè)現(xiàn)象稱為電子湮沒(méi)。發(fā)生電子對(duì)效應(yīng)的幾率與物質(zhì)原子序數(shù)的平方成正比，近似與光子能量的對(duì)數(shù)成正比，所以電子對(duì)效應(yīng)在光子能量較高、原子序數(shù)較高時(shí)是一種重要的作用。湯姆遜效應(yīng) （4）瑞利散射射線與物

33、質(zhì)中帶電粒子相互作用，產(chǎn)生與入射射線波長(zhǎng)相同的散射線的現(xiàn)象叫做湯姆遜效應(yīng)。這種散射線可以產(chǎn)生干涉， 能量衰減十分微小。 瑞利散射同樣也是光子與核外軌道電子相互作用的過(guò)程。與光電效應(yīng)不同的是，軌道電子被光子擊出軌道后，又躍回原來(lái)的軌道，同時(shí)釋放出一個(gè)與入射光子能量相同的一個(gè)光子（光子能量可忽略不計(jì)）。 光子與物質(zhì)相互作用的比較效 應(yīng)光子能量作用對(duì)象作用產(chǎn)物光電效應(yīng)較低內(nèi)層軌道電子光電子俄歇電子熒光射線康普頓效應(yīng)中等 外層軌道電子、自由電子散射光子反沖電子電子對(duì)效應(yīng)1.02MeV原子核或電子正負(fù)電子對(duì)瑞利散射低內(nèi)層軌道電子光子光子和物質(zhì)間的相互作用與光子能量及物質(zhì)原子序數(shù)之間的關(guān)系：A. 吸收：主

34、要是電子獲取了光子的全部或部分能量，光子的能量降低或消失，而電子的能量又被物質(zhì)吸收。 B. 散射：光子與核外電子相互作用后，失去部分能量，且改變傳播方向，形成散亂射線。 C. 衰減：由于光子能量被物質(zhì)吸收，或改變傳播方向，致使直接透過(guò)物體的一次射線強(qiáng)度低于入射射線強(qiáng)度，這稱為射線強(qiáng)度發(fā)生了衰減。 衰減 = 吸收 + 散射2 射線的衰減穿過(guò)物體后透射射線的組成：入射線一次射線熒光輻射散射線電子（熒光電子、反沖電子、電子對(duì)）55六 窄束，單色射線的強(qiáng)度衰減規(guī)律 1 概念* 窄束：不包括散射線在內(nèi)的穿過(guò)射線束* 單色：由單一波長(zhǎng)組成的射線束成為單色射線； 2 衰減規(guī)律： I=Io e -d 3 線衰

35、減系數(shù)： d=1 =Ln(Io/I) 的物理意義： 穿過(guò)1cm厚的物體時(shí)，穿過(guò)前后射線強(qiáng)度比值的自然對(duì)數(shù)，即為線衰減系數(shù)。線衰減系數(shù)的構(gòu)成 ：因?yàn)椋汗怆娦?yīng)，康普頓效應(yīng)，電子對(duì)效應(yīng)是造成射線衰減的主要原因，所以線衰減系數(shù)包含三個(gè)效應(yīng)的作用。因此： =光電+康普頓+電子對(duì)56膠片吸收體工件吸收體窄束射線的產(chǎn)生工件膠片寬束射線所謂單色射線是指：能量（波長(zhǎng)）單一的射線。所謂窄束射線是指：在射線穿過(guò)物質(zhì)后到達(dá)膠片的只有直透射線，而沒(méi)有其它散亂射線的射線束。57質(zhì)量衰減系數(shù) m= /線衰減系數(shù)除以物質(zhì)密度所得的值* 混合物的質(zhì)量衰減系數(shù)等于各部分質(zhì)量衰減系數(shù)與其 含量百分比乘積的總和： / = （1/1

36、 ） 1+（ 2/2 ）2+. /的變化規(guī)律 m =/= KZ33 所以：I=Io e - kZ33d對(duì)同樣能量的射線，物質(zhì)原子序數(shù)越大，物質(zhì)的密度越大，射線在物體中受到的衰減越大；對(duì)不同能量的射線，穿過(guò)同一物體時(shí)，能量低的射線將受到更大的衰減。6 半值層 * 穿過(guò)物體后的射線強(qiáng)度為入射強(qiáng)度一半時(shí)的穿透厚度，稱為半值層（又可稱為半價(jià)層，半衰減層等），記為Th。 58* * Th的計(jì)算 * I=Io e-d 1/2=I / Io = e-Th 二邊取自然對(duì)數(shù) Th=Ln2 / =0.693/ 這里：=KZ33 Th的簡(jiǎn)便算法I/ Io=（1/2）N N=d/Th （計(jì)算有多少個(gè)半值層）影響半值層

37、T1/2的因素：能量愈大（愈?。?，半值層愈厚；半值層不是一個(gè)常數(shù).,只有射線波長(zhǎng)為常數(shù)時(shí)半值層才可能是一個(gè)常數(shù)。對(duì)于寬束多色X射線（工業(yè)探傷用X射線），因?yàn)橛啥喾N能量成分的X射線組成，大部分波長(zhǎng)較長(zhǎng)，能量較低的X射線經(jīng)過(guò)一個(gè)半價(jià)層后，已被吸收或衰減掉，此時(shí)強(qiáng)度衰減一半所需要的厚度值較小，剩余能量較高的X射線再繼續(xù)穿過(guò)物質(zhì)，強(qiáng)度再衰減一半所需要的厚度值與第一半價(jià)層相比就要大些，因此，對(duì)于特定管電壓下的寬束多色X射線而言，半價(jià)層厚度數(shù)值隨半價(jià)層序數(shù)值的增大而增大。另外，半價(jià)層厚度數(shù)值隨透照能量的增大而增大。59七 寬束多色射線的強(qiáng)度衰減規(guī)律 * 1 寬束：包括散射線在內(nèi)的射線束稱為寬束； * 多色

38、：包括所有波長(zhǎng)的連續(xù)X射線稱為多色或白色。60612 散射線與散射比 圖33 * 散射線的組成：康普頓散射；瑞利散射等。 * n-散射比 Is（散射線）=nIp （一次透射射線） n=Is / Ip 其大小與射線能量，穿透物質(zhì)種類、 厚度等有關(guān)。 * 散射源：工件（最大散射源）；地面；周圍物品。 * 散射線的屏蔽：鉛增感；濾板；底部墊鉛板.3 寬束單色射線的強(qiáng)度衰減規(guī)律 * I（寬束） = Is（散射線） + Ip（窄束） * =nIp+Ip=（1+n）Ip=（1+n）Ioe-d 4 寬束多色射線的強(qiáng)度衰減規(guī)律 * I（寬束） = Is（散射線） + Ip（窄束） * =nIp+Ip=（1+n

39、）Ip=（1+n）Ioe -d * 這里： -平均衰減系數(shù) 625 線質(zhì)硬化（連續(xù)X射線均勻化） 線質(zhì)：線質(zhì)是射線能量（或穿透力）的度量，能量（或穿透力）大的，可稱為線質(zhì)硬；反之則稱為線質(zhì)軟。 連續(xù)X射線的波長(zhǎng)：從min- 圖22 波長(zhǎng)不連續(xù) 是變量 計(jì)算困難 通過(guò)加濾板的方法，濾去軟射線部分使連續(xù)X射線的和趨于常數(shù)，這一過(guò)程稱為線質(zhì)硬化或連續(xù)X射線均勻化。 圖34*有效能量：平均衰減系數(shù) 與某一能量的單色射線的衰減系數(shù)的數(shù)值相同，則可用此單色射線的能量值來(lái)表示連續(xù)X射線的平均能量，該能量又稱為有效能量。63第四節(jié) 射線照相法的原理與特點(diǎn)* 射線檢測(cè)方法的分類與基本原理一 射線檢測(cè)方法的分類

40、1 按射線種類分 * 電磁輻射： X射線； 射線； 散射線 * 粒子輻射： 中子射線； 射線（電子射線） 2 按觀察方式分 * 膠片照相法； 相紙照相法； 熒屏實(shí)時(shí)法 3 按能量分 * 高能射線； 低能射線 4 按成像方式分 * 二維平面成像； 三維層析攝影 5 按檢測(cè)功能分 * 工業(yè)探傷； 測(cè)厚 ； 應(yīng)力分析64二 射線照相法原理底片圖像構(gòu)成的二個(gè)基本因數(shù)：黑度與形狀 決定黑度的是射線的強(qiáng)度變化 決定形狀的是射線的幾何投影射線在穿透物體過(guò)程中會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因吸收和散射而使其強(qiáng)度減弱，強(qiáng)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

41、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(guò)射線強(qiáng)度就會(huì)與周圍產(chǎn)生差異。把膠片放在適當(dāng)位置使其在透過(guò)射線的作用下感光暗室處理后得到底片，底片上各點(diǎn)的黑化程度取決于射線照射量（射線強(qiáng)度和照射時(shí)間的乘積）。 TTIoIoIdId當(dāng)時(shí)，忽略，則得如下近似公式：I/ I定義為主因?qū)Ρ榷龋ㄖ饕蛞r度）定義主因?qū)Ρ榷葹椤按┻^(guò)被檢體被選定的一些部分后射線強(qiáng)度之比（或此比的對(duì)數(shù)）”，射線強(qiáng)度差異是底片產(chǎn)生對(duì)比度的根本原因 。影響主因?qū)Ρ榷鹊闹饕驍?shù) 由=K3 Z3 公式可知： 影響主因?qū)Ρ榷鹊闹饕驍?shù)是：，Z，T，n。 672 幾何投影原理 圖42 * 放大 * 重疊 * 畸變?nèi)?射線照相法的特點(diǎn) 1 適用范圍 * 適用的材料：金屬材料；非金屬材料；復(fù)合材料； * 適用的厚度（以鋼為當(dāng)量厚度）： * 420KV的X射線機(jī)：8 0 mm 以內(nèi) * CO60：150 mm 以內(nèi) * 加速器：500 mm 以內(nèi) * 適用各種加工方式