第3章工業(yè)射線檢測中的射線

第3章工業(yè)射線檢測中的射線3.1射線分類按電離性質：從射線與物質的相互作用引起的電離情況可分為(致)電離輻射和非(致)電離輻射。電離輻射：任何與物質作用，直接作用或間接作用可引起物質電離的輻射。包括直接致電離粒子、間接致電離粒子。直接致電離粒子如電子、β射線、質子、α粒子等帶電粒子；間接致電離輻射如X射線和γ射線，與物質作用時能釋放直接致電離粒子或引起原子核變化。非電離輻射：不能引起物質電離的輻射。包括紅外線、微波等，能量較低，不能引起物質的電離。射線分類按帶電性質：射線可分為帶電粒子和中性輻射。帶電粒子又可分為快電子（包括核衰變中發(fā)射的正或負β粒子，以及其他過程中產(chǎn)生的具有相當能量的電子）和重帶電粒子（如質子、核衰變中產(chǎn)生的α粒子以及其他重帶電離子，他們都具有一個或多個原子質量單位并具有一定能量）。中性輻射又可分為電磁輻射（包括韌致輻射，原子的殼層電子躍遷過程中發(fā)射的特征X射線和核能級躍遷中發(fā)生的γ射線）和中子輻射（通常在自發(fā)裂變和核反應中產(chǎn)生）。3.2X射線3.2.1X射線的發(fā)現(xiàn)1895年德國物理學家倫琴研究陰極射線管中氣體放電時發(fā)現(xiàn)X射線(電子-玻璃壁)1901年倫琴獲諾貝爾物理獎X射線波長在10－8cm左右硬X射線：比0.1nm短的X射線軟X射線：比0.1nm長的X射線3.2.2X射線的性質本身不帶電，不受電場和磁場的影響穿透性：射線光子的能量大，貫穿本領強。穿透程度與射線的波長，吸收物質的性質有關。電離作用：當射線照射到物質后，構成物質的原子的最外層電子被光子沖擊而脫離原子，使原子成為陽離子。感光作用：射線能使照相底片感光。熒光作用：射線照射某些化學物質，如硫化鋅等，可以發(fā)出黃綠色或藍紫色光，停止照射，熒光消失。生物效應：生物體在射線照射下，能損害組織細胞，抑制細胞生長，甚至使細胞壞死。X射線的波粒二象性波動特性衍射干涉反射粒子特性特征表現(xiàn)為以光子形式輻射和吸收時具有的一定的質量、能量和動量。表現(xiàn)形式為在與物質相互作用時交換能量。如光電效應；二次電子等。X射線的本質X射線是電磁波。量子理論認為X射線是一種量子和光子組成的粒子流。愛因斯坦認為光是光量子流，簡稱光子。

光子與一般基本粒子的本質區(qū)別：光子的靜止質量為0，運動時才有質量，速度越大質量越大。能量動量3.2.3X射線產(chǎn)生韌致輻射韌致輻射：帶電粒子與原子(原子核庫侖場)相碰撞，發(fā)生驟然減速，伴隨產(chǎn)生的輻射?；蚍Q剎車輻射。X射線的產(chǎn)生原理高速運動的電子與金屬靶材碰撞時，發(fā)生能量轉換，電子的運動受阻失去動能，其中一小部分(1％左右)能量轉變?yōu)閄射線，而絕大部分(99％左右)能量轉變成熱能使物體溫度升高。產(chǎn)生條件燈絲

產(chǎn)生自由電子高壓

加速電子,使電子作定向的高速運動靶

在其運動的路徑上設置一個障礙物 使電子突然減速或停止,產(chǎn)生X-射線X射線的產(chǎn)生過程X射線管的陰極燈絲通過電流，被加熱到2000。C以上后發(fā)射電子，這些電子聚集在燈絲附近。當通過X射線管的陽極和陰極之間的空間后撞擊到陽極靶上。通過韌致輻射，電子的一部分動能轉化為X射線，從X射線窗口輻射出來。電子的大部分動能傳給了陽極靶，使它迅速升溫。3.2.4X射線光譜X射線譜

描述X射線強度與波長的關系曲線X射線光譜由二部分構成：

連續(xù)譜——是由波長連續(xù)變化的譜線構成。連續(xù)譜所構成的X射線稱為白色X射線(與電壓有關)，是由電子的動能直接轉化而來。

線狀譜(標識譜、特征譜)——是由譜線分立的線狀譜線構成。分立譜所構成的X射線稱為特征X射線(與靶金屬材料有關)是由電子的動能間接轉化而來。典型光譜圖

（鎢靶）

（鉬靶）鎢靶與鉬靶射線管的射線譜3.2.4.1對連續(xù)X射線譜的解釋根據(jù)經(jīng)典電動力學的理論，帶電粒子在加速(或減速)時必伴隨著輻射。電子到達靶材時，在靶核庫侖場的作用下電子的速度是連續(xù)變化的，因此輻射的X射線具有連續(xù)譜的性質。但經(jīng)典電動力學無法解釋最短波長現(xiàn)象。連續(xù)譜的特點連續(xù)譜線的強度隨波長變化而變化，在某波長上有一強度極大值。存在短波波長極限，它與靶物質種類無關，僅與加速電壓有關。(量子力學)當電壓增大時各種波長的強度隨之增大，曲線的極大值向短波方向移動。(碰撞次數(shù)和輻射光子能量增高)管電壓相同時，不同材料金屬靶的連續(xù)譜線的強度隨其原子序數(shù)的增加而增強。最大強度對應的波長量子極限假設高速電子撞擊靶時，電子能量中有p部分消耗于陽極各種不同過程的激發(fā)作用。(量子極限)意義：解決了經(jīng)典理論無法解釋最短波長的困難。上式可用來精確測定普朗克常數(shù)h。連續(xù)X射線譜的總強度X射線的強度是指垂直于X射線傳播方向的單位面積上在單位時間內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能量總和?？倧姸鹊挠嬎憬?jīng)驗公式其中i-管電流，mAZ-靶物質的原子序數(shù)

V-管電壓，kV

Ki-系數(shù)(1.1～1.4)×10-6射線強度平方反比定律

結論：空間任意一點的射線強度與該點到射線源的距離平方成反比。空間距離射線源F處的射線強度為平方反比定律：實測劑量與管電流關系實測劑量與管電流關系實測劑量與管電壓關系實測劑量與管電壓關系提高總強度方法提高管電流-單位時間撞擊靶的電子數(shù)增多提高管電壓-電子加速后能量增大，碰撞時能量轉換過程增多靶材料原子序數(shù)越高-核庫侖場越強，韌致輻射作用越強強度與管電壓、管電流和靶物質原子序數(shù)關系X射線管的轉換效率

X射線管的效率η，是指電子流能量中用于產(chǎn)生X射線的百分數(shù)，即隨著原子序數(shù)Z的增加，X射線管的效率提高，但即使用原子序數(shù)大的鎢靶，在管電壓高達100kv的情況下，X射線管的效率也僅有1﹪左右，99％的能量都轉變?yōu)闊崮堋?/p>

連續(xù)X射線強度的空間分布薄靶周圍X射線強度的角分布 當管電壓升高時，X射線最大強度方向逐漸趨向電子束的入射方向，X射線的強度分布趨于集中。連續(xù)X射線強度的空間分布厚靶的X射線空間分布

“足跟”效應(陽極效應)：愈靠近陽極，沿管長軸分布的X射線強度下降得愈多。如射線B比陰極側的射線A在陽極靶內(nèi)穿越遠，能量與強度衰減更多。3.2.4.2

特征譜及特征X射線在連續(xù)譜的基礎上疊加若干條具有一定波長的強度很大的線狀譜線。特征X射線譜的產(chǎn)生只依賴于陽極靶材料，確切的說與靶的原子結構有關，波長位置與管電壓、管電流無關。特征X射線的產(chǎn)生機理原子殼層按其能量大小分為數(shù)層，通常用K、L、M、N等字母代表它們的名稱。但當管電壓達到或超過某一臨界值時，則陰極發(fā)出的電子在電場加速下，可以將靶物質原子深層的電子擊到能量較高的外部殼層或擊出原子外，使原子電離。特征譜的產(chǎn)生機理解釋原子的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個能級。在電子轟擊陽極的過程中，當某個具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內(nèi)層電子擊出時，于是在低能級上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。較高能級上的電子向低能級上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標識 X射線譜。激發(fā)電壓如果K層電子被擊出K層，稱K激發(fā)，L層電子被擊出L層，稱L激發(fā)，其余各層依此類推。產(chǎn)生K激發(fā)的能量為WK＝hυK，陰極電子的能量必須滿足eV≥WK＝hυK，才能產(chǎn)生K激發(fā)。其臨界值為eVK＝WK，VK稱之臨界激發(fā)電壓。當管電壓(大于臨界激發(fā)電壓)增加時，連續(xù)譜和特征譜強度都增加，而特征譜對應的波長保持不變。特征譜的波長按量子理論所釋放的能量以光量子(X射線或可見光)的形式輻射出去。若有一N軌道電子躍遷到K軌道，則輻射波長 若比較小輻射可見光(原子外層電子躍遷時發(fā)生)

較大輻射X射線(原子內(nèi)層電子躍遷時發(fā)生)

不同系射線和譜線不同系射線

K系X射線：任何電子跳到K層時產(chǎn)生的X射線。 L系X射線：任何電子(外層)跳到L層時產(chǎn)生的X射線?！诿恳幌?如K系)X射線里

譜線(即線)：凡從相鄰層(L到K層)跳來的。 譜線(即線)：凡從隔層(M到K層)跳來的。 …原子軌道能級不連續(xù)，產(chǎn)生的特征X射線也是不連續(xù)。X射線譜--特征X射線譜鉬靶X射線管當管電壓等于或高于20KV時，則除連續(xù)X射線譜外，位于一定波長處還疊加有少數(shù)強譜線，它們即特征X射線譜。鉬靶X射線管在35KV電壓下的譜線，其特征x射線分別位于0.63?和0.71?處，后者的強度約為前者強度的五倍。這兩條譜線稱鉬的K系。

特征譜的特點特征譜所對應的波長與外加電壓無關。各元素的特征X射線譜有相似的結構，但各元素的特征X射線的能量值(或波長)各不相同。每一譜線都有特定的波長，電子撞擊的物質不同，這些特定波長的值也不同。特征譜只與靶元素有關，不同元素制成的靶具有不同的線狀譜。特征譜的特點特征譜可分為若干組，稱為系，每一系的譜線都有自己的特定結構和激發(fā)電壓，只有電子的加速電壓超過激發(fā)電壓時才能產(chǎn)生該系的特征譜線。當管電壓小于K系激發(fā)電壓而大于L系激發(fā)電壓時，不產(chǎn)生K系X射線而產(chǎn)生L系X射線，同時伴隨M系、N系等系X射線。特征X射線的強度特征X射線的強度隨管電流和管電壓變化，K系X射線強度為譜線強度在某一電壓下達到最大，然后下降。當管電壓高于激發(fā)電壓10-20倍時，電子深入陽極內(nèi)部，產(chǎn)生的射線被陽極大量吸收，特征譜強度下降。n取值在1.5-2內(nèi)，管電壓不超過激發(fā)電壓3-4倍。特征譜的作用注意：在工業(yè)射線檢測中，標識譜不起作用。用途： 特征X射線可用來作為元素的標識，材料成分分析，如X射線熒光光譜分析。3.2.5莫色萊定律特征X射線譜的頻率(或波長)只與陽極靶物質的原子結構有關，而與其他外界因素無關，是物質的固有特性。1913～1914年莫色萊發(fā)現(xiàn)物質發(fā)出的特征譜波長與它本身的原子序數(shù)間存在以下關系

根據(jù)莫色萊定律，將實驗結果所得到的未知元素的特征X射線譜線波長，與已知的元素波長相比較，可以確定它是何元素。它是X射線光譜分析的基本依據(jù)。3.2.6俄歇效應(Augereffect)當X射線或γ射線輻射到物體上時，由于光子能量很高，使原子內(nèi)殼層上的束縛電子發(fā)射出來產(chǎn)生空穴，而原子外殼層上高能級的電子可能躍遷到這空位上，同時釋放能量。通常能量以發(fā)射光子的形式釋放，但也可以通過發(fā)射原子中的一個電子來釋放。第二個被發(fā)射的電子叫做俄歇電子。不僅僅指X射線或γ射線該效應的機制是無輻射躍遷。例：假如在K層有一個空穴(光電效應)，當L層的一個電子躍遷到K層時，多余的能量可以釋放X射線(特征X射線)，也可以不釋放X射線，而把能量傳遞給另一層(M層)中的一個電子，這個電子就可以脫離原子，稱為俄歇電子。對輕元素，發(fā)射俄歇電子的概率較大對重元素，發(fā)射特征X射線的概率較大。3.2.7電子躍遷誘發(fā)原子核激發(fā)1973年，日本大阪大學森田正人提出一種新的能量轉移機制：當電子填充空穴時把能量傳遞給原子核，使原子核躍遷到激發(fā)態(tài)。例：鈾原子從3d3/2到2p3/2態(tài)的躍遷，將釋放能量13.44keV，可使原子核235U從基態(tài)激發(fā)到3/2+態(tài)(13.1keV)，但發(fā)生概率很小，約為10-9。3.3γ射線3.3.1γ射線的產(chǎn)生及特點產(chǎn)生：來源于放射性衰變常用工業(yè)γ射線源有鈷60、銫137、銥192、Se75等

鈷60灰色磁性金屬，熔點1480℃，密度8.9g/cm3鈷以單種同位素Co59存在，俘獲一個中子后轉變成人工放射性同位素Co60Co60不穩(wěn)定0.31(100%)5.3年1.1721.33銫137主要是經(jīng)由核裂變生成的核裂產(chǎn)物。呈銀白色、質軟、化學性質極為活潑，遇水發(fā)生爆炸，放射性較強，屬于放射性物質中毒組。Cs137通常以氯化物的形式作為射線源。Tm170(銩)當熱中子照射穩(wěn)定同位素169Tm生成170Tm,半衰期為129天。產(chǎn)生γ射線主要能量為0.084、0.052MeV，平均能量為0.072MeV

129天0.886(24%)0.0840.968(76%)銥192銥192-無損探傷檢測用伽瑪放射源之一，半衰期74天，能量0.355MeV，可以穿透10-100mm厚鋼板0.2830.4840.05715.5%

0.2830.2060.6120.2010.595(38.5%)0.8800.5890.308

0.1720.1360.4150.4680.6040.240(15.5%)0.670(42%)0.840(<0.004%)4%0.3160.295Se75有灰色金屬光澤的固體，將穩(wěn)定的元素Se74或其化合物放入反應堆中受中子照射，通過中子俘獲反應得到Se75，射線能量、強度較高的主要有0.121、0136、0.265、0.280MeV，平均能量為0.206MeV

3.3.2γ射線的強度放射性活度 常用居里作為單位。1居里(Ci)=3.7×1010/秒放射性強度隨時間的改變而改變，其變化規(guī)律服從指數(shù)衰減定律

照射強度：(又稱輻照強度，照射量率) 單位時間內(nèi)落在一定距離的照射面上(嚴格定義應為“標準狀況下，一立方厘米空氣內(nèi))的射線量，稱為照射量率或照射強度。 照射強度的常用單位為：倫琴(R)/小時 照射強度服從距離--平方反比定律

放射常數(shù)Kr的含義：放射活度為1居里的γ源，相距1米處的照射強度值。放射活度和照射強度的轉換關系放射活度和照射強度的轉換公式：

I=AKr/R2

(倫/時)

例：5居里60Co源，3米處的照射強度是多少?5居里=5000毫居里I=5(居里)×1.32(m2×R/(h×Ci))/(3m×3m)=0.73R/h

對同一種射線源，放射性活度大的源在單位時間內(nèi)將輻射更多的射線。對不同的射線源，即使放射性活度相同，也并不表示它們在單位時間內(nèi)輻射的射線光量子數(shù)目相同。3.3.3常用γ源的特性射線源Co60Cs137Ir192Tm170Se75Yb169主要能量(MeV)1.17,1.330.6620.30,0.31,0.47,0.610.084,0.0540.13,0.270.281,0.4050.0631,0.120.193,0.309平均能量((MeV)1.250.6620.3550.0720.2260.156半衰期5.27年33年74天128天120天32天常數(shù)1.320.320.4720.00140.200.125比活度中小大大中小透照厚度（鋼mm）40~20015~10010~1003~205~303~15價格高高較低中較高中3.4兩種常用工業(yè)射線的比較X射線的量X射線的強度單位時間內(nèi)，通過垂直于射線傳播方向上單位面積的X射線光子的能量。常用管電流大小代表X射線的強度；用管電流毫安數(shù)與輻射時間的乘積來衡量總輻射的能量。單位：mA.s射線強度射線強度的變化因素：強度-距離平方反比律穿過物體后的射線強度衰減規(guī)律X射線的質X射線的硬度X射線的穿透本領，表示X射線的質。它取決于X射線光子能量的大小。對于一定的吸收物質，X射線被吸收越少則穿透量越多，X射線就越硬。常用管電壓的kV數(shù)來衡量X射線的硬度。硬X射線：比0.1nm短的X射線軟X射線：比0.1nm長的X射線能量也稱線質射線能量能量的單位：eV

MeV

X射線 連續(xù)X射線的能量取決于管電壓 標識X射線的能量達到臨界電壓后與管電壓變化無關，標識X射線的能量與靶材料有關。γ射線能量(穿透力)取決于源的種類和性質。當量能：γ射線的穿透力相當于X射線同等穿透力所對應的管電壓值，稱為當量能。射線能量Co60的平均能量:(1.17MeV+1.33MeV)/2=1.25MeV(2)如何確定220kV射線的能量?先求:λmin=12.4/V=0.05636(nm)再求:最短波長所對應的射線能量

Emax=hv/λmin=0.220(MeV)即220kV管電壓產(chǎn)生的X射線光子最大能量0.22MeV(3)比較：Co60、220KV管壓發(fā)射的X射線、 15MeV加速器所產(chǎn)生的射線能量的大小。

X射線與射線的比較X射線γ射線能量可控性可控，調(diào)電壓不可控，取決于源種類強度可控性可控不可控，有衰減性能譜連續(xù)譜線狀譜產(chǎn)生方式韌致輻射放射性衰變3.5中子射線中子射線是粒子射線性質：中子是組成物質的基本粒子之一中子不帶電，不能使膠片感光中子與物質原子核作用中子的性質中子的質量中子的電荷：帶有非常小的電荷中子的放射性中子通過物質時，相當快地被原子核俘