ii級(jí)培訓(xùn)射線檢測(cè)物理基礎(chǔ)

1、,射線檢測(cè)浙江省特種設(shè)備無(wú)損檢測(cè)人員RT-II培訓(xùn)課程杭州杭氧股份有限公司 嚴(yán)林權(quán)聯(lián)系方式：13958082963Email: JWY1016@163.com,第一章 射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ),1 原子與原子結(jié)構(gòu)（研究物質(zhì)） (1)元素與原子 世界上一切物質(zhì)都是元素構(gòu)成。 如：水（H2O）由氫（H）和氧（O）兩種元素構(gòu)成；鋼由鐵（Fe）和碳（C）等幾種元素構(gòu)成。每種元素都用特定的符號(hào)來(lái)表示。元素有天然的和人

2、工制造的兩種。元素的存在形式是原子，原子是體現(xiàn)元素性質(zhì)的最小微粒。原子的質(zhì)量極其微小，為了方便起見，一般用原子量來(lái)表示原子的質(zhì)量。原子量就是某元素的原子的平均質(zhì)量相對(duì)于126C的質(zhì)量的1/12的比值。原子的構(gòu)成：由一個(gè)位于原子中心的原子核和幾個(gè)核外電子組成。原子核帶正電，核外電子帶負(fù)電。兩者所帶的電荷數(shù)相等。即核電荷數(shù)與核外電子數(shù)相等。原子核的構(gòu)成：由若干質(zhì)子和若干中子構(gòu)成。質(zhì)子帶正電，中子不帶電。有幾個(gè)質(zhì)子就帶幾個(gè)正電。整個(gè)原

3、子核因質(zhì)子帶正電而帶正電。在元素周期表中，元素的次序是按核電荷數(shù)排列的，因此，原子序數(shù)等于核電荷數(shù)。根據(jù)以上所述，構(gòu)成下式： 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),,,,原子核++ ++,,-電子,,,,-電子,-電子,-電子,,射線檢測(cè)研究的對(duì)象：1射線2工件與膠

4、片（物質(zhì)）3射線如何與工件作用的？,,,,,,射線源,工件,膠片,一種元素可包含有多種核素。同一種元素必定具有相同的核電荷數(shù)或質(zhì)子數(shù)，但中子數(shù)不一定相同，不同的中子數(shù)就構(gòu)成不同的原子。如：氫元素有三種原子，氕、氘、氚。同位素：質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的各種原子互為同位素。核素可分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定的兩類，不穩(wěn)定的核素稱為放射性核素。它能自發(fā)地放出某些射線——α、β或γ射線，而變成另一種元素。放射性核素可分為天然的和人工制造的兩類。當(dāng)前

5、射線檢測(cè)所用的γ射線源均為人工放射性核素。2 核外電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律原子理論的發(fā)展：A 道爾頓原子理論：原子是物質(zhì)的最小單元，不可分割的。B 湯姆遜原子理論：正電荷平均分布在整個(gè)原子中，而電子則平均分布在這些正電荷之間。C 盧瑟福原子理論：帶正電的原子核在原子中心，若干個(gè)帶負(fù)電的電子在核外繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)。D 玻爾原子理論：帶正電的原子核在原子中心，若干個(gè)帶負(fù)電的電子在核外繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)。但電子是沿各自的軌道繞核運(yùn)行，各條軌道有

6、著不同的能量狀態(tài)（能級(jí)）。在盧瑟福原子理論的基礎(chǔ)上引入了軌道和能級(jí)的概念。與現(xiàn)代原子理論最為接近?；鶓B(tài)：正常情況下電子總是在能級(jí)最低的軌道上運(yùn)行時(shí)的原子狀態(tài)。躍遷：當(dāng)原子從外界吸收一定能量時(shí)，電子就由最低能級(jí)跳到較高能級(jí)的過程 。 發(fā)生躍遷后，原子處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)。電子將再回到較低能級(jí)，并釋放出光子，光子的能量正好是兩個(gè)能級(jí)的能級(jí)差。,3 原子核結(jié)構(gòu) 原子核由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構(gòu)成。原子核

7、體積為原子半徑的萬(wàn)分之一，而質(zhì)量且占原子質(zhì)量的99%以上。所以原子是一個(gè)極其空曠的結(jié)構(gòu)，在射線與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)給部分射線穿過物質(zhì)而不與射線發(fā)生作用造成了可能。 原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子是處于運(yùn)動(dòng)中的，因而原子核具有角動(dòng)量和磁矩，也具有能級(jí)概念。但應(yīng)區(qū)別于電子軌道的能級(jí)。兩者之間的其中一個(gè)區(qū)別是能級(jí)之間的能量差值具有巨大不同，電子軌道能級(jí)差一般是幾ev到幾千ev，而核內(nèi)能級(jí)差一般是幾千ev到十幾兆ev。 核內(nèi)質(zhì)子和

8、中子是以核力結(jié)合在一起的。（地球和太陽(yáng)是萬(wàn)有引力，電子和原子核之間是庫(kù)侖力） 核力的性質(zhì)：（1）核力與電荷無(wú)關(guān)；（2）核力是短程作用力；（3）核力是一種強(qiáng)作用力，是庫(kù)侖力的100倍；（4）核力能促成粒子的成對(duì)結(jié)合以及對(duì)對(duì)結(jié)合。 采用人為的方法，以中子、質(zhì)子或其它基本粒子轟擊原子核，改變核內(nèi)質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)，可以制造出新的核素。 核素有穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的兩種，不穩(wěn)定的核素會(huì)自發(fā)蛻變，變成另一種核

9、素，同時(shí)放出各種射線，這種現(xiàn)象稱為放射性衰變。,放射性衰變的三種模式：（1） α衰變 放出帶兩個(gè)正電的42He（氦）,衰變后形成的子核，核電荷數(shù)較母核減2，即在元素周期表上前移兩位，而質(zhì)量數(shù)較母核減少4。（2） β衰變?chǔ)?衰變，母核放出電子，衰變后子核的質(zhì)量數(shù)不變，而核電荷數(shù)增加1，即在元素周期表上 后移一位；軌道電子俘獲，母核俘獲核外軌道上的一個(gè)電子（最常見的是俘獲K層電子，稱為K俘獲），核中的一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)為中子，即在元素周期

10、表前移一位。（ 3）γ衰變 放出波長(zhǎng)很短的電磁輻射。衰變前后核的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)均不發(fā)生改變。且總是伴隨著α衰變和β衰變而發(fā)生。1.2 射線的種類和性質(zhì)1 X射線和γ射線的性質(zhì)相同點(diǎn)：（1）都是電磁波，在真空中以光速傳播；（2）本身不帶電，不受電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響；（3）在媒質(zhì)界面上只能發(fā)生漫反射；（4）可以發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象；（5）不可見，能夠穿透可見光不能穿透的物質(zhì)；（6）在物質(zhì)作用過程中，會(huì)與物質(zhì)發(fā)生復(fù)雜的物理

11、和化學(xué)作用；（7）具有輻射效應(yīng)，能夠殺傷生物細(xì)胞，破壞生物組織。,不同點(diǎn)：（1）產(chǎn)生方式不同， X射線是高速電子轟擊陽(yáng)極靶產(chǎn)生的； γ射線是放射性核素衰變產(chǎn)生的。（2）能量不同 X射線能量可調(diào)，取決于管電壓； γ射線能量不可調(diào)，取決于源種類。（3）強(qiáng)度不同， X射線強(qiáng)度決于管電壓和管電流； γ射線強(qiáng)度隨時(shí)間的推移按指數(shù)規(guī)律減弱。（4）波譜不同 X射線波譜是連續(xù)譜；

12、 γ射線波譜是線狀譜。2 X射線的產(chǎn)生及其特點(diǎn),（1）X射線的產(chǎn)生方式：1）燈絲通電發(fā)熱，燈絲周圍聚集大量電子；2）電子被陰極罩聚焦成一定形狀；3）在陰極和陽(yáng)極之間的高壓驅(qū)駛下，電子高速奔向陽(yáng)極；4）高速電子撞擊陽(yáng)極靶，被突然遏止，電子動(dòng)能被轉(zhuǎn)化為熱能和X射線。（2） 韌致輻射：帶電粒子在加速或減速時(shí)必然伴隨著電磁輻射，當(dāng)帶電粒子與原子核庫(kù)侖場(chǎng)相互作用發(fā)生驟然減速時(shí)，由此伴隨產(chǎn)生的輻射。（3）X射線的波譜特點(diǎn)

13、：由連續(xù)譜和標(biāo)識(shí)譜兩部分組成 連續(xù)譜：即波長(zhǎng)連續(xù)變化，它的最短波長(zhǎng)只與外加電壓有關(guān)； 為什么會(huì)連續(xù)呢？ 標(biāo)識(shí)譜：也叫特征譜，只與靶材料有關(guān)。,,,,,,,,,,-,+,+,-,,,,,射線,（4）連續(xù)譜最短波長(zhǎng)的計(jì)算： 電子的動(dòng)能E=eV 全部轉(zhuǎn)化為電磁輻射的能量E=hν，則該輻射的波長(zhǎng)λmin為： eV=hν=hc/ λmin

14、 λmin=hc/eV=12.4×10-7/V=12.4/V(Å)式中 h 普朗克常數(shù)，6.626×10-34Js c 光速 3×108m/s e 電子電量，1.6×10-

15、19C V 管電壓，kV （5）產(chǎn)生的X射線總強(qiáng)度：It=KiZiV2 Ki 比例常數(shù)1.1~1.4×10-6從上式可以看出，產(chǎn)生的X射線強(qiáng)度與下列三個(gè)因素有關(guān)系： 1）管電壓 2）管電流 3）靶材料原子序數(shù)產(chǎn)生的X射線效率：η=KiZV 與管電壓和靶材料原子序數(shù)有關(guān)

16、 100 kV時(shí)，η約為1%；200 kV時(shí)約為2%；通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，高速電子的能量絕大部分轉(zhuǎn)化為熱量，只有小部分轉(zhuǎn)化X射線。所以應(yīng)及時(shí)對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行冷卻。,（6）標(biāo)識(shí)譜的產(chǎn)生和特點(diǎn)：標(biāo)識(shí)譜的產(chǎn)生條件： X射線管的管電壓必須超過激發(fā)電壓Vk。 激發(fā)電壓Vk一般都較低，如鎢靶為69.51kV，鉬靶為20kV。故實(shí)際檢測(cè)時(shí)，一般都伴隨有標(biāo)識(shí)X射線產(chǎn)生。標(biāo)識(shí)譜的產(chǎn)生機(jī)理：如果X射線管的管電壓超過Vk,陰極發(fā)射的電子可

17、以獲得足夠的能量，它與陽(yáng)極靶相撞時(shí)，可以把靶原子的內(nèi)層電了驅(qū)逐出殼層之外，使該原子處于激發(fā)態(tài)。此時(shí)外層電子將向內(nèi)層躍遷，同時(shí)放出1個(gè)光子（即標(biāo)識(shí)X射線），光子的能量等于發(fā)生躍遷的兩能級(jí)之差。一般躍遷常發(fā)生在K系列層電子上。標(biāo)識(shí)X射線強(qiáng)度只占X射線總強(qiáng)度的極少一部分，在實(shí)際檢測(cè)中，基本不予考慮。3 γ射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)（1）γ射線的產(chǎn)生方式：放射性同位素經(jīng)過α衰變和β衰變后，在激發(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，是核內(nèi)能級(jí)之

18、間的躍遷。（2）γ射線與標(biāo)識(shí)X射線的不同：γ射線是核內(nèi)能級(jí)之間的躍遷后產(chǎn)生的電磁輻射，其能量一般是幾千ev到十幾兆ev。標(biāo)識(shí)X射線是核外電子層之間的躍遷后產(chǎn)生的電磁輻射，其能量一般是幾ev到幾千ev。（3） γ射線的能量由放射性同位素的種類決定的（4） γ射線的波譜是線狀譜。,（5）放射性同位素的衰減 N=N0e-λT N0 原有原子核數(shù)量

19、 N 經(jīng)過T時(shí)間后，衰變的原子核數(shù)量 λ 衰變常數(shù)，它反映了放射性同位素的固有屬性， λ值越大，衰變?cè)娇臁?上式說(shuō)明放射性同位素的衰減呈指數(shù)衰減規(guī)律。半衰期T1/2 ：表示放射性同位素衰變掉原有核數(shù)一半所需的時(shí)間。 從上面的公式可以得到T1/2 =0.693/λ半衰期T1/2也反映了放射性同位素的固有屬性， λ值越大， T1/2越小，衰變?cè)娇臁? 波粒二象性電磁輻

20、射既有波動(dòng)性也有粒子性一種現(xiàn)象。波動(dòng)性：有波長(zhǎng)、頻率，會(huì)衍射、散射等。粒子性：光能量，會(huì)光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)等。5 射線的種類（1）X和γ射線 穿透能力強(qiáng)（2）電子射線和β射線（3）質(zhì)子射線和α射線 α射線 電離能力最強(qiáng)（4）中子射線 容易穿透高原子序數(shù)物質(zhì)而難穿透低原子序數(shù)物質(zhì),6 常用放射性同位素,1.3 射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)相互作用的結(jié)果：強(qiáng)度減弱，

21、且服從指數(shù)衰減規(guī)律強(qiáng)度減弱的原因：吸收與散射吸收：光子能量被吸收，并轉(zhuǎn)換為其它形式的能量，有光電效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)；散射：光子的運(yùn)動(dòng)方向改變，能量傳遞或改變，有康普頓效應(yīng)、瑞利散射。（1）光電效應(yīng) 光子與原子的束縛電子作用時(shí)，光子把全部能量轉(zhuǎn)移給某個(gè)束縛電子，使之發(fā)射出去，而光子本身消失掉，這一過程稱為光電效應(yīng)。發(fā)射出去的電子叫光電子。光電效應(yīng)發(fā)生的前提：入射光子的能量Ee應(yīng)大于電子層殼所在的Ei。光電效應(yīng)的發(fā)生概

22、率：隨光子能量增大而減小，原子序數(shù)的增大而增大。光電效應(yīng)的其它產(chǎn)物： 光電效應(yīng)后，原子處于激發(fā)態(tài)。退激方式有兩種， 一種是外層電子向內(nèi)層躍遷，并輻射標(biāo)識(shí)X射線（次級(jí)X射線或熒光X射線），其能量是兩電子層的能級(jí)差； 另一種是激發(fā)能轉(zhuǎn)移給外層電子，使這發(fā)射出去，發(fā)射出去的電子稱為俄歇電子。光電效應(yīng)逐出的電子多發(fā)生在K層（內(nèi)層）上。,（2）康普頓效應(yīng) 入射光子與原子的自由電子或外層電子發(fā)生非彈性碰撞，一部分能

23、量轉(zhuǎn)移給電子，使它成為反沖電子發(fā)射出去，而光子本身不消失，只是能量和運(yùn)動(dòng)方向都發(fā)生了改變。這一過程稱為康普頓效應(yīng) 康普頓效應(yīng)的發(fā)生概率與物質(zhì)原子序數(shù)成正比，與光子能量成反比。（3）電子對(duì)效應(yīng) 入射光子與原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用，光子轉(zhuǎn)化為1個(gè)正電子和1個(gè)負(fù)電子，這一過程叫電子對(duì)效應(yīng)。電子對(duì)效應(yīng)發(fā)生的前提條件：入射光子能量必須大于電子對(duì)的結(jié)合能1.02MeV.電子對(duì)湮滅：電子對(duì)效應(yīng)產(chǎn)生的正負(fù)電子對(duì)在吸收物質(zhì)中很

24、快消失，并轉(zhuǎn)化為2個(gè)能量為0.51MeV的光子的現(xiàn)象。電子對(duì)效應(yīng)發(fā)生的概率與物質(zhì)原子序數(shù)的平方成正比，與光子能量基本上成正比。（4）瑞利散射 入射光子與原子的內(nèi)層電子發(fā)生彈性散射，電子吸收入射光子而躍遷到高能級(jí)，隨即又放出1個(gè)能量約等于入射光子能量的散射光子。 由于入射光子與散射光子擁有相同的波長(zhǎng)，故會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，瑞利散射是相干散射的一種。 瑞利散射發(fā)生概率與物質(zhì)原子序數(shù)的平方成正比，隨光子能量增大而急

25、劇減小。,四種效應(yīng)比較,（5）各種效應(yīng)相互作用發(fā)生的相對(duì)概率對(duì)于低能射線和原子序數(shù)高的物質(zhì)，光電效應(yīng)占優(yōu)；對(duì)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)；對(duì)于高能射線和原子序數(shù)高的物質(zhì)，電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)。射線與鐵相互作用時(shí)，各種效應(yīng)發(fā)生的概率：10keV, 光電效應(yīng)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。隨能量的增大，光電效應(yīng)逐漸減小，而康普頓效應(yīng)逐漸增大；100keV, 光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)發(fā)生的概率相等；瑞利效應(yīng)此時(shí)最大；1MeV, 康普頓效

26、應(yīng)最大，且基本上都是康普頓效應(yīng)；光電效應(yīng)變0；隨能量的增大，電子對(duì)效應(yīng)開始并增大，康普頓效應(yīng)逐漸減小10MeV, 電子對(duì)效應(yīng)與康普頓效應(yīng)發(fā)生的概率相等；隨能量的增大，電子對(duì)效應(yīng)概率越來(lái)越大。(6)窄束、單色射線的強(qiáng)度衰減規(guī)律 射線與物質(zhì)相互作用后，一部分吸收，一部分散射，一部分不與物質(zhì)作用而直接穿透過去。 直接穿透過去，能量和方向均不發(fā)生改變的射線稱為透射線Ip； 發(fā)生散射，能量和方向均發(fā)生改變的射線稱

27、為散射線Is。窄束射線是指不包括散射成分的射線束。單色射線是指由單一波長(zhǎng)電磁波組成的射線。,窄束、單色射線的強(qiáng)度衰減規(guī)律： I=I0e-uT I 衰減后（穿透后）的射線強(qiáng)度 I0衰減前（穿透前）的原始射線強(qiáng)度 T穿透厚度 u線衰減系數(shù) 線衰減系數(shù)u的意義是射線

28、通過單位厚度物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)相互作用的概率。它與射線能量、物質(zhì)的原子序數(shù)和密度有關(guān)。可分解為四個(gè)效應(yīng)的分線衰減系數(shù)。 u=uph+uc+up+uR u大致與物質(zhì)密度成正比；隨原子序數(shù)的增大而增大； u與光子能量的關(guān)系是：光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)時(shí)，隨光子能量的增大而減?。?電子對(duì)效應(yīng)時(shí)，隨光子能量的增大而增大； 故常規(guī)射線檢測(cè)（小于1Me

29、V)時(shí)，因?yàn)橐话悴话l(fā)生電子對(duì)效應(yīng), u是隨光子能量的增大而減小。半價(jià)層：是指入射射線強(qiáng)度減少一半時(shí)的吸收物質(zhì)厚度，用T1/2來(lái)表示。它表示某種能量射線的穿透能力或某種射線的衰減作用程度。它與u之間的關(guān)系是： T1/2 =0.693/u,例 已知某窄束單色射線穿過20mm的鋼后，強(qiáng)度減弱到原來(lái)的20%，求該射線在鋼中的線衰減系數(shù)。解： 1

30、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

31、 得n=2.32 T1/2 =2/2.32=0.86cm u=0.693/0.86=0.8cm-1(7) 寬束、多色射線的強(qiáng)度衰減規(guī)律寬束射線：包含有散射線成分的射線；多色射線：有多種波長(zhǎng)組成的射線，其中X射線的波長(zhǎng)是連續(xù)的，也稱 “白色” 射線。射線透過物質(zhì)以后，有兩種射線，

32、即透射線和散射線。如果用I來(lái)表示透過物質(zhì)以后的射線總強(qiáng)度，Ip來(lái)表示透射線強(qiáng)度，Is來(lái)表示散射線強(qiáng)度，用n來(lái)表示散射線強(qiáng)度Is與透射線強(qiáng)度Ip之比，即n= Is /Ip（我們稱它為散射比），則有： I= Ip+ Is= Ip（1+ Is /Ip）= Ip（1+ n）散射比與射線能量，穿透物質(zhì)種類、穿透厚度等許多因素有關(guān)。,平均衰減系數(shù)多色射線的強(qiáng)度衰減： I=I0e-ǖT ǖ為平均衰減系數(shù)（因?yàn)椴煌?/p>

33、能量的射線其衰減系數(shù)是不一樣的，故引入平均衰減系數(shù)）。 多色射線穿透物質(zhì)過程中，能量較低的射線分量強(qiáng)度衰減多而能量較高的射線分量強(qiáng)度衰減相對(duì)較少，這樣，透射射線的平均能量將高于初始射線的平均能量，此過程稱為多色射線穿透物質(zhì)過程的線質(zhì)硬化現(xiàn)象。 隨穿透厚度的增加，線質(zhì)逐漸變硬，平均衰減系數(shù)逐漸減小，而半價(jià)層逐漸增大。寬束、多色射線強(qiáng)度衰減規(guī)律： I=I0e-ǖT（1+n)連續(xù)X

34、射線的有效能量： 如果連續(xù)X射線在某一穿透厚度范圍內(nèi)的平均衰減系數(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，稱為有效能量。,1.4 射線照相法的原理與特點(diǎn) Ip=I0e-uT Ip’’=I0e-u’ △ T Ip’= Ip’’e-u( T-△ T) = I0e-u’ △

35、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

36、 △I/I=(e(u-u’) △ T-1)/(1+n) △I/I=(u-u’) △T/(1+n) 當(dāng)u’=0時(shí)， △I/I=u △T/(1+n)稱為主因?qū)Ρ榷?,,,,,,,,,,,,,,,,,I0,I0,Ip,Ip’,Ip’’,,,,△T,,,T,u,u’,,I,,,,,,,射線照相的特點(diǎn)