無(wú)損檢測(cè)技術(shù)2

1、1Page 12推薦參考書、期刊1、期刊無(wú)損檢測(cè)：全國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)學(xué)會(huì)刊，學(xué)會(huì)對(duì)外交流指定用刊，國(guó)內(nèi)無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域權(quán)威刊物。無(wú)損探傷：主要報(bào)道射線、超聲、磁粉、滲透、渦流、紅外、聲發(fā)射、微波、全息等NDT應(yīng)用技術(shù)。2、書籍無(wú)損檢測(cè) 李喜孟主編 2001年2月第1版無(wú)損檢測(cè)概論 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)編 1993年12月第1版國(guó)外無(wú)損檢測(cè) 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)編 1981年10月第1版3第一章射線檢測(cè)技術(shù)第一節(jié)射線檢測(cè)物理基礎(chǔ)1、原子的能級(jí)和輻射 1903年，湯姆遜首先提出原子結(jié)構(gòu)模型(葡萄干-蛋糕模型) 湯姆遜設(shè)想原子的帶正電部分是一個(gè)原子那么大的、具有彈性的、凍膠狀的球，正電荷均勻

2、分布著，在這球內(nèi)或球上，有負(fù)電子嵌著。這些電子能在它們的平衡位置上作簡(jiǎn)諧振動(dòng)。觀察到的原子所發(fā)光譜的各種頻率認(rèn)為就相當(dāng)于這些振動(dòng)的頻率。 Page 34v1911年，盧瑟福概括粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出了原子的核式結(jié)構(gòu)。原子內(nèi)部有一個(gè)原子核，原子核具有體積小、質(zhì)量大而且?guī)в姓姾傻奶卣?，帶?fù)電荷的電子則分布在與原子大小同數(shù)量級(jí)的封閉軌道上繞核旋轉(zhuǎn)。對(duì)中性原子，所有電子所帶負(fù)電荷之和等于原子中心所帶正電荷。但是在電子運(yùn)動(dòng)的規(guī)律及它與原子發(fā)射光譜的關(guān)系等問(wèn)題上，盧瑟福的理論解決不了。v1913年，玻爾在原子的核式結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，提出量子概念，使核式結(jié)構(gòu)模型能夠說(shuō)明氫原子和類氫離子的譜線頻率。52、射

3、線的種類 波長(zhǎng)較短的電磁波叫射線。速度高、能量大的粒子流也叫射線。 射線由射線源向四周發(fā)射的過(guò)程又稱為輻射。 非電離輻射：指能量很低，不足以引起物質(zhì)發(fā)生電離的射線，如微波輻射、紅外線等。 電離輻射：指能夠直接或間接引起物質(zhì)電離的輻射。Page 56 直接電離輻射：如射線、射線和質(zhì)子射線等。由于它們帶有電荷，所以在與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)，要受原子的庫(kù)侖場(chǎng)的作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。同時(shí)，會(huì)以物質(zhì)中原子激發(fā)、電離方式損失其能量，故其穿透本領(lǐng)較差，因而一般不直接利用這類射線進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。 間接電離輻射：是不帶電的粒子，如X射線、r射線及中子射線等。由于它們屬于電中性，不會(huì)受到庫(kù)侖場(chǎng)的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且貫穿物質(zhì)的本領(lǐng)

4、強(qiáng)，故廣泛地被用于無(wú)損檢測(cè)。Page 6電離輻射可分為直接電離輻射和間接電離輻射73、X射線的性質(zhì) X射線又名倫琴射線，于1895年發(fā)現(xiàn)。X射線是波長(zhǎng)較短的電磁波，X射線譜的某些特征反映了原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的情況。 X射線波長(zhǎng)范圍約在0.0006-100nm之間，在X射線檢測(cè)中常用的波長(zhǎng)范圍約在0.001-0.1nm之間。X射線的硬度： 工業(yè)上把波長(zhǎng)較短的X射線稱為硬X射線： 其能量較高，穿透能力較大nm01. 0 8Page 83.1 X射線的產(chǎn)生及其波長(zhǎng)和強(qiáng)度的測(cè)量 X射線的產(chǎn)生方式有多種形式，例如：真空管型低能X射線發(fā)生器，直線加速器與電子回旋加速器等高能X射線發(fā)生器。（1）低能X射線發(fā)生器

5、真空管型X射線發(fā)生器的原理見圖，陰極發(fā)射的電子流經(jīng)高電位梯度電場(chǎng)聚焦與加速后，撞擊陽(yáng)極靶，其動(dòng)能消耗于陽(yáng)極材料原子的電離和激發(fā)，然后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，電子在原子核?chǎng)中受到急劇阻止，可產(chǎn)生韌致X射線，即連續(xù)X射線。9Page 9（2）X射線波長(zhǎng)的測(cè)量、強(qiáng)度的測(cè)量 布喇格公式：當(dāng)一束射線射入晶體而發(fā)生衍射時(shí)，任何一組晶面上，出射方向?qū)ζ矫娴膬A角和入射射線的傾角相等的射線，如果滿足下式：2sin(1,2,3,)ndn出射光線就會(huì)加強(qiáng)。已知晶體常數(shù)d，確定傾角，可測(cè)出X射線波長(zhǎng)10Page 10利用布喇格公式測(cè)量射線波長(zhǎng)和強(qiáng)度的方法：X射線通過(guò)鉛板上二窄縫S1和S2，形成扁而窄的一束，落在晶體C的一個(gè)面上，

6、電離室I和晶體C可以各自繞著通過(guò)晶體的一個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。電離室充以稀有氣體，X射線射入，氣體就會(huì)電離，電離電流的大小代表射線的強(qiáng)弱，可以做到電離電流與射線強(qiáng)度成正比。A AI I圖：圖：X X射線測(cè)譜儀射線測(cè)譜儀S S1 1S S2 2X射線測(cè)譜儀原理11Page 11 晶體和電離室的位置先與入射的射線成一直線，然后把晶體轉(zhuǎn)一個(gè)小角度，電離室轉(zhuǎn)二倍，記下刻度盤上的讀數(shù)和電離電流，這樣繼續(xù)做下去，電離室的方向與射線入射的方向的夾角一直保持著等于晶體表面和射線入射方向的夾角二倍。當(dāng)達(dá)到某一角度時(shí)，電離電流會(huì)突然增強(qiáng)，這就表示這時(shí)進(jìn)入電離室的射線特別強(qiáng)，布拉格公式已滿足。把這時(shí)的角度代入公式，波長(zhǎng)可以算出

7、，而電流的強(qiáng)度也就代表這個(gè)波長(zhǎng)的射線的強(qiáng)度。A A利用布喇格公式測(cè)量射線波長(zhǎng)和強(qiáng)度的方法：123.2X射線譜 不同波長(zhǎng)的射線具有不同的穿透力，波長(zhǎng)越短，射線越硬，穿透力越強(qiáng) X射線譜指的是X射線的強(qiáng)度I隨波長(zhǎng)變化的關(guān)系曲線（I曲線）。 X射線強(qiáng)度大小由單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)與X射線傳播方向垂直的單位面積上的光量子數(shù)決定。 實(shí)驗(yàn)表明，X射線管陽(yáng)極靶發(fā)射出的X射線分為兩類：連續(xù)X射線譜和特征X射線譜。13（1）連續(xù)X射線譜 經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)對(duì)連續(xù)X射線譜的解釋 若電子的初速度為v，電子從初速度v變到0經(jīng)歷的時(shí)間為t，那么在電子停速時(shí)間t內(nèi)放射的總能量為：2232e vE=3c t高速電子在陽(yáng)極表面以不同的方式

8、停速，所產(chǎn)生的電磁脈沖的波長(zhǎng)應(yīng)具有連續(xù)的數(shù)值。但經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)不能解釋最短波長(zhǎng)的存在。14（1）連續(xù)X射線譜 量子力學(xué)對(duì)連續(xù)X射線的解釋21mv =h+p2212mvXph式中：為電子的動(dòng)能；為所產(chǎn)生的 射線光子的能量；為消耗于陽(yáng)極物質(zhì)中的激發(fā)、電離能量；當(dāng)p0時(shí)，可產(chǎn)生最大頻率的X射線2maxmin1v2hchmmin1.24hceUU所以： 式中：U為X射線管的管電壓，單位為KV 波長(zhǎng)單位為nm，最短波長(zhǎng)由U決定。15 總之：連續(xù)X射線譜是由高速運(yùn)動(dòng)的電子被陽(yáng)極靶突然阻止而產(chǎn)生的，它由某一短波限min開始直到波長(zhǎng)等于無(wú)窮大的一系列波長(zhǎng)組成，具有如下實(shí)驗(yàn)規(guī)律： （1）當(dāng)增加X(jué)射線管壓時(shí)，各種波

9、長(zhǎng)射線的相對(duì)強(qiáng)度一致增高，最大強(qiáng)度X射線的波長(zhǎng)Imax和短波限min變小。（圖b） （2）當(dāng)管壓保持恒定，增加管流時(shí)，各種波長(zhǎng)X射線的相對(duì)強(qiáng)度一致增高，但I(xiàn)max和min大小不變。（圖a） （3）當(dāng)改變陽(yáng)極靶元素時(shí)，各種波長(zhǎng)的相對(duì)強(qiáng)度隨靶元素的原子序數(shù)增加。（圖c）（1）連續(xù)X射線譜16Page 16連續(xù)X射線的總強(qiáng)度 連續(xù)X射線的總強(qiáng)度為連續(xù)區(qū)的積分值。2UIiZ總式中，是實(shí)驗(yàn)常數(shù)（1.1-1.410-6），上式表明：連續(xù)譜的總強(qiáng)度與管電流i，靶的原子序數(shù)Z，以及管電壓U的平方成正比。（1）連續(xù)X射線譜 綜合各種連續(xù)X射線強(qiáng)度分布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到在某一實(shí)驗(yàn)條件下發(fā)出的連續(xù)X射線的總強(qiáng)度：

10、min( )IId總克拉邁爾給出了波長(zhǎng)小于5A的連續(xù)X射線強(qiáng)度近似表達(dá)式：2minI11( )()cZI史蒂芬森給出了波長(zhǎng)在8-14A波段的X射線強(qiáng)度近似表達(dá)式：5minI11( )()cZI17Page 17X射線管的效率：定義為X射線強(qiáng)度與X射線管功率的比值，即： 當(dāng)用鎢作陽(yáng)極，Z74，管電壓為100kv時(shí)，X射線管的效率為1%左右。 這是由于X射線管中電子的能量絕大部分在和陽(yáng)極靶碰撞時(shí)產(chǎn)生熱能而損失。只有極少部分能量轉(zhuǎn)化為X射線能，所以高能X射線發(fā)生器工作時(shí)必須以冷卻水沖刷陽(yáng)極，達(dá)到冷卻陽(yáng)極的目的。（1）連續(xù)X射線譜2ZiUZUiU18（2）X射線標(biāo)識(shí)譜（特征譜）當(dāng)管電壓超過(guò)某一臨界值時(shí)

11、（如對(duì)銅靶超過(guò)20kv），強(qiáng)度分布曲線將產(chǎn)生顯著的變化，即在連續(xù)X射線譜某幾個(gè)特定波長(zhǎng)的地方，強(qiáng)度突然顯著地增加，由于它們的波長(zhǎng)反映了靶材料的特征，因此稱之為標(biāo)識(shí)譜。Page 1819Page 19標(biāo)識(shí)X射線的產(chǎn)生：由于內(nèi)層電子躍遷的結(jié)果。標(biāo)識(shí)X射線的結(jié)構(gòu)：各元素的標(biāo)識(shí)譜有相似的結(jié)構(gòu)，清楚地分為幾個(gè)線系，波長(zhǎng)最短的一組線稱為K線系，這個(gè)線系一般可以觀察到三條譜線，稱為 ，其中，線最強(qiáng)，它的波長(zhǎng)最長(zhǎng)，線最弱（光量子數(shù)少），它的波長(zhǎng)最短。比K線系波長(zhǎng)更長(zhǎng)一些，譜線也較多的一組譜線稱為L(zhǎng)線系，波長(zhǎng)更長(zhǎng)的還有M線系、N線系等。 如果N軌道電子躍遷到K軌道，則其輻射頻率為： K K KKK,（2）X射線

12、標(biāo)識(shí)譜（特征譜）NKNKEEh式中，EN和EK分別為電子處于N軌道和K軌道的能量。 20（2）X射線標(biāo)識(shí)譜（特征譜） 任何電子躍遷到K層時(shí)產(chǎn)生的X射線統(tǒng)稱為K系X射線；躍遷到L層產(chǎn)生的X射線統(tǒng)稱為L(zhǎng)系X射線；其他各系依此類推。在每一系（如K系）X射線里，凡從相臨層（L到K層）躍遷產(chǎn)生的稱 譜線（即 線），隔層（如M到K層躍遷產(chǎn)生的）稱 譜線（即 ）。 同理產(chǎn)生 ，如下圖所示。由于能級(jí)的分裂，譜線還可進(jìn)一步分為 等。 原子的能級(jí)是不連續(xù)的，所以產(chǎn)生的X射線也是不連續(xù)的，我們把這種X射線成為標(biāo)識(shí)X射線或線狀X射線。KK,KLLL MM12,KK圖1.5 標(biāo)識(shí)x射線能級(jí)圖ONMLKK系L系M系21（

13、2）X射線標(biāo)識(shí)譜（特征譜）銠（Rh）制陽(yáng)極靶產(chǎn)生X射線 當(dāng)管電壓較低時(shí)，X射線管將產(chǎn)生連續(xù)X射線。隨著X射線管電壓的提高，連續(xù)X射線譜的曲線向短波方向移動(dòng)，但其本質(zhì)并為發(fā)生變化。 但當(dāng)電壓超過(guò)23.2KV時(shí)，射線譜開始發(fā)生變化，標(biāo)識(shí)譜和連續(xù)譜同時(shí)出現(xiàn)。圖中可看出波長(zhǎng)為0.537A、0.547A、0.612A和0.617A四條線。 22綜上所述，我們可以把產(chǎn)生標(biāo)識(shí)X射線的條件和過(guò)程歸納如下： 為了產(chǎn)生任何系的X射線，必須供給外界能量（如高速飛行的自由電子），足以使重原子的內(nèi)層電子躍遷到外層的軌道空位上。 當(dāng)管電壓小于K系激發(fā)電壓而大于L系激發(fā)電壓時(shí)，不產(chǎn)生K系X射線而產(chǎn)生L系射線，同時(shí)伴有M系、N系、O系等系的X射線產(chǎn)生。 由于高速電子的轟擊，靶材料在一秒鐘之內(nèi)有 數(shù)量級(jí)的原子變成激發(fā)態(tài)，它們的K