射線檢測(cè)物理基礎(chǔ)

射線檢測(cè)物理基礎(chǔ)第1頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)1.1原子與原子結(jié)構(gòu)1.1.1元素與原子世界上一切物質(zhì)都是由元素構(gòu)成的，原子是元素的具體存在，是體現(xiàn)元素性質(zhì)的最小微粒。原子質(zhì)量采用“原子質(zhì)量單位”用符號(hào)U表示，規(guī)定碳原子質(zhì)量的1/12為U，而原子量就是某元素的原子的平均質(zhì)量相當(dāng)于612C的質(zhì)量的1/12的比值。原子由一個(gè)原子核和若干個(gè)核外電子組成。原子核所帶的正電荷數(shù)與核外電子所帶的負(fù)電荷數(shù)相等。原子核是由兩種更小的粒子即質(zhì)子和中子組成的，中子不帶電，１個(gè)質(zhì)子帶１個(gè)單位正電荷。第2頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)數(shù)值關(guān)系：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)例如:2760Co表示鈷元素中原子量為60的鈷原子，核電荷數(shù)為27，核內(nèi)有27個(gè)質(zhì)子，33個(gè)中子，原子序數(shù)為27。

同位素:質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同(或敘述為核電荷數(shù)相同而原子量不同)的幾種原子相互稱為同位素。例如:2760Co和2759Co。同位素可分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩類，不穩(wěn)定的同位素又稱為放射性同位素。放射性同位素又可分為天然和人工制造兩類，后者最常用的方法是用高能量粒子轟擊穩(wěn)定同位素的核使其成為放射性同位素。第3頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)1.1.2玻爾的原子理論假設(shè)1.1.3要用人工方法，以中子、質(zhì)子或其它基本粒子作為炮彈轟擊原子核從而改變核內(nèi)質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)目，可以產(chǎn)生新的同位素，也可以使穩(wěn)定的同位素變?yōu)椴环€(wěn)定的同位素。

放射性衰變及其模式:不穩(wěn)定的核素會(huì)自發(fā)蛻變，變成另一種核素，同時(shí)放出各種射線。α衰變?chǔ)滤プ儲(chǔ)盟プ兊?頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)1.2射線的種類和性質(zhì)1.2.1x射線和γ射線的性質(zhì)

與電波，紅外線，光波，紫外線一樣都是電磁波。區(qū)別只是波長(zhǎng)不同和產(chǎn)生方法不同。(圖1-2)性質(zhì):a.在真空中以光速直線傳播。

b.本身不帶電，不受電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響。

c.在媒質(zhì)界面上只能發(fā)生漫反射，而不能像可見(jiàn)光那樣產(chǎn)生鏡面反射。折射系數(shù)接近1。

d.可以發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象。

e.不可見(jiàn)光能穿透可見(jiàn)光不能穿透的物質(zhì)。

f.和物質(zhì)作用時(shí)，會(huì)與物質(zhì)發(fā)生復(fù)雜的物理，化學(xué)作用。

g.具有輻射生物效應(yīng)，能殺傷生物細(xì)胞，破壞生物組織。第5頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

1.2.2x射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)在一個(gè)具有陰陽(yáng)兩極的真空管（x射線管）產(chǎn)生。陰極是鎢絲，陽(yáng)極是金屬制成的靶，兩極之間加有很高的直流電壓（管電壓）。陰極加熱釋放的電子在高壓電場(chǎng)中加速?gòu)年帢O飛向陽(yáng)極（管電流）以很高的速度撞擊到金屬靶上，失去所有動(dòng)能，絕大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，僅有極少部分轉(zhuǎn)換為x射線向四周輻射。這些x射線線譜由兩部分組成：第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)連續(xù)譜和標(biāo)識(shí)譜第6頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六連續(xù)譜的產(chǎn)生及特點(diǎn)帶電粒子在加速或減速時(shí)必然伴隨著電磁輻射。當(dāng)帶電粒子與原子想碰撞(與原子核的庫(kù)侖場(chǎng)相互作用)發(fā)生驟然減速時(shí)，由此伴隨產(chǎn)生的輻射稱為韌致輻射。連續(xù)譜的最短波長(zhǎng)連續(xù)譜中最大強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)連續(xù)x射線總強(qiáng)度

管電流增加撞擊電子數(shù)增加，管電壓增加每個(gè)電子能量增大。轉(zhuǎn)換過(guò)程增加Z越高核庫(kù)侖場(chǎng)越強(qiáng)，韌致輻射作用越強(qiáng)。

x射線轉(zhuǎn)換效率第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)第7頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六標(biāo)識(shí)譜的產(chǎn)生及特點(diǎn)

x射線官的管電壓超過(guò)某個(gè)臨界值（激發(fā)電壓Vk）陰極放射的電子可以獲得足夠能量。它與陽(yáng)極靶相撞時(shí)，可以將靶原子的內(nèi)層電子逐出殼層之外，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，其能量等于發(fā)生躍遷的兩能級(jí)之差。例如：Kα標(biāo)識(shí)射線是L層電子躍遷至K層放出的，Kβ標(biāo)識(shí)射線是N層電子躍遷至K層放出的。標(biāo)識(shí)x射線強(qiáng)度只占x射線總強(qiáng)度的極少部分，能量也低，所以在工業(yè)射線探傷中不起什么作用。標(biāo)識(shí)譜的波長(zhǎng)只依賴于陽(yáng)極靶面的材料，與管電壓，管電流無(wú)關(guān)，不同的靶材激發(fā)電壓也不同。第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)第8頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.2.3γ射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)γ射線是放射性同位素經(jīng)α衰變或β衰變后，從激發(fā)態(tài)向穩(wěn)定態(tài)過(guò)渡的過(guò)程中從原子核內(nèi)發(fā)出的，這一過(guò)程稱為γ衰變（或γ躍遷）。γ躍遷是核內(nèi)能級(jí)之間的躍遷。和原子核外電子的躍遷相同和不同點(diǎn):反應(yīng)式:2759Co+n→2760Co+γ.2760Coβ→2860Ni+γ不穩(wěn)定受激發(fā)態(tài)的Ni60連續(xù)放出2個(gè)各帶有1.17和1.33Mev的γ射線光子后轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定狀態(tài)。

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放射性同位素的衰變服從指數(shù)規(guī)律:衰變常數(shù)λ反映了放射性物質(zhì)的固有屬性，λ越大該物質(zhì)越不穩(wěn)定，衰變得越快。

半衰期:T1/2放射性同位素衰變掉原有核數(shù)一半所需時(shí)間

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1.3射線與物質(zhì)的相互作用射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，會(huì)與物質(zhì)發(fā)生相互作用而強(qiáng)度減弱。原因：吸收與散射主要形式：光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)，電子對(duì)效應(yīng)和瑞利散射衰減規(guī)律，指數(shù)規(guī)律，衰減情況不僅與吸收物質(zhì)的性質(zhì)和厚度有關(guān)，還與輻射自身的性質(zhì)有關(guān)。第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)第11頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

1.3.1光電效應(yīng)入射光子與物質(zhì)原子的束縛電子作用時(shí)，光子的全部能量轉(zhuǎn)移給束縛電子使之發(fā)射出去，入射光子的全部能量用于該光電子與原子的結(jié)合能和光電子的動(dòng)能。圖1-9

光電效應(yīng)的發(fā)生幾率與射線能量和物質(zhì)原子序數(shù)有關(guān)，它隨著入射光子能量增大而減小，隨著原子序數(shù)z的增大而增大。第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)第12頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.3.2康普頓效應(yīng)入射光子和電子發(fā)生非彈性碰撞,入射光子能量一部分轉(zhuǎn)移給電子使它成為反沖電子，另一部分成為散射光子的能量。反沖電子動(dòng)能入射光子動(dòng)能由反沖電子和散射電子之間進(jìn)行分配。散射角越大，散射光子分配到的能量越小。圖1-12

康普頓效應(yīng)總是發(fā)生于自由電子或原子束縛最松的外層電子上，其發(fā)生的幾率大致與物質(zhì)原子序數(shù)成正比與光子能量成反比。第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)第13頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

1.3.3電子對(duì)效應(yīng)當(dāng)光子從原子核旁經(jīng)過(guò)，在原子核庫(kù)侖場(chǎng)作用下，光子轉(zhuǎn)化為一個(gè)正電子和一個(gè)負(fù)電子（正負(fù)電子對(duì)）。

條件：入射光子能量，另一部分作為它的動(dòng)能。圖1-14

其發(fā)生幾率是高能量射線和原子序數(shù)高的物質(zhì)占優(yōu)勢(shì)。第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)第14頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六1.3.4瑞利散射入射光子與束縛較牢固的內(nèi)層軌道電子發(fā)生彈性碰撞過(guò)程，束縛電子只是吸收入射光子后躍遷到高能級(jí)隨即放出一個(gè)能量約等于入射光子的散射光子，并沒(méi)有脫離原子，所以散射線與入射線具有相同的波長(zhǎng)，能發(fā)生干涉的散射過(guò)程。發(fā)生幾率和物質(zhì)的原子序數(shù)及入射光子的能量有關(guān)。大致與物質(zhì)原子序數(shù)Z的平方成正比，并隨入射光子能量的增大而急劇減小。入射光子能量在200KV以下時(shí)瑞利散射影響不可忽略。第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)第15頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

1.3.5相對(duì)幾率圖1-17

對(duì)于低能量射線和原子序數(shù)高的物質(zhì)光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。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)勢(shì)。

對(duì)于高能量射線和原子序數(shù)高的物質(zhì)電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)。圖1-18x射線與物質(zhì)相互作用導(dǎo)致強(qiáng)度減弱以及能量強(qiáng)化。第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)第16頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

1.3.6窄束、單色射線的強(qiáng)度衰減規(guī)律吸收：光電和電子對(duì)效應(yīng)散射：康普頓效應(yīng)穿過(guò)物質(zhì)層的射線通常由兩部分組成：透射射線和散射射線

透射射線：未與物質(zhì)發(fā)生相互作用的光子，能量和方向均未變。

散射射線：發(fā)生一項(xiàng)或多項(xiàng)康普頓效應(yīng)的光子，能量和方向均改變。

窄束射線：不包括散射成分的射線束，通過(guò)物質(zhì)后僅由未與物質(zhì)發(fā)生相互作用的光子組成。第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)第17頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六單色：指由單一波長(zhǎng)電磁波組成的射線（相同能量光子，單能輻射）窄束、單色射線的強(qiáng)度衰減公式:

衰減系數(shù)μ的意義：射線通過(guò)單位厚度物質(zhì)時(shí)與物質(zhì)相互作用的幾率，與射線能量、物質(zhì)的原子序數(shù)和密度有關(guān)。對(duì)于同一物質(zhì)射線能量不同μ不同。對(duì)于同一能量射線，通過(guò)不同物質(zhì)時(shí)其μ也不同。單位cm-1表1-3

半價(jià)層T1/2指使入射射線強(qiáng)度減少一半的吸收物質(zhì)厚度第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)第18頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

1.3.7寬束、單色射線的強(qiáng)度衰減規(guī)律工業(yè)探傷中應(yīng)用的射線不可行是窄束、單色射線到達(dá)探傷器的束流中總是包含散射成分,這樣的射線稱為寬束射線。束流中的光子往往也不具有相同能量。γ射線是由幾種乃至十幾種能量的光子組合屬多色。x射線的波長(zhǎng)更是連續(xù)變化的。第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)第19頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

散射線和散射比對(duì)射線照相產(chǎn)生影響的散射線來(lái)自康普頓效應(yīng)，在較低能量范圍則來(lái)自相干散射(瑞利散射)

應(yīng)用寬束射線時(shí)，一次透射射線Ip和散射射線Is同時(shí)到達(dá)探測(cè)器，其射線總強(qiáng)度為I則：

散射比：n=Is/Ip

其大小與射線能量，穿透物質(zhì)種類、厚度等有關(guān)。第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)1第20頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六平均衰減系數(shù)μ

因?yàn)楣庾幽芰坎煌?其衰減系數(shù)也不同，考慮到總的衰減結(jié)果，得以下關(guān)系式：

即為多色射線強(qiáng)度衰減公式，其中μ稱為平均衰減系數(shù)。射線穿透物質(zhì)過(guò)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，所以平均能量將高于初始射線的平均能量（硬化現(xiàn)象）隨著穿透厚度增加，線度逐漸變硬。平均衰減系數(shù)μ逐漸減小，平均半階層逐漸增大。圖1-20

寬束多色射線的強(qiáng)度衰減規(guī)律

第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)23第21頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

1.4射線照相法

1.4.1射線照相法原理射線在穿透物體過(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）。第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)第22頁(yè)，共24頁(yè)，2023年，2月20日，星期六由于缺陷部位和完好部位的透照射線強(qiáng)度不同，底片上相應(yīng)部位就會(huì)出現(xiàn)黑度差異，該黑度差意義為“對(duì)比度”