射線探傷的物理基礎(chǔ)

射線探傷的物理基礎(chǔ)主講人：余勁松單位：新疆電力建設(shè)有限公司職務(wù)：副總工程師、教授級(jí)高工、RT高級(jí)

內(nèi)容安排一、原子與原子結(jié)構(gòu)

二、射線的種類和性質(zhì)

三、射線與物質(zhì)的相互作用

四、射線衰減規(guī)律五、射線照相法的原理與特點(diǎn)

-元素與原子

-原子核與核外電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律

§1-1原子與原子結(jié)構(gòu)

元素的概念

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。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)。原子核所帶的正電荷數(shù)。同位素定義：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§1-1原子與原子結(jié)構(gòu)－元素與原子§1-1原子與原子結(jié)構(gòu)－元素與原子

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，由原子核和核外電子構(gòu)成。(2)原子的構(gòu)成：

*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)；電子在一定軌道上繞核運(yùn)動(dòng)。*原子是有質(zhì)量、有尺寸的一種粒子。A質(zhì)量：

幾乎集中在原子核內(nèi)，核的密度非常大。每個(gè)質(zhì)子和中子質(zhì)量非常接近一個(gè)原子質(zhì)量單位（以碳質(zhì)量的1/12為一個(gè)原子質(zhì)量單位）電子質(zhì)量很小可忽略不記，它等于1/1837氫原子質(zhì)量。B大小：

原子半徑10-8cm數(shù)量級(jí)。原子核半徑10-13cm數(shù)量級(jí)。C電荷：

原子核帶正電；電子帶負(fù)電；原子為中性。D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即：質(zhì)子數(shù)Z=核的正電荷數(shù)=電子數(shù)=原子序數(shù)

§1-1原子與原子結(jié)構(gòu)－元素與原子§1-1原子與原子結(jié)構(gòu)－原子核與核外電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律

原子核的結(jié)構(gòu)－－精確的結(jié)構(gòu)模型至今尚未建立－－多種模型并存的狀態(tài)原子核的構(gòu)成

－－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原子核的電荷

－－正電荷=原子序數(shù)

Z

§1-1原子與原子結(jié)構(gòu)－原子核與核外電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律

原子核的半徑

原子核的半徑：10-13----10-12

cm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。

核內(nèi)的幾種作用力

庫(kù)侖力

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

100倍庫(kù)侖力，是強(qiáng)相互作用力；

（4）核力促成核子的二種結(jié)合形式（成對(duì)結(jié)合及對(duì)對(duì)結(jié)合）

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

§1-1原子與原子結(jié)構(gòu)－原子核與核外電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律

能級(jí)：

是指電子繞核沿著園形軌道運(yùn)行，各條軌道有不同的能量狀態(tài)。

躍遷：

是指原子從外界吸收一定能量時(shí)，電子從低能級(jí)跳到較高能級(jí)的過程?！?-2射線的種類和性質(zhì)X射線和射線的性質(zhì)

X射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)

射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)

§1-2射線的種類和性質(zhì)－X射線和射線的性質(zhì)

X射線和射線與無(wú)線電波、紅外線、可見光、紫外線等都是電磁波，區(qū)別只是波長(zhǎng)不同，產(chǎn)生方法不同。超聲波無(wú)線電波紅外線紫外線X射線宇宙射線波長(zhǎng)射線可見光基本概念§1-2射線的種類和性質(zhì)－X射線和射線的性質(zhì)

X、射線性質(zhì)－－X、射線都是電磁波，其波長(zhǎng)比可見光、天線電波短；

－－在真空中以光速直線傳播；

－－X、射線本身不帶電性，故不受電場(chǎng)、磁場(chǎng)影響；－－有反射、折射、干涉等現(xiàn)象與可見光一樣；

－－不可見、能夠穿透物質(zhì)，能使膠片感光，使某些物質(zhì)產(chǎn)生熒光現(xiàn)象；－－在穿透物質(zhì)過程中與物質(zhì)發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)作用（即發(fā)生三大效應(yīng)）；如電離、熒光、熱作用、光化學(xué)作用等

－－具有輻射生物效應(yīng)，殺傷生物細(xì)胞，破壞生物組織。

§1-2射線的種類和性質(zhì)－X射線和射線的性質(zhì)

按物理、化學(xué)作用可分為：

－－物理特性：

①穿透作用②熒光作用—探傷、醫(yī)用③電離作用④熱作用——監(jiān)測(cè)劑量⑤反射、折射、干涉現(xiàn)象——分析晶體結(jié)構(gòu)

－－化學(xué)特性：①感光作用—對(duì)工業(yè)、醫(yī)用膠片②著色作用－－生物特性：生物損傷—需要防護(hù)

§1-2射線的種類和性質(zhì)－X射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)1、X射線產(chǎn)生的條件和原理：

X射線是由X射線發(fā)生器產(chǎn)生的，X射線發(fā)生器由三部分組成：（即產(chǎn)生的必要條件）

①

發(fā)射電子——燈絲（陰極）②

加速電子的裝置——高壓發(fā)生器受電子轟擊的陽(yáng)極靶——陽(yáng)極

經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)指出，帶電粒子在加速或減速時(shí)必然伴隨著電磁輻射，當(dāng)帶電粒子與原子相碰撞（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?！?-2射線的種類和性質(zhì)－X射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)過程：燈絲加熱后放出電子，在燈絲與靶之間加幾十～幾百千伏電壓后，電子以很高速度撞擊靶面，失去所具有的動(dòng)能，電子的能量絕大多部分轉(zhuǎn)化為熱能，極少部分以X射線形式輻射出來(lái)。因?yàn)閹щ娏Ｗ釉诩铀贉p速時(shí)，必然伴隨著電磁輻射的發(fā)生。

+—10-6-10-7mmHg陽(yáng)極鎢（等）陰極聚焦罩玻璃（陶瓷）密封保持一定的真空度S§1-2射線的種類和性質(zhì)－X射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)2、連續(xù)X射線:

連續(xù)X射線是高速運(yùn)動(dòng)的電子和原子核核外庫(kù)侖場(chǎng)的作用過程中發(fā)射出來(lái)的。

X射線的性質(zhì)：

X射線是一種電磁波，具有電磁波的波粒二相性

即：{在極端情況下，電子的能量全部轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線光電子能量h，而大部分電子是經(jīng)過多次制動(dòng)，逐步喪失動(dòng)能的。這就是使轉(zhuǎn)換過程中發(fā)出的電磁輻射具有各種波長(zhǎng)。因此X射線的波譜是連續(xù)分布的，稱為連續(xù)譜。

波的性質(zhì):波長(zhǎng)與頻率的關(guān)系：λ=——Cυ

粒子的性質(zhì)：粒子的能量hυ

λ：波長(zhǎng)：頻率

h：布郎克常數(shù)υ

(2)最短波長(zhǎng)λmin計(jì)算

§1-2射線的種類和性質(zhì)－X射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)即：

=?結(jié)論：最短波長(zhǎng)只與管電壓有關(guān)，與陽(yáng)極靶材料無(wú)關(guān)，與管電流、燈絲電流均無(wú)關(guān)。

e—電子電量：1.6×10-19h—布郎克常數(shù)：6.626×10-34v(kv)—所加管電壓（千伏）h—光電子能量C：光速?：10-8㎝長(zhǎng)度單位§1-2射線的種類和性質(zhì)－X射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)(3)連續(xù)X射線總強(qiáng)度：

由實(shí)驗(yàn)得出：

相對(duì)強(qiáng)度相對(duì)強(qiáng)度10mA5mAλmin

不同管電流波長(zhǎng)波長(zhǎng)50kv40kv30kv20kv不同管電壓

（Ｋi）K比例常數(shù)：1.1～1.4×10-6i：管電流Z：陽(yáng)極靶原子序數(shù)W=74V：管電壓（千伏）∴原子序數(shù)越大則總強(qiáng)度越大，選擇鎢等原子序數(shù)大的材料。

§1-2射線的種類和性質(zhì)－X射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)結(jié)論：從兩個(gè)公式中可以看出改變管電流能改變總的強(qiáng)度，而改變管電壓則最短波長(zhǎng)向左移動(dòng)，平均波長(zhǎng)（或最高強(qiáng)度的波長(zhǎng)）向左移動(dòng)。因此，管電壓越高，平均波長(zhǎng)越短，則穿透力越強(qiáng)，線質(zhì)越硬，總的強(qiáng)度與以上三種成正比變化。

§1-2射線的種類和性質(zhì)－X射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)(4)X射線效率：

結(jié)論：X射線的效率與管電壓和靶材料原子序數(shù)成正比。管電壓的高壓波形越接近于恒壓，X射線產(chǎn)生的效率越高，當(dāng)V=100KV時(shí)，η=1%而4MeV時(shí)X射線的η=36%

IT：連續(xù)X射線總強(qiáng)度V：管電壓i：管電流§1-2射線的種類和性質(zhì)－X射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)3、標(biāo)識(shí)X射線譜：

即標(biāo)識(shí)靶材料的譜線在特定波長(zhǎng)位置上出現(xiàn)強(qiáng)度很大的線狀譜線，它的波長(zhǎng)只依賴于陽(yáng)極靶面的材料，而與管電壓、管電流無(wú)關(guān)。由于其強(qiáng)度只占極少部分，能量也低，所以在工業(yè)探傷中不起作用，只用在材料的光譜分析及X射線衍射中應(yīng)用。

§1-2射線的種類和性質(zhì)－

射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)1、同位素：

－－質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的元素稱為同位素。

例：

2、放射性同位素：

－－即不穩(wěn)定同位素能自發(fā)地放出某些射線，而衰變?yōu)榱硪环N元素。

分為：

①天然放射性同位素：Z≥83的許多元素及化合物為自然界存在具有放射性。②人造放射性同位素：由高能粒子（一般為中子）轟擊原子得到的。

§1-2射線的種類和性質(zhì)－

射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)3、射線：

－－是放射性同位素經(jīng)過衰變或β衰變后，從激發(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。例：把59C0放入原子反應(yīng)堆，使之吸收中子變成60C0成為不穩(wěn)定的元素，它就放射出β、γ射線后衰變成穩(wěn)定的60Ni（一個(gè)中子變?yōu)橘|(zhì)子）

6027C06028Ni{平均1.25MeV射線的波長(zhǎng)是固定的，即1.17和1.33

MeV，平均則為1.25MeV，所以稱線譜（線狀譜線）。

C060276028Ni不穩(wěn)定態(tài)β=0.31MeV=1.17MeV=1.133MeV穩(wěn)定態(tài)+§1-2射線的種類和性質(zhì)－

射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)6027C0放射出β、射線，而鐳放射、射線。

射線—高速運(yùn)動(dòng)的帶正電的粒子流(射程很小，無(wú)用)β射線—高速運(yùn)動(dòng)的電子流(一)(射程不大，穿透力很弱)射線—高速運(yùn)動(dòng)的光子流(不帶電)探傷使用是由穩(wěn)定的同位素被中子照射后形成的。6027C0C059Ir192是由穩(wěn)定的同位素Ir191俘獲中子而得到的。－－已使用完的放射性同位素不能再放入原子堆中激活再生，即不可重復(fù)使用。

§1-2射線的種類和性質(zhì)－

射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)4、射線的衰變規(guī)律和半衰期

放射性元素的衰變遵循一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律

ΔN=-λ.N.Δt

(λ:放射性元素的衰變常數(shù))在時(shí)間Δt內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)ΔN與原來(lái)原子核的總數(shù)N成正比,負(fù)號(hào)表示原子核數(shù)的減少

ΔN=-λ.N.Δt對(duì)積分

N0：t＝0時(shí)初始原子核總數(shù)

N：t時(shí)刻時(shí)的未衰變的原子核個(gè)數(shù)

N=N0e-λt

λ：衰變常數(shù)反映的是物質(zhì)的一種屬性，即λ越大，其越不穩(wěn)定，反映其衰變快慢程度。

§1-2射線的種類和性質(zhì)－

射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)①指數(shù)衰變規(guī)律N=N0e-λt

射線隨時(shí)間的延續(xù)而衰減。

②半衰期：放射性元素原子核數(shù)衰變掉原來(lái)原子核數(shù)的一半時(shí)，所需的時(shí)間叫半衰期。

即：=時(shí)的t（用T表示）

=e-λtln2=λt

Ln=-λt

令t=T

T

=

各種放射性同位素的衰減常數(shù)λ不同，所以半衰期也不同，探傷要求用的射線有較長(zhǎng)的半衰期、較高的能量，所以常用的有鈷、銫、銥、銩、硒。銥192普遍常用，硒開始大量采用，但價(jià)格較高。

§1-3射線與物質(zhì)的相互作用－概述高速運(yùn)動(dòng)的X射線光子流在穿越物質(zhì)時(shí)要發(fā)生一系列復(fù)雜的物理過程，射線強(qiáng)度要減弱。主要分為：－－射線的散射：射線發(fā)生了偏移－－射線的被吸收：射線被物質(zhì)吸收而轉(zhuǎn)化為其它形式的能量實(shí)踐證明：射線穿越物質(zhì)后的強(qiáng)度衰減也與射線的衰變一樣，遵循一定的統(tǒng)計(jì)規(guī)律。即它正比于射線本身的強(qiáng)度I0和穿過物質(zhì)的厚度d，對(duì)于單色窄束射線的衰減規(guī)律是：ΔI=I0-I=μ.I0.Δd(-ΔI=I-I0=μ.I0.Δd)

I=I0.e-μ.d(∫dI=∫-μI0.Δd)

:衰減系數(shù)或線衰減系數(shù),線吸收系數(shù).

線衰減系數(shù)μ:在射線方向上單位長(zhǎng)度的單位衰減.

※線衰減系數(shù)μ是由射線本身的能量及穿越物質(zhì)本身的性質(zhì)決定的§1-3射線與物質(zhì)的相互作用－概述射線強(qiáng)度的衰減主要是由三大效應(yīng)引起的：光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)和瑞利散射

電子對(duì)效應(yīng)

§1-3射線與物質(zhì)的相互作用－光電效應(yīng)一、光電效應(yīng)：

當(dāng)一個(gè)光子和原子相碰撞時(shí)，它可能將所有能量交給一個(gè)殼層電子，使殼層電子脫離原子而成為光電子，而光子被整個(gè)吸收。從內(nèi)殼層上打出電子后，則外層電子要躍遷，填補(bǔ)空位，使原子恢復(fù)到較低能量狀態(tài)，而兩個(gè)殼層的能量之差，就以標(biāo)識(shí)X射線（次級(jí)X射線）的形式釋放。定義：我們把材料原子吸收了入射線的光子全部能量，而導(dǎo)致原子對(duì)射線的強(qiáng)烈吸收而使入射束強(qiáng)度明顯下降，這種效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。只有當(dāng)入射光子的能量hv大于或等于某個(gè)殼層電子的結(jié)合Ei時(shí)，才有可能發(fā)生光電效應(yīng)。

∴hv≥Ei是產(chǎn)生光電效應(yīng)的必要條件。光電效應(yīng)主要發(fā)生在低能X射線（10～500KeV）

入射光子原子e-光電子Q光電效應(yīng)的示意圖

§1-3射線與物質(zhì)的相互作用－康普頓效應(yīng)和瑞利散射

二、康普頓效應(yīng)和瑞