射線檢測原理

3射線檢測3-1射線檢測原理射線透過被檢物體時，有缺陷部位與無缺陷部位對射線上的吸收能力不同以金屬材料為例，缺陷部位(氣孔或非金屬夾雜物)對射線的吸收能力低于金屬基體。透過缺陷部位的射線強度高于無缺陷部位，根據(jù)透過工件后射線強度的差異，來檢測缺陷。目前，廣泛采用射線照相法，利用感光膠片來檢測射線強度，膠片上相應(yīng)有缺陷部位因接受較多射線，而形成黑度較大的缺陷影象。射線透過無缺陷部位強度式中J1-射線透過厚度為A后的強度，J0-射線透過工件前的強度，μ-材料線衰減系數(shù)，A-透過層材料厚度。射線透過有缺陷部位強度(缺陷假設(shè)為氣孔)式中x-缺陷在射線方向的厚度兩者強度比為可見缺陷沿射線透照方向長度x越大或被透物質(zhì)線吸收系數(shù)μ越大，則透過有缺陷部位和無缺陷部位的射線強度差越大，膠片上缺陷與基體的黑度差越大，缺陷越容易被發(fā)現(xiàn)。5-1-1射線的本質(zhì)射線是一種電磁波，與無線電波、紅外線、可見光、紫外線等本質(zhì)相同，具有相同的傳播速度，但頻率與波長不同。射線的波長短、頻率高，具有許多與可見光不同的性質(zhì)：

A不可見，依直線傳播

B不帶電荷，因此不受電場和磁場影響

C能透過可見光不能透過的物質(zhì)

D與可見光同樣有反射、干涉、繞射、折射等現(xiàn)象，但這些現(xiàn)象又與可見光有區(qū)別，如x射線只有漫反射，不能產(chǎn)生如鏡面反射。

E使物質(zhì)產(chǎn)生光電子及返跳電子、以及引起散射現(xiàn)象

F被物質(zhì)吸收產(chǎn)生熱量

G使氣體電離

H使某些物質(zhì)起光化學(xué)作用，使照相膠片感光，又能使某些物質(zhì)發(fā)生熒光

I產(chǎn)生生物效應(yīng)、傷害及殺死有生命的細胞3-3-2射線的種類1)X射線與γ射線這是射線檢測中最常用的兩種射線，X射線是由人為的高速電子流撞擊金屬靶產(chǎn)生的。

γ射線是放射性物質(zhì)自發(fā)產(chǎn)生的，如鈷、鈾、鐳等，兩者產(chǎn)生的機理不同，但都是電磁波。(2)α射線與β射線放射性同位素產(chǎn)生α衰變和β衰變，放射α射線和β射線，α射線貫穿能力弱，但有很強的電離作用。β射線雖然穿透力強，但能量很小。一般并不直接用α射線和β射線進行檢測，它們適用于特種場合。與X射線和γ射線不同，α射線和β射線不是電磁波，而是粒子輻射。(3)中子射線中子是呈電中性的微粒子流，不是電磁波，這種粒子流具有巨大的速度和貫穿能力。中子與X和γ射線有很大不同，在被穿透材料中的衰減主要取決于材料對中子的俘獲能力。對鉛來說，X和γ射線穿透能量衰減很大，但俘獲中子的能力很小。對氫來說正好相反。3-1-5射線的獲得(1)X射線的獲得X射線是由一種特制的X射線管產(chǎn)生的，由陰極、陽極和高真空的玻璃或陶瓷外殼組成，陰極是一加熱燈絲，用于發(fā)射電子，陽極靶是由耐高溫的鎢制成。工作時在兩極之間加有高電壓，從陰極燈絲發(fā)射的高速電子撞擊到陽極靶上，其動能消耗于陽極材料原子的電離和激發(fā)，然后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽糠蛛娮釉谠雍藞鲋惺艿郊眲∽柚梗a(chǎn)生所謂韌致X射線，即連續(xù)X射線。為減少電子在飛往陽極過程中與氣體粒子相碰撞損失動能，射線管需抽成10-4～10-5Pa真空。電子流動能的絕大部分(>97%)轉(zhuǎn)化為熱能，因此陽極材料一般應(yīng)選用耐高溫材料并通以介質(zhì)加冷卻。動能中僅一小部分(～3%)轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線。陰極發(fā)射電子的數(shù)量，決定了從陰極飛往陽極電子流大小(管電流)，而X射線的穿透能力則決定于電子從陰極飛往陽極的運動速度，與兩極之間電壓(管電壓)有關(guān)。管電壓愈高，所產(chǎn)生X射線的穿透能力愈大，波長愈短。圖中可見，只改變管電流時，X射線輻射強度只是在原有各波長下相應(yīng)增加。只改變管電壓時、則除原來各波長相應(yīng)增加輻射強度外，還出現(xiàn)了更短波長的X射線。燈絲的外加電流越大，產(chǎn)生的電子數(shù)量越大，射線強度越高；射線能量是管電壓的函數(shù)，所施電壓越高，則輻射的能量越高。射線能量是其唯一的特征量，射線能量與波長及穿透能力直接相關(guān)。能量越高，波長越短，穿透能力越強。X射線管單位時間內(nèi)所發(fā)出的連續(xù)X射線的全部能量的近似公式為式中η0-常數(shù)(×10-9)，I-管電流(A)，Z-陽極靶原子序數(shù)(鎢Z=74)，U-管電壓(V)。

X射線管的轉(zhuǎn)換效率為其它轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮墚?dāng)U=100kV時η=0.7%200kV1.5%300kV2.2%400kV3%1MV7%5MV37%由此可見，提高管電壓可顯著提高轉(zhuǎn)換效率

(2)γ射線的獲得放射性同位素是一種不穩(wěn)定的同位素，處于激發(fā)態(tài)，原子核能級高于基級，向基級轉(zhuǎn)變同時釋放出γ射線，其能量等于兩個能級間差。射線檢測中所用的γ射線源，是由核反應(yīng)制成的人工放射源，應(yīng)用較廣的γ射線源有鈷60、銥192、銫137、銩170等。

銫137因其放射性比活度低，又易造成環(huán)境污染，能量單一、不宜檢測厚薄不均勻工件等原因而日趨淘汰。鈷60的獲得，是將同位素鈷59，在原子反應(yīng)堆里的中子流沖擊下，激發(fā)形成不穩(wěn)定的同位素即鈷60，釋放γ射線以及少量α射線和β射線。放射性同位素的原子核，在自發(fā)地放射出γ射線后能量逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫做衰變。各種放射性同位素都有自己特定衰變速度，稱為衰變常數(shù)(λ)，它表示單位時間內(nèi)衰變核的數(shù)量與尚未衰變核的數(shù)量之比式中N-物質(zhì)在t時尚未衰變的原子數(shù)，N0-原有物質(zhì)原子數(shù)，e-自然對數(shù)底，λ-物質(zhì)衰變常數(shù)。放射同位素原子數(shù)隨時間呈指數(shù)減少，放射性同位素以原有N0個原子因衰變而減少到N0/2個原子所需的時間，稱為半衰期(T)。以使用最廣的鈷60為例，其半衰期為5.3年在單位時間內(nèi)衰變的原子核數(shù)量，稱為放射性活度，以α表示，單位為居里(Ci)某種物質(zhì)每秒鐘有3.7×1010個原子衰變，則該物質(zhì)的放射性活度為1Ci(居里)單位質(zhì)量放射性物質(zhì)的活度稱為比活度，單位為Ci/g(居里/克)γ射線的強度可由測量儀器引起的電離程度來決定，單位是R(倫琴)1R輻射強度，等于在0℃及105Pa壓力下，在1cm3空氣中電離引起離子絕對值總和為一個絕對靜電單位。(3)高能X射線的獲得普通X射線和γ射線檢測，由于其能量低、穿透能力差，檢測能力受到限制。超過100mm厚鋼板不能用一般X射線檢測，超過300mm厚鋼板很難用γ射線進行檢測。此時可采用加速器產(chǎn)生的高能X射線檢測，例如對厚度達300～500mm的鋼板，采用高能X射線檢測可獲得滿意結(jié)果。高能X射線是指能量超過1000kV的射線，這種高能X射線都由加速器產(chǎn)生。被加速粒子的能量在1000MeV以上是高能加速器，能量在100MeV以下是低能加速器，能量在100～1000MeV之間是中能加速器。按加速器種類可以分為電子加速器、質(zhì)子加速器、重離子加速器以及全離子加速器等。射線檢測中應(yīng)用的加速器都是電子加速器，能量數(shù)兆電子伏到數(shù)十兆電子伏范圍內(nèi)，一般都在45MeV以下，即用低能電子加速器產(chǎn)生。檢測對加速器的要求是束流強度大、焦點尺寸小、體積小、重量輕、成本低、操作容易、維護簡單等。適合工業(yè)無損檢測用加速器，主要有電子感應(yīng)加速器、電子直線加速器和電子回旋加速器。(4)中子射線的獲得中子射線檢測時常根據(jù)不同用途選用不同能量的中子，如冷中子、熱中子和快中子等。中子照相主要是用熱中子，中子源放射出來的快中子由于能量高，不適合照相，需經(jīng)慢化后變成低能熱中子，由準(zhǔn)直器引出。目前可供照相用的中子源有核反應(yīng)堆、加速器和放射性同位素，常用的為(锎Cf252)(锎)Cf252中子源的半衰期2.65年，產(chǎn)額2.3×1012中子/s/g，目前價各還很貴。利用Cf252可做成可移動式中子照相裝置。另一種可移動中子裝置，核心是與密封管中子發(fā)生器組合在一起的慢化器，與Cf252中子源不同之處是可以關(guān)閉，不運行時無需屏蔽。國外中子管的中子產(chǎn)額已達1012中子/s，完全可以滿足照相的要求。從中子照相來說，要求中子射線強度大、射線束質(zhì)量高、便宜、方便、操作靈活等。目前，強度大的源是核反應(yīng)堆，但它投資大、笨重、無法用于生產(chǎn)現(xiàn)場。而小型加速器、中子管、同位素中子源等雖然靈巧、方便，但強度總的來說還不夠高。3-1-4射線的衰減特性射線對物質(zhì)的作用理論上有12