射線檢測(cè)原理講課提綱(Ⅲ級(jí))

1、射線檢測(cè)原理屠耀元華東理工大學(xué)無損檢測(cè)教研室1997.10-2009.8第一節(jié) 原子與原子結(jié)構(gòu)* 學(xué)習(xí)原子和原子核結(jié)構(gòu)理論 了解射線產(chǎn)生的機(jī)理一 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)；電子在一定軌道上饒核運(yùn)動(dòng)。 * 原子是有質(zhì)量、有尺寸的一種粒子。（1）質(zhì)量：幾乎集中在原子核內(nèi)，核的密度非常大！如果：把核集中在 1cm3 的體積內(nèi)，那么：這1cm3 的體積內(nèi)核的總重量為 108 噸！ （一萬萬噸?。?（2）大小：原子半徑 10-8 cm 數(shù)量級(jí)。 原子核半徑 1

2、0-13cm 數(shù)量級(jí)。如果：核的半徑為 1cm核（1cm） 電子 * -*（約1000米） / 10-8/10-13 = 100000 倍（3）電荷：原子核帶正電；電子帶負(fù)電；原子為中性。（4）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質(zhì)子數(shù)Z=核的正電荷數(shù)=電子數(shù)=原子序數(shù) 3 原子結(jié)構(gòu)理論-玻爾理論（玻爾模型）* 20世紀(jì)初二種不同的原子結(jié)構(gòu)模型 1903年：湯姆森假設(shè)：核子與電子在原子內(nèi)均勻分布 #1911年：盧瑟福模型：行星分布 圖11* 散射實(shí)驗(yàn)否定了湯姆森假設(shè)肯定了盧瑟福模型* 盧瑟福模型不完

3、善，1913年玻爾提出了完善的原子結(jié)構(gòu)模型 -玻爾模型. 玻爾理論（玻爾模型）的要點(diǎn)：（1）原子只能存在一些不連續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)，這些穩(wěn)定狀態(tài)各有一定的能量E1、E2、E3.En。處于穩(wěn)定狀態(tài)中運(yùn)動(dòng)的電子雖然有加速度，但不發(fā)生能量輻射。能量的改變，由于吸收或 放射輻射的結(jié)果或由于碰撞的結(jié)果。（2）原子從一個(gè)能量為En的穩(wěn)定狀態(tài)過度到能量為Em的穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，它發(fā)射（或吸收）單色的輻射，其頻率決定于下列關(guān)系式（稱為玻爾頻率條件）：h=En-Em En、Em分別為較高、較低能級(jí)的能量值。穩(wěn)定狀態(tài)的改變（或能量的改變）是不連續(xù)的。4 玻爾理論中的幾個(gè)概念：* 基態(tài)：原子處于最低能量的狀態(tài)稱為基態(tài)，是穩(wěn)定狀

4、態(tài)；* 激發(fā)態(tài)：電子獲得能量從低能級(jí)軌道進(jìn)入高能級(jí)軌道，該過程 稱為激發(fā)；此時(shí)原子處于高能量狀態(tài)，稱為激發(fā)態(tài)， 激發(fā)態(tài)是不穩(wěn)定的狀態(tài)；* 原子的狀態(tài)特性：任何不穩(wěn)定狀態(tài)的原子必將自動(dòng)的回到穩(wěn)定狀態(tài)即回到基態(tài)；該過程將釋放出原子高于基態(tài)的能量，即產(chǎn)生輻射。釋放能量的過程可以一次回到基態(tài)，也可以逐次回到基態(tài)；* 躍遷：電子從一個(gè)軌道向另一個(gè)軌道的運(yùn)動(dòng)，稱為躍遷（包括從低到高；或從高到低的運(yùn)動(dòng)）；* 能級(jí)：用平行線表示核外電子所處的能量級(jí)別稱為能級(jí)，外殼層能級(jí)最高，但外殼層上的電子結(jié)合能最低。圖11 # 二 原子核1 原子核的結(jié)構(gòu) * 精確的結(jié)構(gòu)模型自今尚未建立 * 多種模型并存的狀態(tài)：殼層模型，液

5、滴模型.、2 原子核的構(gòu)成 圖13 * 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 + N3 原子核的電荷 正電荷=原子序數(shù) Z4 原子核的半徑 10-13-10-12 cm5 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#6 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。7 核內(nèi)的幾種作用力 * 庫侖力 * 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)：

6、（1）核力與電荷無關(guān)； （2）核力是短程力； （3）核力 » 100x庫侖力，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： 質(zhì)子 + 中子對(duì)對(duì)結(jié)合： 一對(duì)質(zhì)子 +一對(duì)中子 #三 元素及元素周期律1 元素的概念 （1）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.（2）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)。 圖122 同位素 * 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 圖12 #3 元素周期

7、律* 1869門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素周期律* 自然定律: 玻爾理論對(duì)元素周期律的科學(xué)解釋元素周期律揭示了：元素的性質(zhì)是隨著元素原子序數(shù)的增加而呈現(xiàn)出周期性的變化，這一變化的原因是它們的原子結(jié)構(gòu)隨著原子序數(shù)的增加而呈現(xiàn)周期變化的規(guī)律。四 放射性衰變* 原子核的重要性質(zhì)-放射性1 核的穩(wěn)定性概念 * 處于基態(tài)的穩(wěn)定性原子核. * 處于激發(fā)態(tài)的不穩(wěn)定原子核. 衰變. * 衰變的定義：在無外界作用下，不穩(wěn)定原子核自發(fā)釋放出中子和質(zhì)子，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N元素的原子核，這種現(xiàn)象稱為衰變。#* 自然衰變與人工衰變. * 穩(wěn)定同位素與不穩(wěn)定同位素 * 放射性同位素與人工放射性同位素.2 衰變 * 放射性原子核釋放出粒子的

8、過程稱為衰變。 * 衰變后，原子核內(nèi)核子數(shù)的變化：粒子是氦的原子核（He) 核內(nèi)：2個(gè)質(zhì)子，2個(gè)中子一次衰變：質(zhì)子數(shù)減少二個(gè)，中子數(shù)減少二個(gè)，原子量減少4。圖13* 粒子所形成的射線是一種電離輻射。3 衰變 * 放射性原子核釋放出粒子的過程稱為衰變。#* 衰變后，原子核內(nèi)核子數(shù)的變化：粒子是電子, 一次衰變：質(zhì)子數(shù)增加一個(gè)，原子量不變。圖134 衰變(輻射) * 放射性原子核釋放出光子的過程稱為衰變(輻射)。* 衰變通常是在衰變和衰變過程中發(fā)生的。 * 射線的釋放不影響原子核的核子數(shù)，僅減少原子核的能量。* 并非每一個(gè)衰變和衰變都釋放光子。5 人工放射性 * 用高能粒子轟擊穩(wěn)定原子核，使其變成

9、不穩(wěn)定的具有放射性的原子核，這些原子核具有人工放射性。 * 鈷60的典型衰變 圖25 #第二節(jié) 射線的種類和性質(zhì)* 了解射線的各種性質(zhì)及應(yīng)用一、 X射線和射線的本質(zhì)與性質(zhì)1 本質(zhì)： 電磁波* X射線、射線、可見光、無線電波、紅外線都是電磁波* X射線和射線是波長(zhǎng)較短的電磁波無線電波 紅外線 可見光 紫外線 X射線 宇宙射線 -|-|-|-|-|- |-| 射線2 波動(dòng)關(guān)系：=C/（波長(zhǎng) A），C（光速），（頻率） 1-1.40(T8)3 波長(zhǎng)單位： 埃 A=10-8 cm ；納米 nm=10-7 cm. #4 性質(zhì)： （1）不可見，在真空中以光速傳播； （2）不帶電，不受電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響； （

10、3）具有某些光學(xué)特性：反射，折射（折射系數(shù)近似1），干涉和衍射.； （4）具有極大的能量，能穿透物體； （5）能使物質(zhì)電離，能產(chǎn)生熱效應(yīng)和光化作用； （6）能殺傷生物細(xì)胞，破壞生物組織，具有輻射生物效應(yīng)。#二 連續(xù)X射線（白色X射線，多色X射線） * X射線: 射線束中包括- 連續(xù)X射線和特征X射線1 產(chǎn)生機(jī)理：根據(jù)電動(dòng)力學(xué)理論，作加速運(yùn)動(dòng)（包括負(fù)加速運(yùn)動(dòng)）的帶電粒子將產(chǎn)生電磁輻射。X射線管內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)的電子與靶原子碰撞時(shí)，與原子核外庫侖場(chǎng)作用，而產(chǎn)生電磁輻射，稱為韌致輻射。這種輻射又由于是電子急劇停速引起的所以又稱停速輻射圖21 2 連續(xù)X射線譜及最短波長(zhǎng)：圖22* 根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論，韌致

11、輻射的能量與停速時(shí)間 t成反比1E - t-連續(xù)變化，E-連續(xù)變化， t E=h=hc / -連續(xù)變化#* min的導(dǎo)出：電場(chǎng)能 = 電子動(dòng)能 = 光子能 + 消耗能1Ue = - MV2 = h + p 圖2121 h= - MV2 - p= Ue -p2Ue如果 p ->0 則 hmax » Ue max =-; =c/hc 12.4 h min = - = - (h、c、e均為常數(shù)）Ue U單位：min：埃。 U：千伏。 #例： U=200Kv, min =12.4 / 200= 0.062 埃* 連續(xù)譜 變化規(guī)律：1.管電壓變；2.管電流變；3.濾波的影響； 4.Z的影

12、響。圖22 3 連續(xù)X射線強(qiáng)度分布曲線及強(qiáng)度計(jì)算：圖22* 連續(xù)譜曲線 I（） 極其復(fù)雜！ 總強(qiáng)度： 求面積積分 * * I = I（） d=K Zi Um =KZiU2 (m=2) * min式中：K-系數(shù) 1.1-1.4×10-9 /v Z-原子序數(shù) ； i-管電流 ； U-管電壓 * 影響強(qiáng)度的因素 U、Z、i #4 連續(xù)X射線的效率（轉(zhuǎn)換效率）： 連續(xù)X射線強(qiáng)度 KZiU2 * 計(jì)算公式 =-=- =KUZ * 電功率 iU * K值：K= 1.1-1.4×10-9 /v；K= 1.1-1.4×10-6 /Kv* 影響轉(zhuǎn)換效率的因素 K、 U、 Z * 例

13、：Z=74；U=200；求=1.4×10-6 ×74×200=2% 5 連續(xù)X射線的空間強(qiáng)度分布：圖23* 垂直方向不是強(qiáng)度最大方向 * 實(shí)際曝光場(chǎng)是一個(gè)橢圓 * 通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定曝光場(chǎng)的強(qiáng)度分布 #三 標(biāo)識(shí)X射線（特征X射線，線狀X射線，單色X射線）1 標(biāo)識(shí)X射線產(chǎn)生機(jī)理圖24* 能量較大的電子入射到靶材料的原子中，與殼層電子碰撞，擊出內(nèi)電子，使原子處于激發(fā)態(tài)（吸收）；激發(fā)態(tài)原子釋放能量發(fā)射光子（輻射）。即發(fā)射標(biāo)識(shí)X射線。產(chǎn)生標(biāo)識(shí)X射線的條件：管電壓>某一臨界值時(shí)，才能產(chǎn)生標(biāo)識(shí)X射線。例 ： W 靶：69.5KV 開始產(chǎn)生標(biāo)識(shí)X射線；Mo靶：20KV 開始產(chǎn)生

14、標(biāo)識(shí)X射線； 2 標(biāo)識(shí)譜及其特征 圖24* 標(biāo)識(shí)X射線譜是疊加在連續(xù)譜上的單色譜。其線系為：* 入射到K層的發(fā)射K系標(biāo)識(shí)X射線， K K* 入射到L層的發(fā)射L系標(biāo)識(shí)X射線, L L. * 入射到M層的發(fā)射M系標(biāo)識(shí)X射線, MM.四 連續(xù)X射線與標(biāo)識(shí)X射線的區(qū)別 （1） 產(chǎn)生機(jī)理不同. （2） 能量與波譜不同. （3） 強(qiáng)度不同.X射線管產(chǎn)生的X射線包括：連續(xù)X射線和標(biāo)識(shí)X射線五 射線 )1 產(chǎn)生原理 * 原子核的重要性質(zhì)-放射性 * 貝克勒爾發(fā)現(xiàn)，射線 * 原子核的能級(jí)和衰變后的能級(jí)狀況, 多余能量的釋放* 放射性同位素產(chǎn)生或衰變之后，若仍處于高能級(jí)的激發(fā)狀態(tài)，必定要釋放多余的能量回到低能級(jí)的

15、穩(wěn)定狀態(tài)（基態(tài)），這時(shí)發(fā)射射線。圖25 #2 衰變規(guī)律與半衰期* 衰變規(guī)律： N=Noe-t式中：No-初始狀態(tài)的放射性原子核數(shù)（或強(qiáng)度）；N -t 時(shí)間后的放射性原子核數(shù)（或強(qiáng)度）； -衰變常數(shù)。* 并非每一次衰變都發(fā)射射線。 * 放射性同位素的能量不隨時(shí)間改變。 * 半衰期的定義：放射性同位素原子核數(shù)（或強(qiáng)度）衰變到一半時(shí)所需的時(shí)間稱為該同位素的半衰期。記以T 。 #* 半衰期公式的推導(dǎo)：N 1- = - = e-TNo 2二邊取自然對(duì)數(shù)，Ln(1/2)=-T -> Ln2=0.693所以： 0.693T= - 例：Co60 T=5.3年 =0.693/5.3年=0.130/年* 半

16、衰期的簡(jiǎn)便計(jì)算公式N 1-=(-)t/T （t/T）即有多少個(gè)半衰期No 2 #3 射線譜 -線狀譜 * 60Co: 2根； 192Ir:24根； 137Cs:1根； 圖254 射線的能量 能量決定穿透力 * 穿透力取決于源的種類和性質(zhì)（后面專題討論）5 射線的強(qiáng)度 * 單位時(shí)間落到單位面積上的光子數(shù) （后面專題討論）6 X射線和射線比較 * 相同點(diǎn) * （1）都是電磁波，本質(zhì)相同； * （2）都具有反射，折射等光學(xué)性質(zhì)； * （3）都能使膠片感光； * （4）都是電離輻射能對(duì)人和生物造成危害； * （5）穿過物體時(shí)具有相同的衰減規(guī)律. #* 不同點(diǎn) * （1）產(chǎn)生方式不同； 3-1.2 (T

17、371) * （2）能量不同：X-可控，可調(diào)，取決于管電壓； * -不可控，不可調(diào)，取決于源的性質(zhì)；* （3）強(qiáng)度不同：X-可控，可調(diào)，取決于U，i, Z； * -隨時(shí)間變化； * （4）波譜形式不同。7 工業(yè)探傷用的放射性同位素 * 常用源：Co60，Cs137,Ir192,Tm170. * 衰變規(guī)律：要求了解Co60 和 Cs137. 圖25 * 能量 #* 半衰期 * 放射常數(shù)（特征強(qiáng)度）Kr. （詳細(xì)內(nèi)容在后面介紹） * 制取方式:天然；中子激活（轟擊）：Co59+no->Co60;Ir191+no->Ir192；核反應(yīng)不能逆轉(zhuǎn)，不能恢復(fù)！*1-1.37(T27)核裂變：C

18、s137: U235裂變生成Cs137.六 波粒二象性 1 波動(dòng)特性電磁波和機(jī)械波二大類波；無質(zhì)量、無電荷的振動(dòng)傳播 具有波長(zhǎng)、波速、頻率； C= #2 粒子特性 ：粒子，粒子，中子，質(zhì)子等有質(zhì)量的粒子發(fā)射。量子化能量 E= h 一份一份傳播3 波粒二象性的體現(xiàn)： E= h= hc/4 波粒二象性的推廣：一切微觀粒子都具有波粒二象性5 X射線，射線，中子射線，射線，射線.具有波粒二象性七 射線的種類及其在探傷中的應(yīng)用1 種類： （1） 電磁波類：X射線，射線，以及紅外線，紫外線，微波等. （2） 粒子類：射線，射線（電子射線），質(zhì)子射線，中子射線等 . #2 中子射線的衰減特性： （1）衰減系

19、數(shù)與Z 之間沒有規(guī)律; 圖27 （2）有些重元素中衰減小，有些輕元素中衰減大。3 應(yīng)用 * 內(nèi)部缺陷的探測(cè)：X,中子 * 表面缺陷的探測(cè)：微波，紅外線，激光 * 特殊結(jié)構(gòu)的探測(cè)：炮彈（中子） * 金屬構(gòu)件的探測(cè)：X,中子 * 非金屬構(gòu)件的探測(cè)：微波，激光 3-1.1(T370) #八 射線的能量與強(qiáng)度* 能量與強(qiáng)度是一種力量的量度，能量是力量的質(zhì)的體現(xiàn)；強(qiáng)度是力量的量的體現(xiàn)。 * 射線對(duì)物體的穿透和對(duì)膠片的感光，是其能量和強(qiáng)度的具體表現(xiàn)，因此透測(cè)的理解能量與強(qiáng)度概念，是十分重要的。1 能量 * 射線的穿透力取決于射線的能量,能量也可稱為線質(zhì)； * 能量的單位：ev 或 爾格 1ev=1.6x1

20、0-12 爾格。* X射線（光子）能量的表達(dá)與計(jì)算 * E = h = hc / = 0.0124/ 2-1.11(T139) * 或 = 0.0124 / E * 以上二式中，E的單位：Mev; 的單位：埃。 * 或者 = 12.4 / E（與min=12.4/U 有本質(zhì)區(qū)別） * 這里： E的單位：Kev; 的單位：埃。 * 連續(xù)X射線的能量取決于管電壓；* 標(biāo)識(shí)X射線的能量達(dá)到臨界電壓后與管電壓變化無關(guān)； * 標(biāo)識(shí)X射線的能量與靶材料有關(guān)； 1-1.42(T12)* 射線的能量（穿透力）取決于源的種類和性質(zhì)；* 60Co： 1.17Mev 1.33Mev。 137 Cs: 0.66Mev

21、 * 192Ir: 0.35Mev（實(shí)際上有12組不同的能量）* 平均能量 Co60: （1.17Mev+1.33Mev ）/2=1.25Mev* 當(dāng)量能：射線的穿透力相當(dāng)于X射線同等穿透力所對(duì)應(yīng)的管電壓值，稱為當(dāng)量能。1-1.23( T14)， 1-1.39(T15) #* 如何確定220KV射線的能量： * 先求 :min = 12.4 / U= 0.05636(AO ) * 再求 :最短波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的射線能量 * Emax= h/ min=0.220 (Mev) * 即： 220kv管電壓產(chǎn)生的X射線光子最大能量0.22Mev。* 比較：CO60 ； 220KV管壓發(fā)射的X射線；15Mev

22、加速器所產(chǎn)生的射線能量的大小。2 強(qiáng)度 * 射線對(duì)膠片的感光取決于它的強(qiáng)度。 * 強(qiáng)度的量度：計(jì)數(shù)器，次/秒。 * 強(qiáng)度的量度常用相對(duì)強(qiáng)度，相對(duì)強(qiáng)度無量綱。絕對(duì)強(qiáng)度常用次/秒 或 倫琴。#* 強(qiáng)度的變化因素： （A） 強(qiáng)度-距離平方反比律 圖26 （B） 穿過物體后的強(qiáng)度衰減規(guī)律* 連續(xù)X射線的強(qiáng)度 I =KZiU2 1-1.43(T11)* 標(biāo)識(shí)X射線的強(qiáng)度 I =i(U-U激發(fā)）2* 射線的強(qiáng)度射線的強(qiáng)度有二個(gè)不同的概念 （A）放射強(qiáng)度：（又稱活度，活性）放射性同位素單位時(shí)間產(chǎn)生衰變的次數(shù)稱為放射強(qiáng)度。常用居里作為單位。1居里（Ci)=3.7×1010 /秒 * 放射強(qiáng)度隨時(shí)間的

23、改變而改變，其變化規(guī)律為： * I=Ioe -t #* 比活度：每克放射性物質(zhì)的放射強(qiáng)度稱為比活度。單位： 居里/克。（B）照射強(qiáng)度：（又稱輻照強(qiáng)度，照射量率）單位時(shí)間內(nèi)落在一定距離的照射面上(嚴(yán)格定義應(yīng)為“標(biāo)準(zhǔn)狀況下，一立方厘米空氣內(nèi)）的射線量，稱為照射量率或照射強(qiáng)度。照射強(qiáng)度的常用單位為 ： 倫琴（R）/小時(shí)。* 照射強(qiáng)度的變化規(guī)律： （A）距離-平方反比律 ； （B）穿過物體時(shí)的衰減規(guī)律 圖26 #（3）放射強(qiáng)度和照射強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換關(guān)系 * （A）通過放射常數(shù)Kr（又稱特征強(qiáng)度，或記為rhm）轉(zhuǎn)換 。 轉(zhuǎn)換公式： A´Kr * I =- （倫/時(shí)） * R ´ R * 對(duì)

24、每種射線源來說，Kr（rhm）是常數(shù)。 * Kr（rhm）的含義：放射強(qiáng)度為1居里的源，相距1米處的照射強(qiáng)度值稱為特征強(qiáng)度，或放射常數(shù)Kr.以Co60為例 : ， Co60源 1米 |1.32 R/h * (1居里）*-| * 單位為：居里，米時(shí) Kr為： 1.32 （m×m×R/h×居里 ）毫居里，厘米時(shí) Kr為： 13.2 （cm×cm×R/h×毫居里） #60Co 137Cs 170Tm 192Ir * Kr(rhm): 13.2 3.28 0.013 4.72 * 例：5居里60CO源，3米處的照射強(qiáng)度是多少? * 5居里=

25、5000毫居里 * 5000（毫居里）×13.2(cm×cm × R /h×毫居里) * I =- * 300cm×300cm * = 0.73R/h例2：10居里的192Ir 源，3米處的照射強(qiáng)度各是多少?* 10000（毫居里）×4.72(cm×cm×R /h×毫居里) * I =- * 300cm×300cm * = 0.52R/h (B) 通過克鐳當(dāng)量轉(zhuǎn)換 * 轉(zhuǎn)換公式： * M×8.4 * I = -(倫琴/時(shí)） * R×R * 對(duì)每種射線源來說，M是常數(shù)。 * M