射線檢測的物理基礎(chǔ)

射線檢測的物理基礎(chǔ)第一頁，共八十八頁，2022年，8月28日本章節(jié)的內(nèi)容原子與原子結(jié)構(gòu)射線的種類和性質(zhì)射線與物質(zhì)的相互作用射線照相法的原理與特點第二頁，共八十八頁，2022年，8月28日第一節(jié)原子與原子結(jié)構(gòu)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，是元素的具體體現(xiàn),是體現(xiàn)元素性質(zhì)的最小微粒,由原子核和核外電子構(gòu)成。2原子的構(gòu)成：圖11動畫演示*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動；電子在一定軌道上饒核運動。*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?。ㄒ蝗f萬噸?。┑谌?，共八十八頁，2022年，8月28日（2）大?。涸影霃?0-8

cm數(shù)量級。原子核半徑10-13cm數(shù)量級。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)第四頁，共八十八頁，2022年，8月28日原子結(jié)構(gòu)理論

.第五頁，共八十八頁，2022年，8月28日

3原子結(jié)構(gòu)理論*20世紀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*α散射實驗否定了湯姆森假設(shè)肯定了盧瑟福模型*盧瑟福模型不完善，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：（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)中運動的電子雖然有加速度，但不發(fā)生能量輻射。能量的改變，是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，它發(fā)射（或吸收）單色的輻射，其頻率υ決定于下列關(guān)系式（稱為玻爾頻率條件）：

hυ（光量子能量）=En-EmEn、Em分別為較高、較低能級的能量值。穩(wěn)定狀態(tài)的改變（或能量的改變）是不連續(xù)的第六頁，共八十八頁，2022年，8月28日4玻爾理論中的幾個概念：圖11*基態(tài)：原子處于最低能量的狀態(tài)稱為基態(tài)，是穩(wěn)定狀態(tài)；*激發(fā)態(tài)：電子獲得能量從低能級軌道進入高能級軌道，該過程稱為激發(fā)；此時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：電子從一個軌道向另一個軌道的運動，稱為躍遷（包括從低到高；或從高到低的運動）；*能級：用平行線表示核外電子所處的能量級別稱為能級，外殼層能級最高，但外殼層上的電子結(jié)合能最低。第七頁，共八十八頁，2022年，8月28日二原子核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)量第八頁，共八十八頁，2022年，8月28日

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：庫侖力是靜電力，是電荷間的作用力

*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）核力與電荷無關(guān)；（2）核力是短程力；（3）核力比庫侖力約大100倍，是強相互作用力；（4）核力促成粒子的二種結(jié)合形式成對結(jié)合：質(zhì)子+中子對對結(jié)合：一對質(zhì)子+一對中子第九頁，共八十八頁，2022年，8月28日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：所有一個核電荷數(shù)的原子稱為氫元素，所有八個核電荷數(shù)的原子稱為氧元素...（2）元素符號:表示某種元素的一個符號

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。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第十頁，共八十八頁，2022年，8月28日3元素周期律*1869門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素周期律*自然定律:玻爾理論對元素周期律的科學(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1原子核的重要性質(zhì)----放射性*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)的原子核是不穩(wěn)定的?？偸峭ㄟ^衰變釋放能量，變成另一種核素回歸到基態(tài)。*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.第十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日射線和輻射射線:由各種放射性核素發(fā)射出的、具有特定能量的粒子或光子束流。輻射：射線由射線源向外發(fā)射的過程。帶電離子貫穿物質(zhì)的本領(lǐng)較差不帶電離子電中性貫穿物質(zhì)的本領(lǐng)較強廣泛用于無損檢測第十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日2α衰變*放射性原子核釋放出α粒子的過程稱為α衰變，放出帶2個正電荷的氦核。*α衰變后，原子核內(nèi)核子數(shù)的變化：

α粒子是氦的原子核（He)核內(nèi)：2個質(zhì)子，2個中子一次α衰變：質(zhì)子數(shù)減少二個，中子數(shù)減少二個，原子量減少4。圖13*α粒子所形成的α射線是一種電離輻射。α射線穿透能力很小，在空氣中也只能飛行幾個厘米，但電離能力很強。3β衰變放射性原子核釋放出β粒子的過程稱為β衰變。*β衰變后，原子核內(nèi)核子數(shù)的變化：

β粒子是電子,一次β衰變：質(zhì)子數(shù)增加一個，原子量不變。圖13β粒子所形成的β射線也是一種電離輻射。

β射線是正電子流或負電子流,它穿透能力較大，可穿透幾毫米厚的鋁，但電離作用較弱。第十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日4γ衰變(輻射)放射性原子核釋放出γ光子的過程稱為γ衰變(輻射)。

γ衰變通常是在α衰變和β衰變過程中發(fā)生的。

γ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α衰變和β衰變都釋放γ光子。

γ射線是波長很短的電磁波，穿透物體的能力很強，甚至可以穿透幾個厘米厚的鉛板，但電離作用很小。5人工放射性用高能粒子轟擊穩(wěn)定原子核，使其變成不穩(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251.鈷60是由穩(wěn)定同位素鈷59被中子照射后形成的。2.鈷60不穩(wěn)定，放出β粒子變成同位素鎳60，受激狀態(tài)的鎳60，連續(xù)放出2個各帶有1.17和1.33MeV的γ射線光子后變?yōu)榉€(wěn)定狀態(tài)。第十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日原子結(jié)構(gòu)匯總第十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日

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γ射線的本質(zhì)與性質(zhì)1本質(zhì)：電磁波從科學(xué)的角度來說，電磁波是能量的一種，凡是能夠釋出能量的物體，都會釋出電磁波。正像人們一直生活在空氣中而眼睛卻看不見空氣一樣，人們也看不見無處不在的電磁波。電磁波為橫波。

第十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日電磁波的磁場、電場及其行進方向三者互相垂直。振幅沿傳播方向的垂直方向作周期性交變（如圖所示），其強度與距離的平方成反比，波本身帶動能量，任何位置之能量功率與振幅的平方成正比。磁能隨著電場與磁場的周期變化以電磁波的形式向空間傳播出去，不需要介質(zhì)也能向外傳遞能量，這就是一種輻射。如太陽與地球之間的距離非常遙遠，但在戶外時，我們?nèi)匀荒芨惺艿教柟獾墓馀c熱。由于輻射強度隨頻率的減小而急劇下降，因此波長為幾百千米（105米）的低頻電磁波強度很弱，通常不為人們注意。第十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日.*X射線、γ射線、可見光、無線電波等都是電磁波*X射線和γ射線是波長較短的電磁波第十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日了解波長：

無線電波3000米～0.3毫米。

紅外線0.3毫米～0.75微米。

可見光0.7微米～0.4微米。

紫外線0.4微米～10毫微米

X射線10毫微米～0.1毫微米

γ射線0.1毫微米～0.001毫微米

高能射線小于0.001毫微米

傳真（電視）用的波長是3～6米；

雷達用的波長更短，3米到幾毫米。第十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日2波動關(guān)系：λ=C/υλ（波長A），C（光速），υ（頻率）3波長單位：埃

?=10-10m=10-8cm；納米nm=10-10m=10-7cm.4性質(zhì)：（1）不可見，在真空中以光速傳播；

（2）不帶電，不受電場和磁場的影響；（3）具有某些光學(xué)特性：產(chǎn)生漫反射（不能產(chǎn)生鏡面反射）和折射（折射系數(shù)近似1）；（4）能產(chǎn)生干涉和衍射（在鋁合金和不銹鋼中產(chǎn)生衍射斑紋）；（5）具有極大的能量，能穿透物體；（6）能使物質(zhì)電離，能產(chǎn)生熱效應(yīng)和光化作用；（7）能殺傷生物細胞，破壞生物組織，具有輻射生物效應(yīng)。第二十頁，共八十八頁，2022年，8月28日射線的種類和性質(zhì)二X射線的產(chǎn)生及其特點X射線的產(chǎn)生：陰極燈絲通電加熱---放出電子---在高壓下高速撞擊陽極靶面---部分以X射線能量形式輻射出來

陽極高電壓陰極電子-+X射線發(fā)生器曝光記錄設(shè)備X射線產(chǎn)生示意圖輻射滲透試樣第二十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日連續(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)生機理：根據(jù)電動力學(xué)理論，作加速運動（包括負加速運動）的帶電粒子將產(chǎn)生電磁輻射。X射線管內(nèi)高速運動的電子與靶原子碰撞時，與原子核外庫侖場作用，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212連續(xù)X射線譜及最短波長：圖22*根據(jù)經(jīng)典電動力學(xué)理論，韌致輻射的能量與停速時間Δt成反比E∽1/ΔtΔt--連續(xù)變化，E--連續(xù)變化，

E=hυ=hc/λλ--連續(xù)變化第二十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日

*

λmin的導(dǎo)出：電場能=電子動能=光子能+消耗能eV=MV2/2=hυ+p圖21

∴hυ=MV2/2-p=eV–p消耗能遠小于光子能，故忽略消耗能,即：

p—>0則hυmaxeVυmax=eV/h;υ=c/λ

∴λmin=hc/eV=12.4/V(h、c、e均為常數(shù)）單位：λmin：埃。U：千伏。例：U=200kV,λmin=12.4/200=0.062埃第二十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日*連續(xù)譜變化規(guī)律：1.管電壓變化；2.管電流變化；3.濾波的影響；4.靶材料原子序數(shù)Z的影響。圖223連續(xù)X射線強度分布曲線及強度計算：圖22*連續(xù)譜曲線I（λ）極其復(fù)雜！總強度：求面積積分*∞*I=∫I（λ）dλ=KZiV2

*λmin式中：K--系數(shù)1.1--1.4×10-6

/Kv

Z--原子序數(shù)；i--管電流(mA)；V--管電壓(kV)*影響強度的因素V、Z、i第二十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日管電壓、管電流變化對X射線譜的影響

大家要了解并會運用這個公式，對于特定的射線機，其強度與管電壓的平方成正比。曝光量E＝It也就是說曝光時間與管電壓的平方成反比。第二十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日例：某單位用X射線機透照一工件，在150KV的管電壓下，曝光5分鐘，得2.5的黑度值，其它透照參數(shù)不變，現(xiàn)將管電壓提到180KV，要得到相同的黑度值(沖洗條件一樣），其曝光時間應(yīng)為多少分鐘？解：由題意已知，U1＝150KV

t1=5E1=E2(黑度相同）U2＝180KV求t2=？由公式E=ItI=KZiU2

可推導(dǎo)出：KZiU12t1=

KZiU22t2t2=U12t1/U22=(150/180)2×5=3.5分鐘答：180KV時的曝光時間應(yīng)為3.5分鐘第二十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日4連續(xù)X射線的效率（轉(zhuǎn)換效率）：

*計算公式

η=連續(xù)X射線強度/電功率=KZiV2/iV=KVZ*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、V、Z*例：Z=74；V=200kV；求ηη=1.4×10-6×74×200=2%5連續(xù)X射線的空間強度分布：圖23

*垂直方向不是強度最大方向*實際曝光場是一個橢圓*通過實驗測定曝光場的強度分布第二十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日三標識X射線（特征X射線，線狀X射線，單色X射線）

1標識X射線產(chǎn)生機理圖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)射標識X射線。產(chǎn)生標識X射線的條件：管電壓>某一臨界值時，才能產(chǎn)生標識X射線。在無損檢測中，因強度低，幾乎不起作用例：W靶：69.5KV開始產(chǎn)生標識X射線；

Mo靶：20KV開始產(chǎn)生標識X射線；2標識譜及其特征圖24*標識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系標識X射線，KαKβ…

*入射到L層的發(fā)射L系標識X射線,LαLβ...第二十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日四連續(xù)X射線與標識X射線的區(qū)別（1）產(chǎn)生機理不同.…（2）能量與波譜不同.…（3）強度不同.…

X射線管產(chǎn)生的X射線包括：連續(xù)X射線和標識X射線γ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)α，β，γ射線放射性同位素產(chǎn)生α或β衰變之后，若仍處于高能級的激發(fā)狀態(tài)，必定要釋放多余的能量回到低能級的穩(wěn)定狀態(tài)（基態(tài)），這時發(fā)射γ射線釋放多余的能量，其機理是核內(nèi)能級之間的躍遷產(chǎn)生的。。圖25第二十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日2衰變規(guī)律與半衰期*衰變規(guī)律：N=Noe-λt

式中：No--初始狀態(tài)的放射性原子核數(shù)（或強度）；

N--t時間后的放射性原子核數(shù)（或強度）；

λ--衰變常數(shù)。*并非每一次衰變都發(fā)射γ射線。

*放射性同位素的能量不隨時間改變。

*半衰期的定義：放射性同位素原子核數(shù)（或強度）衰變到一半時所需的時間稱為該同位素的半衰期。記以T1/2。第三十頁，共八十八頁，2022年，8月28日*半衰期公式的推導(dǎo)：

N1

——=——=e-λT’No2二邊取自然對數(shù)，

Ln(1/2)=-λT’---->Ln2=0.693

所以：0.693

T’=————

例：Co60T’=5.3年

λ

λ=0.693/5.3年=0.130/年

*半衰期的簡便計算公式

N1

——=(——)t/T’

（t/T’）即有多少個半衰期

No2第三十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日

3γ射線譜---線狀譜*60Co:2根；192Ir:24根；137Cs:1根；圖254γ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)5γ射線的強度*單位時間落到單位面積上的光子數(shù)6X射線和γ射線比較*相同點*（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）都是電離輻射能對人和生物造成危害；*（5）穿過物體時具有相同的衰減規(guī)律.第三十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日

*不同點*（1）產(chǎn)生方式不同；

*（2）能量不同：X--可控，可調(diào)，取決于管電壓；*γ--不可控，不可調(diào)，取決于源的性質(zhì)；*（3）強度不同：X--可控，可調(diào)，取決于U，i,Z；*γ--隨時間變化；*（4）波譜形式不同。

7工業(yè)探傷用的放射性同位素（書P46的有關(guān)參數(shù)）*常用γ源：60Co,137Cs,192Ir,75Se半衰期:Co605.3年，Cs13733年，Ir19275天，Se75120天制取方式:天然；人工人工制取是利用中子轟擊使其發(fā)生核反應(yīng)。核反應(yīng)不能逆轉(zhuǎn)，不能恢復(fù)！第三十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日*制取方式:天然；中子激活（轟擊）：59Co+no--->Co60;

191Ir+no-->192Ir；

核反應(yīng)不能逆轉(zhuǎn)，不能恢復(fù)！核裂變：137Cs:235U裂變生成137Cs.第三十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日六波粒二象性1波動特性:電磁波和機械波二大類波；無質(zhì)量、無電荷的振動傳播具有波長、波速、頻率；C=λυ

2粒子特性：α粒子，β粒子，中子，質(zhì)子等有質(zhì)量的粒子發(fā)射。量子化能量E=hυ一份一份傳播3波粒二象性的體現(xiàn)：E=hυ=hc/λ4波粒二象性的推廣：一切微觀粒子都具有波粒二象性5X射線，γ射線，中子射線，α射線，β射線...具有波粒二象性

第三十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日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，γ射線，以及紅外線，紫外線，微波等...，（2）粒子類：α射線，β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）衰減系數(shù)與Z之間沒有規(guī)律;（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：X,γ,中子*表面缺陷的探測：微波，紅外線，激光*特殊結(jié)構(gòu)的探測：炮彈（中子）*金屬構(gòu)件的探測：X,γ,中子*非金屬構(gòu)件的探測：微波，激光第三十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日八射線的能量與強度

*能量與強度是一種力量的量度，能量是力量的質(zhì)的體現(xiàn)；強度是力量的量的體現(xiàn)。*射線對物體的穿透和對膠片的感光，是其能量和強度的具體表現(xiàn)，因此透徹的理解能量與強度概念，是十分重要的。如紅燈、黃燈代表不同波長,即不同能量。而這些燈可以有5w,50w,500w,這代表強度。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=1.6x10-12

爾格。*X射線（光子）能量的表達與計算*E=hυ=hc/λ=0.0124/λ*或λ=0.0124/E*以上二式中，E的單位：Mev;λ的單位：埃。*或者λ=12.4/E（與λmin=12.4/U有本質(zhì)區(qū)別）*這里：E的單位：Kev;λ的單位：埃。第三十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日

*連續(xù)X射線的能量取決于管電壓；

*標識X射線的能量達到臨界電壓后與管電壓變化無關(guān)；*標識X射線的能量與靶材料有關(guān)；*γ射線的能量（穿透力）取決于源的種類和性質(zhì)；*60Co：1.17Mev1.33Mev。137Cs:0.66Mev*192Ir:0.35Mev（實際上有12組不同的能量）*平均能量Co60:（1.17Mev+1.33Mev）/2=1.25Mev*當(dāng)量能：γ射線的穿透力相當(dāng)于X射線同等穿透力所對應(yīng)的管電壓值，稱為當(dāng)量能。第三十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日如何確定220KV射線的能量：*先求:λmin=12.4/U=0.05636(AO)*再求:最短波長所對應(yīng)的射線能量*Emax=hc/λmin=0.220(Mev)C(光速)--3*108m/s

*即：220kv管電壓產(chǎn)生的X射線光子最大能量0.22Mev。強度*射線對膠片的感光取決于它的強度。在日常生活中我們經(jīng)常碰到強度這一概念，但大家恐怕對強度這一概念的具體定義或含意不一定了解準確。力學(xué)性能中的強度，電流強度（電流），電場強度，聲強、壓強，光強等都是強度，均與面積密切相關(guān)，是單位面積存在或通過多少的一個量度，是一個統(tǒng)計概念。就燈泡來說，一定瓦數(shù)的燈，決定了它發(fā)出可見光的根數(shù)大小，靠近燈我們會感覺發(fā)熱，是因為我們在單位面積上接收的根數(shù)多。第三十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日*強度的量度：計數(shù)器，次/秒。*強度的量度常用相對強度，相對強度無量綱。絕對強度常用次/秒或倫琴。*強度的變化因素：（A）強度-距離平方反比律I1/I2=(F2/F1)2（B）穿過物體后的強度衰減規(guī)律連續(xù)X射線的強度I=KZiU2第四十頁，共八十八頁，2022年，8月28日*γ射線的強度

γ射線的強度有二個不同的概念（A）放射強度：（又稱活度，活性）放射性同位素單位時間產(chǎn)生衰變的次數(shù)稱為放射強度。常用居里作為單位。1居里（Ci)=3.7×1010

次/秒*放射強度隨時間的改變而改變，其變化規(guī)律為：*I=Ioe-λt*比活度：每克放射性物質(zhì)的放射強度稱為比活度。單位：居里/克。第四十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日

（B）照射強度：（又稱輻照強度，照射量率）單位時間內(nèi)落在一定距離的照射面上(嚴格定義應(yīng)為“標準狀況下，一立方厘米空氣內(nèi)）的射線量，稱為照射量率或照射強度。照射強度的常用單位為：倫琴（R）/小時。*照射強度的變化規(guī)律：（A）距離--平方反比律；（B）穿過物體時的衰減規(guī)律

（3）放射強度和照射強度的轉(zhuǎn)換關(guān)系(在以后的章節(jié)中有）第四十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日第三節(jié)射線與物質(zhì)的相互作用

一、射線通過物質(zhì)的衰減

射線穿過物質(zhì)時，與物質(zhì)中的原子發(fā)生撞擊、產(chǎn)生能量轉(zhuǎn)換，引發(fā)能量的衰減和以下種種物理效應(yīng)。

1、射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)的相互作用主要有三種過程：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對的產(chǎn)生。這三種過程的共同點是都產(chǎn)生電子，然后電離或激發(fā)物質(zhì)中的其他原子；此外，還有少量的瑞利散射。光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)隨射線能量的增加而減少，電子對的產(chǎn)生則隨射線能量的增加而增加，四種效應(yīng)的共同結(jié)果是使射線在透過物質(zhì)時能量產(chǎn)生衰減。

第四十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日

每束射線都具有能量為E=hv的光子。光子運動時保持著它的全部動能。光子能夠撞擊物質(zhì)中原子軌道上的電子，若撞擊時光子釋放出全部能量，將所有能量傳給電子，使其脫離原子而成為自由電子，光子本身消失。這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光子的一部分能量把電子從原子中逐出去，剩余的能量則作為電子的動能被帶走，于是該電子可能又在物質(zhì)中引起新的電離。當(dāng)光子的能量低于1MeV時，光電效應(yīng)是極為重要的過程。（1）光電效應(yīng)

光電效應(yīng)

光電子光子第四十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日光電效應(yīng)的特點光子消失。能量全部轉(zhuǎn)移到光電子上。伴有特征射線產(chǎn)生（電子躍遷輻射）。由于內(nèi)層軌道電子被出軌道，在內(nèi)層軌道上產(chǎn)生空位，外層軌道上的電子將躍遷到內(nèi)層軌道去補充空位，并釋放出多余的能量，產(chǎn)生熒光（特征）X射線，或稱熒光輻射。發(fā)生概率與光子能量和物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)。低能光子與高原子序數(shù)的物質(zhì)原子作用時，發(fā)生光電效應(yīng)的概率較高。光電子的發(fā)射方向與光子能量有關(guān)。光子能量越高，光電子發(fā)射的方向越接近光子的入射方向。

第四十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日

（2）康普頓效應(yīng)在康普頓效應(yīng)中，一個光子撞擊一個電子時只釋放出它的一部分能量，結(jié)果光子的能量減弱并在和射線初始方向成θ角的方向上散射，而電子則在和初始方向成φ角的方向上散射。這種現(xiàn)象稱為康普頓效應(yīng)。這一過程同樣服從能量守恒定律，即電子所具有的動能為入射光子和散射光子的能量之差，最后電子在物質(zhì)中因電離原子而損失其能量?？灯疹D效應(yīng)

反沖電子

光子

第四十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日

康普頓效應(yīng)的特點主要與受原子核束縛較弱的外層軌道電子和自由電子相互作用；有反沖電子產(chǎn)生；光子能量降低且改變方向形成散射線；這種散射線在探傷中對射線照相質(zhì)量影響最大。發(fā)生康普頓效應(yīng)的概率與光子能量和物質(zhì)的原子序數(shù)相關(guān)；原子序數(shù)低的元素康普頓效應(yīng)發(fā)生的可能性很高；對中等能量的光子，康普頓效應(yīng)對各種元素都是主要的作用。第四十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日（3）電子對的產(chǎn)生

在原子核場的作用下，一個具有足夠能量的光子釋放出它的全部動能而轉(zhuǎn)化具有同樣能量的一對正負電子，光子則完全消失，這樣的過程稱為電子對的產(chǎn)生。產(chǎn)生電子所需的最小能量為0.51MeV，所以光子能量hv必須大于等于1.02MeV。

電子對的產(chǎn)生和消失

第四十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日

電子對效應(yīng)的特點產(chǎn)生電子對。光子能量必需大于1.02MeV。產(chǎn)生一對正負電子所需要的能量是1.02MeV，其余能量轉(zhuǎn)化為電子的動能。正電子的壽命很短，在產(chǎn)生后的極短時間內(nèi)會與附近的負電子結(jié)合而消失，與之同時產(chǎn)生兩個能量分別為0.51MeV的光子向相反方向輻射出去。這個現(xiàn)象稱為電子湮沒。發(fā)生電子對效應(yīng)的幾率與物質(zhì)原子序數(shù)的平方成正比，近似與光子能量的對數(shù)成正比，所以電子對效應(yīng)在光子能量較高、原子序數(shù)較高時是一種重要的作用。第四十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日湯姆遜效應(yīng)

（4）瑞利散射

射線與物質(zhì)中帶電粒子相互作用，產(chǎn)生與入射射線波長相同的散射線的現(xiàn)象叫做湯姆遜效應(yīng)。這種散射線可以產(chǎn)生干涉，能量衰減十分微小。瑞利散射同樣也是光子與核外軌道電子相互作用的過程。與光電效應(yīng)不同的是，軌道電子被光子擊出軌道后，又躍回原來的軌道，同時釋放出一個與入射光子能量相同的一個光子（光子能量可忽略不計）。

第五十頁，共八十八頁，2022年，8月28日光子與物質(zhì)相互作用的比較效應(yīng)光子能量作用對象作用產(chǎn)物光電效應(yīng)較低內(nèi)層軌道電子光電子俄歇電子熒光射線康普頓效應(yīng)中等外層軌道電子、自由電子散射光子反沖電子電子對效應(yīng)≥1.02MeV原子核或電子正負電子對瑞利散射低內(nèi)層軌道電子光子第五十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日光子和物質(zhì)間的相互作用與光子能量及物質(zhì)原子序數(shù)之間的關(guān)系：第五十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日A.吸收：主要是電子獲取了光子的全部或部分能量，光子的能量降低或消失，而電子的能量又被物質(zhì)吸收。

B.散射：光子與核外電子相互作用后，失去部分能量，且改變傳播方向，形成散亂射線。

C.衰減：由于光子能量被物質(zhì)吸收，或改變傳播方向，致使直接透過物體的一次射線強度低于入射射線強度，這稱為射線強度發(fā)生了衰減。衰減=吸收+散射2射線的衰減第五十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日穿過物體后透射射線的組成：入射線一次射線熒光輻射散射線電子（熒光電子、反沖電子、電子對）第五十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日六窄束，單色射線的強度衰減規(guī)律1概念*窄束：不包括散射線在內(nèi)的穿過射線束*單色：由單一波長組成的射線束成為單色射線；

2衰減規(guī)律：I=Ioe-μd3線衰減系數(shù)μ：d=1μ=Ln(Io/I)μ的物理意義：穿過1cm厚的物體時，穿過前后射線強度比值的自然對數(shù)，即為線衰減系數(shù)。線衰減系數(shù)的構(gòu)成：因為：光電效應(yīng)，康普頓效應(yīng)，電子對效應(yīng)是造成射線衰減的主要原因，所以線衰減系數(shù)包含三個效應(yīng)的作用。因此：

μ=μ光電+μ康普頓+μ電子對第五十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日膠片吸收體工件吸收體窄束射線的產(chǎn)生工件膠片寬束射線所謂單色射線是指：能量（波長）單一的射線。所謂窄束射線是指：在射線穿過物質(zhì)后到達膠片的只有直透射線，而沒有其它散亂射線的射線束。第五十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日質(zhì)量衰減系數(shù)μm=μ/ρ線衰減系數(shù)除以物質(zhì)密度所得的值*混合物的質(zhì)量衰減系數(shù)等于各部分質(zhì)量衰減系數(shù)與其含量百分比乘積的總和：

μ/ρ=（μ1/ρ1）α1+（μ2/ρ2）α2+....…μ/ρ的變化規(guī)律

μm=μ/ρ=KZ3λ3

所以：I=Ioe-kρZ3λ3d對同樣能量的射線，物質(zhì)原子序數(shù)越大，物質(zhì)的密度越大，射線在物體中受到的衰減越大；對不同能量的射線，穿過同一物體時，能量低的射線將受到更大的衰減。6半值層*穿過物體后的射線強度為入射強度一半時的穿透厚度，稱為半值層（又可稱為半價層，半衰減層等），記為Th。

第五十七頁，共八十八頁，2022年，8月28日**Th的計算*I=Ioe-μd1/2=I/Io=e-μTh

二邊取自然對數(shù)

Th=Ln2/μ=0.693/μ這里：μ=KρZ3λ3Th的簡便算法I/

Io=（1/2）NN=d/Th（計算有多少個半值層）第五十八頁，共八十八頁，2022年，8月28日影響半值層T1/2的因素：能量愈大（λ愈?。?，半值層愈厚；半值層不是一個常數(shù).....,只有射線波長為常數(shù)時半值層才可能是一個常數(shù)。對于寬束多色X射線（工業(yè)探傷用X射線），因為由多種能量成分的X射線組成，大部分波長較長，能量較低的X射線經(jīng)過一個半價層后，已被吸收或衰減掉，此時強度衰減一半所需要的厚度值較小，剩余能量較高的X射線再繼續(xù)穿過物質(zhì)，強度再衰減一半所需要的厚度值與第一半價層相比就要大些，因此，對于特定管電壓下的寬束多色X射線而言，半價層厚度數(shù)值隨半價層序數(shù)值的增大而增大。另外，半價層厚度數(shù)值隨透照能量的增大而增大。第五十九頁，共八十八頁，2022年，8月28日七寬束多色射線的強度衰減規(guī)律*1寬束：包括散射線在內(nèi)的射線束稱為寬束；*多色：包括所有波長的連續(xù)X射線稱為多色或白色。第六十頁，共八十八頁，2022年，8月28日2散射線與散射比圖33*散射線的組成：康普頓散射；瑞利散射等。*n--散射比Is（散射線）=nIp（一次透射射線）n=Is/Ip其大小與射線能量，穿透物質(zhì)種類、厚度等有關(guān)。*散射源：工件（最大散射源）；地面；周圍物品。*散射線的屏蔽：鉛增感；濾板；底部墊鉛板…...3寬束單色射線的強度衰減規(guī)律*I（寬束）=Is（散射線）+Ip（窄束）*=nIp+Ip=（1+n）Ip=（1+n）Ioe-μd

4寬束多色射線的強度衰減規(guī)律*I（寬束）=Is（散射線）+Ip（窄束）*=nIp+Ip=（1+n）Ip=（1+n）Ioe-μd*這里：μ----平均衰減系數(shù)

第六十一頁，共八十八頁，2022年，8月28日5線質(zhì)硬化（連續(xù)X射線均勻化）線質(zhì)：線質(zhì)是射線能量（或穿透力）的度量，能量（或穿透力）大的，可稱為線質(zhì)硬；反之則稱為線質(zhì)軟。連續(xù)X射線的波長：從λmin---->∞圖22波長不連續(xù)μ是變量計算困難通過加濾板的方法，濾去軟射線部分使連續(xù)X射線的λ和μ趨于常數(shù)，這一過程稱為線質(zhì)硬化或連續(xù)X射線均勻化。圖34*有效能量：平均衰減系數(shù)μ與某一能量的單色射線的衰減系數(shù)μ的數(shù)值相同，則可用此單色射線的能量值來表示連續(xù)X射線的平均能量，該能量又稱為有效能量。第六十二頁，共八十八頁，2022年，8月28日第四節(jié)射線照相法的原理與特點*射線檢測方法的分類與基本原理一射線檢測方法的分類1按射線種類分*電磁輻射：X射線；γ射線；散射線*粒子輻射：中子射線；β射線（電子射線）2按觀察方式分*膠片照相法；相紙照相法；熒屏實時法3按能量分*高能射線；低能射線4按成像方式分*二維平面成像；三維層析攝影5按檢測功能分*工業(yè)探傷；測厚；應(yīng)力分析第六十三頁，共八十八頁，2022年，8月28日二射線照相法原理底片圖像構(gòu)成的二個基本因數(shù)：黑度與形狀決定黑度的是射線的強度變化決定形狀的是射線的幾何投影射線在穿透物體過程中會與物質(zhì)發(fā)生相互作用，因吸收和散射而使其強度減弱，強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)域的透過射線強度就會與周圍產(chǎn)生差異。把膠片放在適當(dāng)位置使其在透過射線的作用下感光暗室處理后得到底片，底片上各點的黑化程度取決于射線照射量（射線強度和照射時間的乘積）。

第六十四頁，共八十八頁，2022年，8月28日T?TIoIoIdId’第六十五頁，共八十八頁，2022年，8月28日當(dāng)μ>>μ'時，忽略μ'，則得如下近似公式：ΔI/I定義為主因?qū)Ρ榷龋ㄖ饕蛞r度）定義主因?qū)Ρ榷葹椤按┻^被檢體被選定的一些部分后射線強度之比（或此比的對數(shù)）”，射線強度差異是底片產(chǎn)生對比度的根本原因。影響主因?qū)Ρ榷鹊闹饕驍?shù)由μ=Kρλ3Z3

公式可知：影響主因?qū)Ρ榷鹊闹饕驍?shù)是：ρ，λ，Z，ΔT，n。

第六十六頁，共八十八頁，2022年，8月28日2幾何投影原理圖42*放大*重疊*畸變?nèi)渚€照相法的特點1適用范圍*適用的材料：金屬材料；非金屬材料；復(fù)合材料；*適用的厚度（以鋼為當(dāng)量厚度）：*420KV的X射線機：80mm以內(nèi)*

CO60：150mm以內(nèi)*加速器：500mm以內(nèi)