射線檢測(cè)原理ppt課件

1 3射線檢測(cè)3 1射線檢測(cè)原理射線透過(guò)被檢物體時(shí) 有缺陷部位與無(wú)缺陷部位對(duì)射線上的吸收能力不同 2 以金屬材料為例 缺陷部位 氣孔或非金屬夾雜物 對(duì)射線的吸收能力低于金屬基體 透過(guò)缺陷部位的射線強(qiáng)度高于無(wú)缺陷部位 根據(jù)透過(guò)工件后射線強(qiáng)度的差異 來(lái)檢測(cè)缺陷 3 目前 廣泛采用射線照相法 利用感光膠片來(lái)檢測(cè)射線強(qiáng)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 4 射線透過(guò)無(wú)缺陷部位強(qiáng)度式中J1 射線透過(guò)厚度為A后的強(qiáng)度 J0 射線透過(guò)工件前的強(qiáng)度 材料線衰減系數(shù) A 透過(guò)層材料厚度 5 射線透過(guò)有缺陷部位強(qiáng)度 缺陷假設(shè)為氣孔 式中x 缺陷在射線方向的厚度 6 兩者強(qiáng)度比為可見(jiàn)缺陷沿射線透照方向長(zhǎng)度x越大或被透物質(zhì)線吸收系數(shù) 越大 則透過(guò)有缺陷部位和無(wú)缺陷部位的射線強(qiáng)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) 7 5 1 1射線的本質(zhì)射線是一種電磁波 與無(wú)線電波 紅外線 可見(jiàn)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(zhǎng)不同 8 射線的波長(zhǎng)短 頻率高 具有許多與可見(jiàn)光不同的性質(zhì) A不可見(jiàn) 依直線傳播B不帶電荷 因此不受電場(chǎng)和磁場(chǎng)影響C能透過(guò)可見(jiàn)光不能透過(guò)的物質(zhì)D與可見(jiàn)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(jiàn)光有區(qū)別 如x射線只有漫反射 不能產(chǎn)生如鏡面反射 9 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(xì)胞 10 3 3 2射線的種類(lèi)1 X射線與 射線這是射線檢測(cè)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 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(jī)理不同 但都是電磁波 11 2 射線與 射線放射性同位素產(chǎn)生 衰變和 衰變 放射 射線和 射線 射線貫穿能力弱 但有很強(qiáng)的電離作用 射線雖然穿透力強(qiáng) 但能量很小 一般并不直接用 射線和 射線進(jìn)行檢測(cè) 它們適用于特種場(chǎng)合 與X射線和 射線不同 射線和 射線不是電磁波 而是粒子輻射 12 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 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(duì)中子的俘獲能力 對(duì)鉛來(lái)說(shuō) X和 射線穿透能量衰減很大 但俘獲中子的能力很小 對(duì)氫來(lái)說(shuō)正好相反 13 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(yáng)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(yáng)極靶是由耐高溫的鎢制成 14 工作時(shí)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(yáng)極靶上 其動(dòng)能消耗于陽(yáng)極材料原子的電離和激發(fā) 然后轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?部分電子在原子核場(chǎng)中受到急劇阻止 產(chǎn)生所謂韌致X射線 即連續(xù)X射線 15 為減少電子在飛往陽(yáng)極過(guò)程中與氣體粒子相碰撞損失動(dòng)能 射線管需抽成10 4 10 5Pa真空 電子流動(dòng)能的絕大部分 97 轉(zhuǎn)化為熱能 因此陽(yáng)極材料一般應(yīng)選用耐高溫材料并通以介質(zhì)加冷卻 動(dòng)能中僅一小部分 3 轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線 16 陰極發(fā)射電子的數(shù)量 決定了從陰極飛往陽(yáng)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(yáng)極的運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)愈短 17 圖中可見(jiàn) 只改變管電流時(shí) X射線輻射強(qiáng)度只是在原有各波長(zhǎng)下相應(yīng)增加 只改變管電壓時(shí) 則除原來(lái)各波長(zhǎng)相應(yīng)增加輻射強(qiáng)度外 還出現(xiàn)了更短波長(zhǎng)的X射線 18 燈絲的外加電流越大 產(chǎn)生的電子數(shù)量越大 射線強(qiáng)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(zhǎng)及穿透能力直接相關(guān) 能量越高 波長(zhǎng)越短 穿透能力越強(qiáng) 19 X射線管單位時(shí)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 0 常數(shù) 10 9 I 管電流 A Z 陽(yáng)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?20 當(dāng)U 100kV時(shí) 0 7 200kV1 5 300kV2 2 400kV3 1MV7 5MV37 由此可見(jiàn) 提高管電壓可顯著提高轉(zhuǎn)換效率 21 2 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(jí)高于基級(jí) 向基級(jí)轉(zhuǎn)變同時(shí)釋放出 射線 其能量等于兩個(gè)能級(jí)間差 射線檢測(cè)中所用的 射線源 是由核反應(yīng)制成的人工放射源 應(yīng)用較廣的 射線源有鈷60 銥192 銫137 銩170等 22 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(cè)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 射線以及少量 射線和 射線 23 放射性同位素的原子核 在自發(fā)地放射出 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(chēng)為衰變常數(shù) 它表示單位時(shí)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(shí)尚未衰變的原子數(shù) N0 原有物質(zhì)原子數(shù) e 自然對(duì)數(shù)底 物質(zhì)衰變常數(shù) 24 放射同位素原子數(shù)隨時(shí)間呈指數(shù)減少 放射性同位素以原有N0個(gè)原子因衰變而減少到N0 2個(gè)原子所需的時(shí)間 稱(chēng)為半衰期 T 以使用最廣的鈷60為例 其半衰期為5 3年 25 在單位時(shí)間內(nèi)衰變的原子核數(shù)量 稱(chēng)為放射性活度 以 表示 單位為居里 Ci 某種物質(zhì)每秒鐘有3 7 1010個(gè)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(chēng)為比活度 單位為Ci g 居里 克 26 射線的強(qiáng)度可由測(cè)量?jī)x器引起的電離程度來(lái)決定 單位是R 倫琴 1R輻射強(qiáng)度 等于在0 及105Pa壓力下 在1cm3空氣中電離引起離子絕對(duì)值總和為一個(gè)絕對(duì)靜電單位 27 3 高能X射線的獲得普通X射線和 射線檢測(cè) 由于其能量低 穿透能力差 檢測(cè)能力受到限制 超過(guò)100mm厚鋼板不能用一般X射線檢測(cè) 超過(guò)300mm厚鋼板很難用 射線進(jìn)行檢測(cè) 此時(shí)可采用加速器產(chǎn)生的高能X射線檢測(cè) 例如對(duì)厚度達(dá)300 500mm的鋼板 采用高能X射線檢測(cè)可獲得滿意結(jié)果 28 高能X射線是指能量超過(guò)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(lèi)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 29 射線檢測(cè)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(cè)對(duì)加速器的要求是束流強(qiáng)度大 焦點(diǎn)尺寸小 體積小 重量輕 成本低 操作容易 維護(hù)簡(jiǎn)單等 適合工業(yè)無(wú)損檢測(cè)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 30 4 中子射線的獲得中子射線檢測(cè)時(shí)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(lái)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 31 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(jià)各還很貴 利用Cf252可做成可移動(dòng)式中子照相裝置 另一種可移動(dòng)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(yùn)行時(shí)無(wú)需屏蔽 國(guó)外中子管的中子產(chǎn)額已達(dá)1012中子 s 完全可以滿足照相的要求 32 從中子照相來(lái)說(shuō) 要求中子射線強(qiáng)度大 射線束質(zhì)量高 便宜 方便 操作靈活等 目前 強(qiáng)度大的源是核反應(yīng)堆 但它投資大 笨重 無(wú)法用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng) 而小型加速器 中子管 同位素中子源等雖然靈巧 方便 但強(qiáng)度總的來(lái)說(shuō)還不夠高 33 3 1 4射線的衰減特性射線對(duì)物質(zhì)的作用理論上有12種效應(yīng) 其中主要的有4種 光電效應(yīng) 瑞利散射 康普頓效應(yīng)以及電子對(duì)生成 能量較小時(shí) 前兩種效應(yīng)比較重要 電子對(duì)生成效應(yīng)僅當(dāng)能量大于1MeV時(shí)才開(kāi)始顯著 34 各種效應(yīng)隨物質(zhì)原子序數(shù)的不同而改變 原子序數(shù)低效應(yīng)弱 原子序數(shù)高效應(yīng)強(qiáng) 上述幾種效應(yīng)造成射線能量減弱 其原因是物質(zhì)對(duì)射線的吸收與散射 射線被吸收時(shí)其能量轉(zhuǎn)變?yōu)槠渌问?如熱能 散射則使射線的傳播方向改變 35 1 射線的吸收A光電效應(yīng)射線通過(guò)物質(zhì)時(shí) 光子與原子相互作用 光子被吸收 原子中的電子被釋放出來(lái) 稱(chēng)為光電子 即光電效應(yīng) 當(dāng)光子的能量處在 射線的能量范圍時(shí) 光電效應(yīng)與原子序數(shù)的關(guān)系密切 原子序數(shù)愈高 光電效應(yīng)愈顯著 光電效應(yīng)與光子能量的3次方成反比 能量愈高 光電效應(yīng)愈弱 36 例如能量為0 5MeV的 射線通過(guò)鉛板時(shí) 光電效應(yīng)的吸收十分顯著 當(dāng)為2MeV時(shí)則光電效應(yīng)很小 光電效應(yīng)可產(chǎn)生的特征X射線 稱(chēng)為熒光X射線 產(chǎn)生熒光X射線的最佳條件是光子能量稍大于原子核外電子 如K層電子的結(jié)合能 能量太大就難以產(chǎn)生熒光X射線 37 B電子對(duì)生成射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)除產(chǎn)生光電效應(yīng)外 還有電子對(duì)生成 當(dāng)光子能量大于1 02MeV時(shí)產(chǎn)生電子對(duì) 產(chǎn)生電子對(duì)導(dǎo)致能量減弱的吸收系數(shù)與原子序數(shù)的平方成正比 光子能量小于1 02MeV時(shí)不產(chǎn)生電子對(duì) 因此電子對(duì)效應(yīng)主要發(fā)生在高能射線 38 2 射線的散射A康普頓散射又稱(chēng)非彈性散射和非干涉散射 一個(gè)光子和物質(zhì)中一個(gè)自由電子或束縛較弱的電子發(fā)生碰撞后 光子將一部分能量傳給電子 波長(zhǎng)變長(zhǎng) 電子即從原子空間中以與光子初始運(yùn)動(dòng)方向成 角的方向射出 光子則朝著與自己初始方向成 角的方向散射 這就稱(chēng)為康普頓散射 39 輕原子中的電子一般束縛較弱 重原子中的電子只有外層電子束縛較弱 因此 原子序數(shù)小的物質(zhì) 其康普頓散射較強(qiáng) 而原子序數(shù)大的物質(zhì)則相對(duì)較弱 40 B湯姆遜散射湯姆遜散射即彈性散射 干涉散射 在美國(guó)又稱(chēng)為瑞利散射 當(dāng)光子與原子中束縛很緊的電子碰撞時(shí) 光子將與整個(gè)原子之間交換能量 但原子的質(zhì)量比光子大得多 按照彈性力學(xué)理論 散射光的頻率不會(huì)顯著改變 其波長(zhǎng)與入射線相同 稱(chēng)為彈性散射 41 湯姆遜散射幾率與原子序數(shù)成正比 與入射能量成反比 湯姆遜散射對(duì)原子序數(shù)高的物質(zhì)和能量低的光子來(lái)說(shuō)是最重要的 但它絕不會(huì)超過(guò)總衰減的20 一般不大于1 42 上述效應(yīng)隨光子能量的變化如圖所示 被作用物質(zhì)為鐵 能量0 01MeV時(shí)光電效應(yīng)占優(yōu)勢(shì) 隨光子能量增加 光電效應(yīng)逐步減少 而康普頓效應(yīng)逐漸加大 43 光子能量0 1MeV左右時(shí)湯姆遜效應(yīng)最大 但其發(fā)生率不滿10 1MeV左右 X射線衰減基本由康普頓效應(yīng)造成 此后電子對(duì)效應(yīng)逐步變大 44 10MeV左右 電子對(duì)效應(yīng)與康普頓效應(yīng)作用程度相同 大于10MeV時(shí) 電子對(duì)效應(yīng)為主 45 圖中可知 在射線能量較低范圍內(nèi) 散亂射線主要是由湯姆遜效應(yīng)產(chǎn)生 而在射線能量較高范圍內(nèi) 散亂射線主要由康普頓效應(yīng)產(chǎn)生 故對(duì)一般射線檢測(cè) 康普頓效應(yīng)是主要的 46 康普頓散射系數(shù)與湯姆遜散射系數(shù)之和稱(chēng)為散射系數(shù) 總的衰減系數(shù) 為散射系數(shù)與吸收系數(shù) 之和 線衰減系數(shù)不是常數(shù) 與射線能量有關(guān) 同時(shí)也與物質(zhì)質(zhì)量成正比 質(zhì)量衰減系數(shù)為 47 當(dāng)一束平行的強(qiáng)度為I0的單色射線 透過(guò)厚度為d的一層均勻物質(zhì)時(shí) 射線強(qiáng)度的衰減將遵循以下規(guī)律由于散射線的存在 透過(guò)厚度為d物質(zhì)時(shí) 除透射線外 還要加上物體內(nèi)部散射線強(qiáng)度 48 因此 其衰減規(guī)律如下式所示式中n為散射比 它是射線透過(guò)工件后散射線劑量與透射線劑量之比 影響散射比的因素有焦距 照射場(chǎng)大小 射線性質(zhì)和工件厚度等 49 例如 X射線照相時(shí)對(duì)鋼n 0 09T T 25mm 對(duì)鋁n 0 035T T 50mm Irl92 射線照相時(shí)對(duì)鋼n 0 075T T 70mm Co60 射線照相時(shí)對(duì)鋼n 0 047T T 160mm 50 有時(shí)需要直觀地表示射線的穿透力 通常用半值厚度d1 2 或半衰減層 來(lái)表示射線強(qiáng)度衰減一半的物質(zhì)厚度 因此 51 一定波長(zhǎng)的射線 對(duì)一定物質(zhì)具有恒定的半值層 如Co60 射線在