射線檢測原理ppt課件

1 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 2 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 根據透過工件后射線強度的差異 來檢測缺陷 3 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 材料線衰減系數 A 透過層材料厚度 5 射線透過有缺陷部位強度 缺陷假設為氣孔 式中x 缺陷在射線方向的厚度 6 兩者強度比為可見缺陷沿射線透照方向長度x越大或被透物質線吸收系數 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 7 5 1 1射線的本質射線是一種電磁波 與無線電波 紅外線 可見光 紫外線等本質相同 具有相同的傳播速度 但頻率與波長不同 8 射線的波長短 頻率高 具有許多與可見光不同的性質 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D與可見光同樣有反射 干涉 繞射 折射等現象 但這些現象又與可見光有區(qū)別 如x射線只有漫反射 不能產生如鏡面反射 9 E使物質產生光電子及返跳電子 以及引起散射現象F被物質吸收產生熱量G使氣體電離H使某些物質起光化學作用 使照相膠片感光 又能使某些物質發(fā)生熒光I產生生物效應 傷害及殺死有生命的細胞 10 3 3 2射線的種類1 X射線與 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生的 射線是放射性物質自發(fā)產生的 如鈷 鈾 鐳等 兩者產生的機理不同 但都是電磁波 11 2 射線與 射線放射性同位素產生 衰變和 衰變 放射 射線和 射線 射線貫穿能力弱 但有很強的電離作用 射線雖然穿透力強 但能量很小 一般并不直接用 射線和 射線進行檢測 它們適用于特種場合 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中子的俘獲能力 對鉛來說 X和 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 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 14 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) 然后轉變?yōu)闊崮?部分電子在原子核場中受到急劇阻止 產生所謂韌致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 轉化為熱能 因此陽極材料一般應選用耐高溫材料并通以介質加冷卻 動能中僅一小部分 3 轉變?yōu)閄射線 16 陰極發(fā)射電子的數量 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 管電壓愈高 所產生X射線的穿透能力愈大 波長愈短 17 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增加 只改變管電壓時 則除原來各波長相應增加輻射強度外 還出現了更短波長的X射線 18 燈絲的外加電流越大 產生的電子數量越大 射線強度越高 射線能量是管電壓的函數 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 能量越高 波長越短 穿透能力越強 19 X射線管單位時間內所發(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 10 9 I 管電流 A Z 陽極靶原子序數 鎢Z 74 U 管電壓 V X射線管的轉換效率為其它轉變?yōu)闊崮?20 當U 100kV時 0 7 200kV1 5 300kV2 2 400kV3 1MV7 5MV37 由此可見 提高管電壓可顯著提高轉換效率 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) 原子核能級高于基級 向基級轉變同時釋放出 射線 其能量等于兩個能級間差 射線檢測中所用的 射線源 是由核反應制成的人工放射源 應用較廣的 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 它表示單位時間內衰變核的數量與尚未衰變核的數量之比式中N 物質在t時尚未衰變的原子數 N0 原有物質原子數 e 自然對數底 物質衰變常數 24 放射同位素原子數隨時間呈指數減少 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 25 在單位時間內衰變的原子核數量 稱為放射性活度 以 表示 單位為居里 Ci 某種物質每秒鐘有3 7 1010個原子衰變 則該物質的放射性活度為1Ci 居里 單位質量放射性物質的活度稱為比活度 單位為Ci g 居里 克 26 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 27 3 高能X射線的獲得普通X射線和 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 射線進行檢測 此時可采用加速器產生的高能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果 28 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 質子加速器 重離子加速器以及全離子加速器等 29 射線檢測中應用的加速器都是電子加速器 能量數兆電子伏到數十兆電子伏范圍內 一般都在45MeV以下 即用低能電子加速器產生 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時常根據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 需經慢化后變成低能熱中子 由準直器引出 目前可供照相用的中子源有核反應堆 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閉 不運行時無需屏蔽 國外中子管的中子產額已達1012中子 s 完全可以滿足照相的要求 32 從中子照相來說 要求中子射線強度大 射線束質量高 便宜 方便 操作靈活等 目前 強度大的源是核反應堆 但它投資大 笨重 無法用于生產現場 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 33 3 1 4射線的衰減特性射線對物質的作用理論上有12種效應 其中主要的有4種 光電效應 瑞利散射 康普頓效應以及電子對生成 能量較小時 前兩種效應比較重要 電子對生成效應僅當能量大于1MeV時才開始顯著 34 各種效應隨物質原子序數的不同而改變 原子序數低效應弱 原子序數高效應強 上述幾種效應造成射線能量減弱 其原因是物質對射線的吸收與散射 射線被吸收時其能量轉變?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光電效應射線通過物質時 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 稱為光電子 即光電效應 當光子的能量處在 射線的能量范圍時 光電效應與原子序數的關系密切 原子序數愈高 光電效應愈顯著 光電效應與光子能量的3次方成反比 能量愈高 光電效應愈弱 36 例如能量為0 5MeV的 射線通過鉛板時 光電效應的吸收十分顯著 當為2MeV時則光電效應很小 光電效應可產生的特征X射線 稱為熒光X射線 產生熒光X射線的最佳條件是光子能量稍大于原子核外電子 如K層電子的結合能 能量太大就難以產生熒光X射線 37 B電子對生成射線通過物質時除產生光電效應外 還有電子對生成 當光子能量大于1 02MeV時產生電子對 產生電子對導致能量減弱的吸收系數與原子序數的平方成正比 光子能量小于1 02MeV時不產生電子對 因此電子對效應主要發(fā)生在高能射線 38 2 射線的散射A康普頓散射又稱非彈性散射和非干涉散射 一個光子和物質中一個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 波長變長 電子即從原子空間中以與光子初始運動方向成 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 原子序數小的物質 其康普頓散射較強 而原子序數大的物質則相對較弱 40 B湯姆遜散射湯姆遜散射即彈性散射 干涉散射 在美國又稱為瑞利散射 當光子與原子中束縛很緊的電子碰撞時 光子將與整個原子之間交換能量 但原子的質量比光子大得多 按照彈性力學理論 散射光的頻率不會顯著改變 其波長與入射線相同 稱為彈性散射 41 湯姆遜散射幾率與原子序數成正比 與入射能量成反比 湯姆遜散射對原子序數高的物質和能量低的光子來說是最重要的 但它絕不會超過總衰減的20 一般不大于1 42 上述效應隨光子能量的變化如圖所示 被作用物質為鐵 能量0 01MeV時光電效應占優(yōu)勢 隨光子能量增加 光電效應逐步減少 而康普頓效應逐漸加大 43 光子能量0 1MeV左右時湯姆遜效應最大 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造成 此后電子對效應逐步變大 44 10MeV左右 電子對效應與康普頓效應作用程度相同 大于10MeV時 電子對效應為主 45 圖中可知 在射線能量較低范圍內 散亂射線主要是由湯姆遜效應產生 而在射線能量較高范圍內 散亂射線主要由康普頓效應產生 故對一般射線檢測 康普頓效應是主要的 46 康普頓散射系數與湯姆遜散射系數之和稱為散射系數 總的衰減系數 為散射系數與吸收系數 之和 線衰減系數不是常數 與射線能量有關 同時也與物質質量成正比 質量衰減系數為 47 當一束平行的強度為I0的單色射線 透過厚度為d的一層均勻物質時 射線強度的衰減將遵循以下規(guī)律由于散射線的存在 透過厚度為d物質時 除透射線外 還要加上物體內部散射線強度 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 照射場大小 射線性質和工件厚度等 49 例如 X射線照相時對鋼n 0 09T T 25mm 對鋁n 0 035T T 50mm Irl92 射線照相時對鋼n 0 075T T 70mm Co60 射線照相時對鋼n 0 047T T 160mm 50 有時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 來表示射線強度衰減一半的物質厚度 因此 51 一定波長的射線 對一定物質具有恒定的半值層 如Co60 射線在