射線強(qiáng)度衰減規(guī)律

1、職業(yè)教育材料成型與控制技術(shù)專業(yè)教學(xué)資源庫(kù)射線強(qiáng)度衰減規(guī)律一、射線強(qiáng)度衰減規(guī)律基本概念1.射線與物質(zhì)的相互作用由以上討論可知，射線通過(guò)一定厚度物質(zhì)時(shí)，有些光子與物質(zhì)發(fā)生相互作用，有些則沒(méi)有。如果光子與物質(zhì)發(fā)生的相互作用是光電效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)，則光子被物質(zhì)吸收；如果光子與物質(zhì)發(fā)生康普頓效應(yīng)，則光子被散射。散射光子也可能穿過(guò)物質(zhì)層，這樣，穿過(guò)物質(zhì)層的射線通常由兩部分組成：一部分是未與物質(zhì)發(fā)生相互作用的光子，其能量和方向均未變化，稱為透射射線；另一部分是發(fā)生過(guò)一次或多次康普頓效應(yīng)的光子，其能量和方向都發(fā)生了改變，稱為散射線。2窄束、單色射線所謂窄束射線是指不包括散射成分的射線束，通過(guò)物質(zhì)后的射線束，僅

2、由未與物質(zhì)發(fā)生相互作用的光子組成。“窄束”一詞是從實(shí)驗(yàn)時(shí)通過(guò)準(zhǔn)直器得到細(xì)小的輻射束流而得名，作為專用術(shù)語(yǔ)的描述并不含有幾何學(xué)上“細(xì)小”的意義，即使射束有一定寬度，只要其中沒(méi)有散射成分，便可稱為“窄束”。所謂“單色”是指由單一波長(zhǎng)電磁波組成的射線，或者說(shuō)，由相同能量光子組成的輻射束流，又稱為單能輻射。采用如圖1所示的裝置，在單能輻射源與探測(cè)器之間放置兩個(gè)準(zhǔn)直器，在兩個(gè)準(zhǔn)直 器之間放置吸收物質(zhì)，便可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)出窄束單色射線的強(qiáng)度衰減情況圖1獲得窄束輻射的裝置示意圖3、寬束、多色射線工業(yè)檢測(cè)中應(yīng)用的射線，不可能是“窄束、單色”射線，到達(dá)探測(cè)器的束流中，總是包含有散射線的成分，這樣的射線稱為“寬束”射

3、線。束流中的光子往往也不具有相同能量。例如，常用的放射性同位素發(fā)出的射線是幾種乃至十幾種能量光子的組合，屬“多色”射線，而X射線的波長(zhǎng)更是連續(xù)變化的，稱為“白色”射線。二、窄束、單色射線強(qiáng)度衰減規(guī)律1. 窄束、單色射線強(qiáng)度衰減規(guī)律 當(dāng)吸收物質(zhì)不存在時(shí)，探測(cè)器K記錄的輻射強(qiáng)度為I0，稱為輻射的原始強(qiáng)度或入射強(qiáng)度。放置厚度為T的薄層物質(zhì)后，K點(diǎn)的輻射強(qiáng)度變?yōu)镮，稱為一次透射射線強(qiáng)度。以I表示強(qiáng)度的變化量，即I-I0=-I，負(fù)號(hào)表示強(qiáng)度在減弱。用不同種類和厚度的吸收物質(zhì)和不同能量的射線實(shí)驗(yàn)，可發(fā)現(xiàn)以下關(guān)系：-I=I0T即射線通過(guò)薄層物質(zhì)時(shí)強(qiáng)度減弱與物質(zhì)厚度及輻射初始強(qiáng)度成正比，同時(shí)與的數(shù)值有關(guān)，稱為

4、線衰減系數(shù) 對(duì)上式積分，并設(shè)T=0時(shí)，I=I0，即可得窄束單色射線強(qiáng)度衰減公式：I=I0e-T 式中的T為穿透物質(zhì)的厚度。2線衰減系數(shù) 線衰減系數(shù)的意義是射線通過(guò)單位厚度物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)相互作用的概率。它與射線能量、物質(zhì)的原子序數(shù)和密度有關(guān)。對(duì)于同一種物質(zhì)，射線能量不同時(shí)衰減系數(shù)不同。對(duì)于同一能量的射線，通過(guò)不同物質(zhì)時(shí)，其衰減系數(shù)也不同。 由于射線強(qiáng)度衰減是幾個(gè)效應(yīng)共同作用的結(jié)果，所以，線衰減系數(shù)可寫為：=ph+c+p+R 式中 ph光電效應(yīng)線衰減系數(shù)； c  康普頓效應(yīng)線衰減系數(shù)； p 電子對(duì)效應(yīng)線衰減系數(shù)； R 瑞利散射線衰減系數(shù)。大致與物質(zhì)密度成正比；對(duì)于原子序數(shù)Z，存在以下關(guān)系

5、：phZ5，cZ，pZ2；對(duì)于射線能量hv ，存在以下關(guān)系式：ph (hv) -3.5 ， c (hv) -1，pln(hv)。3、質(zhì)量衰減系數(shù) 令m=/，稱為質(zhì)量衰減系數(shù)，質(zhì)量衰減系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)是m值不受物質(zhì)密度和物理狀態(tài)的影響。例如水和水蒸氣的m值是一樣的。當(dāng)吸收物質(zhì)是混合物和化合物時(shí)，可按下式求的其質(zhì)量衰減m：m=/=m1 1+m2 2+ 式中 m1、m2各組成元素的質(zhì)量衰減系數(shù)；  1、 2 各組成元素的含量百分比； 為混合物的密度。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常使用半價(jià)層來(lái)描述某種能量射線的穿透能力或某種射線的衰減作用程度。半價(jià)層

6、是指使入射射線強(qiáng)度減少一半的吸收物質(zhì)厚度，用符號(hào)T1/2表示，由窄束單色射線強(qiáng)度衰減公式得，當(dāng)：T=T1/2時(shí)，I/I0= 1/2，則有e-T1/2=1/2，兩邊取自然對(duì)數(shù)，有： T1/2=0.693/表1列出部分元素的線衰減系數(shù)。表1 幾種材料的線衰減系數(shù)三、 寬束、多色射線的強(qiáng)度衰減規(guī)律1、散射線和散射比射線在穿透物質(zhì)過(guò)程中與物質(zhì)相互作用，除了直線前進(jìn)的透射射線外，還有散射線，以及熒光X射線、光電子、反沖電子、俄歇電子等，向各個(gè)方向射出，其中各種電子穿透物質(zhì)能力很弱，很容易被物質(zhì)本身或空氣吸收，而熒光X射線能量較低，例如，鐵的K1熒光X射線的能量約為7 keV，也很容易被吸收，一般不會(huì)造成

7、影響。所以對(duì)射線照相產(chǎn)生影響的散射線主要來(lái)自康普頓效應(yīng)，在較低能量范圍，則是來(lái)自相干散射。應(yīng)用寬束射線時(shí)，一次透射射線Ip和散射射線Is同時(shí)到達(dá)探測(cè)器，設(shè)到達(dá)探測(cè)器的射 線總強(qiáng)度為I，則有：I=Ip+Is=Ip(1+Is/Ip)=Ip（1+n） 這里n=Is/Ip，稱作散射比，散射比n的大小與射線能量、穿透物質(zhì)種類、穿透厚度等諸多因素有關(guān)。2平均衰減系數(shù) 如果射線束不是由單一能量的光子組成，而是由幾種不同能量的光子組成，那么它通過(guò)物質(zhì)時(shí)的強(qiáng)度衰減將變得更復(fù)雜，因?yàn)楣庾拥哪芰坎煌?，其衰減系數(shù)也不同，與物質(zhì)相互作用強(qiáng)度減弱的程度也不同。 設(shè)一束多色射線的初始強(qiáng)度為I0，其中不同能量的光子束流強(qiáng)度分

8、別為I01、I02，在物質(zhì)中的衰減系數(shù)分別為（1）、（2），一次透過(guò)射線的總強(qiáng)度為I，不同能量射線的分強(qiáng)度為I1、I2，則以下關(guān)系式成立：I0=I01+I02+I03+I=I1+I2+I3+其中 I1=I01e-1T，I2=I02e-2T，I3=I03e-3T，考慮總的強(qiáng)度衰減結(jié)果，可以歸納得到以下關(guān)系式：I=I01e-T即為多色射線強(qiáng)度衰減結(jié)果，式中稱為平均衰減系數(shù)，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得出。多色射線穿透物質(zhì)過(guò)程中，能量較低的射線分量強(qiáng)度衰減多而能量較高的射線分量強(qiáng)度衰減相對(duì)較少，這樣，透射射線的平均能量將高于初始射線的平均能量，此過(guò)程被稱為多色射線穿透物質(zhì)過(guò)程的線質(zhì)硬化現(xiàn)象。隨著穿透厚度的增加，線質(zhì)逐漸變硬，平均衰減系數(shù)的數(shù)值將逐漸減小，而平均半價(jià)層T1/2值將逐漸增大。圖1所示為連續(xù)X射線穿透物質(zhì)前后強(qiáng)度變化情況。圖2 連續(xù)譜射線穿過(guò)物體后強(qiáng)度分布的變