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，射線通過一定厚度物質(zhì)時，有些光子與物質(zhì)發(fā)生相互作用，有些則沒有。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物質(zhì)層，這樣，穿過物質(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)時通過準(zhǔn)直器得到細(xì)小的輻射束流而得名，作為專用術(shù)語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，只要其中沒有散射成分，便可稱為“窄束”。所謂“單色”是指由單一波長電磁波組成的射線，或者說，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器之間放置兩個準(zhǔn)直器，在兩個準(zhǔn)直 器之間放置吸收物質(zhì)，便可通過試驗(yàn)測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)檢測中應(yīng)用的射線，不可能是“窄束、單色”射線，到達(dá)探測器的束流中，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，探測器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即射線通過薄層物質(zhì)時強(qiáng)度減弱與物質(zhì)厚度及輻射初始強(qiáng)度成正比，同時與的數(shù)值有關(guān)，稱為

4、線衰減系數(shù) 對上式積分，并設(shè)T=0時，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)的意義是射線通過單位厚度物質(zhì)時，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)。對于同一種物質(zhì)，射線能量不同時衰減系數(shù)不同。對于同一能量的射線，通過不同物質(zhì)時，其衰減系數(shù)也不同。 由于射線強(qiáng)度衰減是幾個效應(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；對于原子序數(shù)Z，存在以下關(guān)系

5、：phZ5，cZ，pZ2；對于射線能量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，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)常使用半價層來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，I/I0= 1/2，則有e-T1/2=1/2，兩邊取自然對數(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，一般不會造成

7、影響。所以對射線照相產(chǎn)生影響的散射線主要來自康普頓效應(yīng)，在較低能量范圍，則是來自相干散射。應(yīng)用寬束射線時，一次透射射線Ip和散射射線Is同時到達(dá)探測器，設(shè)到達(dá)探測器的射 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，那么它通過物質(zhì)時的強(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，此過程被稱為多色射線穿透物質(zhì)過程的線質(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)譜射線穿過物體后強(qiáng)度分布的變