第3章工業(yè)射線檢測中的射線

第3章工業(yè)射線檢測中的射線3.1射線分類按電離性質(zhì)：從射線與物質(zhì)的相互作用引起的電離情況可分為(致)電離輻射和非(致)電離輻射。電離輻射：任何與物質(zhì)作用，直接作用或間接作用可引起物質(zhì)電離的輻射。包括直接致電離粒子、間接致電離粒子。直接致電離粒子如電子、β射線、質(zhì)子、α粒子等帶電粒子；間接致電離輻射如X射線和γ射線，與物質(zhì)作用時(shí)能釋放直接致電離粒子或引起原子核變化。非電離輻射：不能引起物質(zhì)電離的輻射。包括紅外線、微波等，能量較低，不能引起物質(zhì)的電離。射線分類按帶電性質(zhì)：射線可分為帶電粒子和中性輻射。帶電粒子又可分為快電子（包括核衰變中發(fā)射的正或負(fù)β粒子，以及其他過程中產(chǎn)生的具有相當(dāng)能量的電子）和重帶電粒子（如質(zhì)子、核衰變中產(chǎn)生的α粒子以及其他重帶電離子，他們都具有一個(gè)或多個(gè)原子質(zhì)量單位并具有一定能量）。中性輻射又可分為電磁輻射（包括韌致輻射，原子的殼層電子躍遷過程中發(fā)射的特征X射線和核能級(jí)躍遷中發(fā)生的γ射線）和中子輻射（通常在自發(fā)裂變和核反應(yīng)中產(chǎn)生）。3.2X射線3.2.1X射線的發(fā)現(xiàn)1895年德國物理學(xué)家倫琴研究陰極射線管中氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)X射線(電子-玻璃壁)1901年倫琴獲諾貝爾物理獎(jiǎng)X射線波長在10－8cm左右硬X射線：比0.1nm短的X射線軟X射線：比0.1nm長的X射線3.2.2X射線的性質(zhì)本身不帶電，不受電場和磁場的影響穿透性：射線光子的能量大，貫穿本領(lǐng)強(qiáng)。穿透程度與射線的波長，吸收物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。電離作用：當(dāng)射線照射到物質(zhì)后，構(gòu)成物質(zhì)的原子的最外層電子被光子沖擊而脫離原子，使原子成為陽離子。感光作用：射線能使照相底片感光。熒光作用：射線照射某些化學(xué)物質(zhì)，如硫化鋅等，可以發(fā)出黃綠色或藍(lán)紫色光，停止照射，熒光消失。生物效應(yīng)：生物體在射線照射下，能損害組織細(xì)胞，抑制細(xì)胞生長，甚至使細(xì)胞壞死。X射線的波粒二象性波動(dòng)特性衍射干涉反射粒子特性特征表現(xiàn)為以光子形式輻射和吸收時(shí)具有的一定的質(zhì)量、能量和動(dòng)量。表現(xiàn)形式為在與物質(zhì)相互作用時(shí)交換能量。如光電效應(yīng)；二次電子等。X射線的本質(zhì)X射線是電磁波。量子理論認(rèn)為X射線是一種量子和光子組成的粒子流。愛因斯坦認(rèn)為光是光量子流，簡稱光子。

光子與一般基本粒子的本質(zhì)區(qū)別：光子的靜止質(zhì)量為0，運(yùn)動(dòng)時(shí)才有質(zhì)量，速度越大質(zhì)量越大。能量動(dòng)量3.2.3X射線產(chǎn)生韌致輻射韌致輻射：帶電粒子與原子(原子核庫侖場)相碰撞，發(fā)生驟然減速，伴隨產(chǎn)生的輻射。或稱剎車輻射。X射線的產(chǎn)生原理高速運(yùn)動(dòng)的電子與金屬靶材碰撞時(shí)，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運(yùn)動(dòng)受阻失去動(dòng)能，其中一小部分(1％左右)能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分(99％左右)能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。產(chǎn)生條件燈絲

產(chǎn)生自由電子高壓

加速電子,使電子作定向的高速運(yùn)動(dòng)靶

在其運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置一個(gè)障礙物 使電子突然減速或停止,產(chǎn)生X-射線X射線的產(chǎn)生過程X射線管的陰極燈絲通過電流，被加熱到2000。C以上后發(fā)射電子，這些電子聚集在燈絲附近。當(dāng)通過X射線管的陽極和陰極之間的空間后撞擊到陽極靶上。通過韌致輻射，電子的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為X射線，從X射線窗口輻射出來。電子的大部分動(dòng)能傳給了陽極靶，使它迅速升溫。3.2.4X射線光譜X射線譜

描述X射線強(qiáng)度與波長的關(guān)系曲線X射線光譜由二部分構(gòu)成：

連續(xù)譜——是由波長連續(xù)變化的譜線構(gòu)成。連續(xù)譜所構(gòu)成的X射線稱為白色X射線(與電壓有關(guān))，是由電子的動(dòng)能直接轉(zhuǎn)化而來。

線狀譜(標(biāo)識(shí)譜、特征譜)——是由譜線分立的線狀譜線構(gòu)成。分立譜所構(gòu)成的X射線稱為特征X射線(與靶金屬材料有關(guān))是由電子的動(dòng)能間接轉(zhuǎn)化而來。典型光譜圖

（鎢靶）

（鉬靶）鎢靶與鉬靶射線管的射線譜3.2.4.1對(duì)連續(xù)X射線譜的解釋根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的理論，帶電粒子在加速(或減速)時(shí)必伴隨著輻射。電子到達(dá)靶材時(shí)，在靶核庫侖場的作用下電子的速度是連續(xù)變化的，因此輻射的X射線具有連續(xù)譜的性質(zhì)。但經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)無法解釋最短波長現(xiàn)象。連續(xù)譜的特點(diǎn)連續(xù)譜線的強(qiáng)度隨波長變化而變化，在某波長上有一強(qiáng)度極大值。存在短波波長極限，它與靶物質(zhì)種類無關(guān)，僅與加速電壓有關(guān)。(量子力學(xué))當(dāng)電壓增大時(shí)各種波長的強(qiáng)度隨之增大，曲線的極大值向短波方向移動(dòng)。(碰撞次數(shù)和輻射光子能量增高)管電壓相同時(shí)，不同材料金屬靶的連續(xù)譜線的強(qiáng)度隨其原子序數(shù)的增加而增強(qiáng)。最大強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的波長量子極限假設(shè)高速電子撞擊靶時(shí)，電子能量中有p部分消耗于陽極各種不同過程的激發(fā)作用。(量子極限)意義：解決了經(jīng)典理論無法解釋最短波長的困難。上式可用來精確測定普朗克常數(shù)h。連續(xù)X射線譜的總強(qiáng)度X射線的強(qiáng)度是指垂直于X射線傳播方向的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能量總和?？倧?qiáng)度的計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式其中i-管電流，mAZ-靶物質(zhì)的原子序數(shù)

V-管電壓，kV

Ki-系數(shù)(1.1～1.4)×10-6射線強(qiáng)度平方反比定律

結(jié)論：空間任意一點(diǎn)的射線強(qiáng)度與該點(diǎn)到射線源的距離平方成反比。空間距離射線源F處的射線強(qiáng)度為平方反比定律：實(shí)測劑量與管電流關(guān)系實(shí)測劑量與管電流關(guān)系實(shí)測劑量與管電壓關(guān)系實(shí)測劑量與管電壓關(guān)系提高總強(qiáng)度方法提高管電流-單位時(shí)間撞擊靶的電子數(shù)增多提高管電壓-電子加速后能量增大，碰撞時(shí)能量轉(zhuǎn)換過程增多靶材料原子序數(shù)越高-核庫侖場越強(qiáng)，韌致輻射作用越強(qiáng)強(qiáng)度與管電壓、管電流和靶物質(zhì)原子序數(shù)關(guān)系X射線管的轉(zhuǎn)換效率

X射線管的效率η，是指電子流能量中用于產(chǎn)生X射線的百分?jǐn)?shù)，即隨著原子序數(shù)Z的增加，X射線管的效率提高，但即使用原子序數(shù)大的鎢靶，在管電壓高達(dá)100kv的情況下，X射線管的效率也僅有1﹪左右，99％的能量都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

連續(xù)X射線強(qiáng)度的空間分布薄靶周圍X射線強(qiáng)度的角分布 當(dāng)管電壓升高時(shí)，X射線最大強(qiáng)度方向逐漸趨向電子束的入射方向，X射線的強(qiáng)度分布趨于集中。連續(xù)X射線強(qiáng)度的空間分布厚靶的X射線空間分布

“足跟”效應(yīng)(陽極效應(yīng))：愈靠近陽極，沿管長軸分布的X射線強(qiáng)度下降得愈多。如射線B比陰極側(cè)的射線A在陽極靶內(nèi)穿越遠(yuǎn)，能量與強(qiáng)度衰減更多。3.2.4.2

特征譜及特征X射線在連續(xù)譜的基礎(chǔ)上疊加若干條具有一定波長的強(qiáng)度很大的線狀譜線。特征X射線譜的產(chǎn)生只依賴于陽極靶材料，確切的說與靶的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，波長位置與管電壓、管電流無關(guān)。特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理原子殼層按其能量大小分為數(shù)層，通常用K、L、M、N等字母代表它們的名稱。但當(dāng)管電壓達(dá)到或超過某一臨界值時(shí)，則陰極發(fā)出的電子在電場加速下，可以將靶物質(zhì)原子深層的電子擊到能量較高的外部殼層或擊出原子外，使原子電離。特征譜的產(chǎn)生機(jī)理解釋原子的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個(gè)能級(jí)。在電子轟擊陽極的過程中，當(dāng)某個(gè)具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內(nèi)層電子擊出時(shí)，于是在低能級(jí)上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)。較高能級(jí)上的電子向低能級(jí)上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標(biāo)識(shí) X射線譜。激發(fā)電壓如果K層電子被擊出K層，稱K激發(fā)，L層電子被擊出L層，稱L激發(fā)，其余各層依此類推。產(chǎn)生K激發(fā)的能量為WK＝hυK，陰極電子的能量必須滿足eV≥WK＝hυK，才能產(chǎn)生K激發(fā)。其臨界值為eVK＝WK，VK稱之臨界激發(fā)電壓。當(dāng)管電壓(大于臨界激發(fā)電壓)增加時(shí)，連續(xù)譜和特征譜強(qiáng)度都增加，而特征譜對(duì)應(yīng)的波長保持不變。特征譜的波長按量子理論所釋放的能量以光量子(X射線或可見光)的形式輻射出去。若有一N軌道電子躍遷到K軌道，則輻射波長 若比較小輻射可見光(原子外層電子躍遷時(shí)發(fā)生)

較大輻射X射線(原子內(nèi)層電子躍遷時(shí)發(fā)生)

不同系射線和譜線不同系射線

K系X射線：任何電子跳到K層時(shí)產(chǎn)生的X射線。 L系X射線：任何電子(外層)跳到L層時(shí)產(chǎn)生的X射線?！诿恳幌?如K系)X射線里

譜線(即線)：凡從相鄰層(L到K層)跳來的。 譜線(即線)：凡從隔層(M到K層)跳來的。 …原子軌道能級(jí)不連續(xù)，產(chǎn)生的特征X射線也是不連續(xù)。X射線譜--特征X射線譜鉬靶X射線管當(dāng)管電壓等于或高于20KV時(shí)，則除連續(xù)X射線譜外，位于一定波長處還疊加有少數(shù)強(qiáng)譜線，它們即特征X射線譜。鉬靶X射線管在35KV電壓下的譜線，其特征x射線分別位于0.63?和0.71?處，后者的強(qiáng)度約為前者強(qiáng)度的五倍。這兩條譜線稱鉬的K系。

特征譜的特點(diǎn)特征譜所對(duì)應(yīng)的波長與外加電壓無關(guān)。各元素的特征X射線譜有相似的結(jié)構(gòu)，但各元素的特征X射線的能量值(或波長)各不相同。每一譜線都有特定的波長，電子撞擊的物質(zhì)不同，這些特定波長的值也不同。特征譜只與靶元素有關(guān)，不同元素制成的靶具有不同的線狀譜。特征譜的特點(diǎn)特征譜可分為若干組，稱為系，每一系的譜線都有自己的特定結(jié)構(gòu)和激發(fā)電壓，只有電子的加速電壓超過激發(fā)電壓時(shí)才能產(chǎn)生該系的特征譜線。當(dāng)管電壓小于K系激發(fā)電壓而大于L系激發(fā)電壓時(shí)，不產(chǎn)生K系X射線而產(chǎn)生L系X射線，同時(shí)伴隨M系、N系等系X射線。特征X射線的強(qiáng)度特征X射線的強(qiáng)度隨管電流和管電壓變化，K系X射線強(qiáng)度為譜線強(qiáng)度在某一電壓下達(dá)到最大，然后下降。當(dāng)管電壓高于激發(fā)電壓10-20倍時(shí)，電子深入陽極內(nèi)部，產(chǎn)生的射線被陽極大量吸收，特征譜強(qiáng)度下降。n取值在1.5-2內(nèi)，管電壓不超過激發(fā)電壓3-4倍。特征譜的作用注意：在工業(yè)射線檢測中，標(biāo)識(shí)譜不起作用。用途： 特征X射線可用來作為元素的標(biāo)識(shí)，材料成分分析，如X射線熒光光譜分析。3.2.5莫色萊定律特征X射線譜的頻率(或波長)只與陽極靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與其他外界因素?zé)o關(guān)，是物質(zhì)的固有特性。1913～1914年莫色萊發(fā)現(xiàn)物質(zhì)發(fā)出的特征譜波長與它本身的原子序數(shù)間存在以下關(guān)系

根據(jù)莫色萊定律，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得到的未知元素的特征X射線譜線波長，與已知的元素波長相比較，可以確定它是何元素。它是X射線光譜分析的基本依據(jù)。3.2.6俄歇效應(yīng)(Augereffect)當(dāng)X射線或γ射線輻射到物體上時(shí)，由于光子能量很高，使原子內(nèi)殼層上的束縛電子發(fā)射出來產(chǎn)生空穴，而原子外殼層上高能級(jí)的電子可能躍遷到這空位上，同時(shí)釋放能量。通常能量以發(fā)射光子的形式釋放，但也可以通過發(fā)射原子中的一個(gè)電子來釋放。第二個(gè)被發(fā)射的電子叫做俄歇電子。不僅僅指X射線或γ射線該效應(yīng)的機(jī)制是無輻射躍遷。例：假如在K層有一個(gè)空穴(光電效應(yīng))，當(dāng)L層的一個(gè)電子躍遷到K層時(shí)，多余的能量可以釋放X射線(特征X射線)，也可以不釋放X射線，而把能量傳遞給另一層(M層)中的一個(gè)電子，這個(gè)電子就可以脫離原子，稱為俄歇電子。對(duì)輕元素，發(fā)射俄歇電子的概率較大對(duì)重元素，發(fā)射特征X射線的概率較大。3.2.7電子躍遷誘發(fā)原子核激發(fā)1973年，日本大阪大學(xué)森田正人提出一種新的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制：當(dāng)電子填充空穴時(shí)把能量傳遞給原子核，使原子核躍遷到激發(fā)態(tài)。例：鈾原子從3d3/2到2p3/2態(tài)的躍遷，將釋放能量13.44keV，可使原子核235U從基態(tài)激發(fā)到3/2+態(tài)(13.1keV)，但發(fā)生概率很小，約為10-9。3.3γ射線3.3.1γ射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)產(chǎn)生：來源于放射性衰變常用工業(yè)γ射線源有鈷60、銫137、銥192、Se75等

鈷60灰色磁性金屬，熔點(diǎn)1480℃，密度8.9g/cm3鈷以單種同位素Co59存在，俘獲一個(gè)中子后轉(zhuǎn)變成人工放射性同位素Co60Co60不穩(wěn)定0.31(100%)5.3年1.1721.33銫137主要是經(jīng)由核裂變生成的核裂產(chǎn)物。呈銀白色、質(zhì)軟、化學(xué)性質(zhì)極為活潑，遇水發(fā)生爆炸，放射性較強(qiáng)，屬于放射性物質(zhì)中毒組。Cs137通常以氯化物的形式作為射線源。Tm170(銩)當(dāng)熱中子照射穩(wěn)定同位素169Tm生成170Tm,半衰期為129天。產(chǎn)生γ射線主要能量為0.084、0.052MeV，平均能量為0.072MeV

129天0.886(24%)0.0840.968(76%)銥192銥192-無損探傷檢測用伽瑪放射源之一，半衰期74天，能量0.355MeV，可以穿透10-100mm厚鋼板0.2830.4840.05715.5%

0.2830.2060.6120.2010.595(38.5%)0.8800.5890.308

0.1720.1360.4150.4680.6040.240(15.5%)0.670(42%)0.840(<0.004%)4%0.3160.295Se75有灰色金屬光澤的固體，將穩(wěn)定的元素Se74或其化合物放入反應(yīng)堆中受中子照射，通過中子俘獲反應(yīng)得到Se75，射線能量、強(qiáng)度較高的主要有0.121、0136、0.265、0.280MeV，平均能量為0.206MeV

3.3.2γ射線的強(qiáng)度放射性活度 常用居里作為單位。1居里(Ci)=3.7×1010/秒放射性強(qiáng)度隨時(shí)間的改變而改變，其變化規(guī)律服從指數(shù)衰減定律

照射強(qiáng)度：(又稱輻照強(qiáng)度，照射量率) 單位時(shí)間內(nèi)落在一定距離的照射面上(嚴(yán)格定義應(yīng)為“標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度。 照射強(qiáng)度的常用單位為：倫琴(R)/小時(shí) 照射強(qiáng)度服從距離--平方反比定律

放射常數(shù)Kr的含義：放射活度為1居里的γ源，相距1米處的照射強(qiáng)度值。放射活度和照射強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換關(guān)系放射活度和照射強(qiáng)度的轉(zhuǎn)換公式：

I=AKr/R2

(倫/時(shí))

例：5居里60Co源，3米處的照射強(qiáng)度是多少?5居里=5000毫居里I=5(居里)×1.32(m2×R/(h×Ci))/(3m×3m)=0.73R/h

對(duì)同一種射線源，放射性活度大的源在單位時(shí)間內(nèi)將輻射更多的射線。對(duì)不同的射線源，即使放射性活度相同，也并不表示它們在單位時(shí)間內(nèi)輻射的射線光量子數(shù)目相同。3.3.3常用γ源的特性射線源Co60Cs137Ir192Tm170Se75Yb169主要能量(MeV)1.17,1.330.6620.30,0.31,0.47,0.610.084,0.0540.13,0.270.281,0.4050.0631,0.120.193,0.309平均能量((MeV)1.250.6620.3550.0720.2260.156半衰期5.27年33年74天128天120天32天常數(shù)1.320.320.4720.00140.200.125比活度中小大大中小透照厚度（鋼mm）40~20015~10010~1003~205~303~15價(jià)格高高較低中較高中3.4兩種常用工業(yè)射線的比較X射線的量X射線的強(qiáng)度單位時(shí)間內(nèi)，通過垂直于射線傳播方向上單位面積的X射線光子的能量。常用管電流大小代表X射線的強(qiáng)度；用管電流毫安數(shù)與輻射時(shí)間的乘積來衡量總輻射的能量。單位：mA.s射線強(qiáng)度射線強(qiáng)度的變化因素：強(qiáng)度-距離平方反比律穿過物體后的射線強(qiáng)度衰減規(guī)律X射線的質(zhì)X射線的硬度X射線的穿透本領(lǐng)，表示X射線的質(zhì)。它取決于X射線光子能量的大小。對(duì)于一定的吸收物質(zhì)，X射線被吸收越少則穿透量越多，X射線就越硬。常用管電壓的kV數(shù)來衡量X射線的硬度。硬X射線：比0.1nm短的X射線軟X射線：比0.1nm長的X射線能量也稱線質(zhì)射線能量能量的單位：eV

MeV

X射線 連續(xù)X射線的能量取決于管電壓 標(biāo)識(shí)X射線的能量達(dá)到臨界電壓后與管電壓變化無關(guān)，標(biāo)識(shí)X射線的能量與靶材料有關(guān)。γ射線能量(穿透力)取決于源的種類和性質(zhì)。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(duì)應(yīng)的管電壓值，稱為當(dāng)量能。射線能量Co60的平均能量:(1.17MeV+1.33MeV)/2=1.25MeV(2)如何確定220kV射線的能量?先求:λmin=12.4/V=0.05636(nm)再求:最短波長所對(duì)應(yīng)的射線能量

Emax=hv/λmin=0.220(MeV)即220kV管電壓產(chǎn)生的X射線光子最大能量0.22MeV(3)比較：Co60、220KV管壓發(fā)射的X射線、 15MeV加速器所產(chǎn)生的射線能量的大小。

X射線與射線的比較X射線γ射線能量可控性可控，調(diào)電壓不可控，取決于源種類強(qiáng)度可控性可控不可控，有衰減性能譜連續(xù)譜線狀譜產(chǎn)生方式韌致輻射放射性衰變3.5中子射線中子射線是粒子射線性質(zhì)：中子是組成物質(zhì)的基本粒子之一中子不帶電，不能使膠片感光中子與物質(zhì)原子核作用中子的性質(zhì)中子的質(zhì)量中子的電荷：帶有非常小的電荷中子的放射性中子通過物質(zhì)時(shí)，相當(dāng)快地被原子核俘