II級(jí)培訓(xùn)射線檢測(cè)物理基礎(chǔ)

射線檢測(cè)浙江省特種設(shè)備無損檢測(cè)人員RT-II培訓(xùn)課程杭州杭氧股份有限公司嚴(yán)林權(quán)聯(lián)系方式mail:JWY1016@163.com第一章射線檢測(cè)的物理基礎(chǔ)1原子與原子結(jié)構(gòu)（研究物質(zhì)）(1)元素與原子世界上一切物質(zhì)都是元素構(gòu)成。如：水（H2O）由氫（H）和氧（O）兩種元素構(gòu)成；鋼由鐵（Fe）和碳（C）等幾種元素構(gòu)成。每種元素都用特定的符號(hào)來表示。元素有天然的和人工制造的兩種。元素的存在形式是原子，原子是體現(xiàn)元素性質(zhì)的最小微粒。原子的質(zhì)量極其微小，為了方便起見，一般用原子量來表示原子的質(zhì)量。原子量就是某元素的原子的平均質(zhì)量相對(duì)于126C的質(zhì)量的1/12的比值。原子的構(gòu)成：由一個(gè)位于原子中心的原子核和幾個(gè)核外電子組成。原子核帶正電，核外電子帶負(fù)電。兩者所帶的電荷數(shù)相等。即核電荷數(shù)與核外電子數(shù)相等。原子核的構(gòu)成：由若干質(zhì)子和若干中子構(gòu)成。質(zhì)子帶正電，中子不帶電。有幾個(gè)質(zhì)子就帶幾個(gè)正電。整個(gè)原子核因質(zhì)子帶正電而帶正電。在元素周期表中，元素的次序是按核電荷數(shù)排列的，因此，原子序數(shù)等于核電荷數(shù)。根據(jù)以上所述，構(gòu)成下式：質(zhì)子數(shù)=核電荷數(shù)=核外電子數(shù)=原子序數(shù)原子量=質(zhì)子數(shù)+中子數(shù)

原子核++++-電子-電子-電子-電子射線檢測(cè)研究的對(duì)象：1射線2工件與膠片（物質(zhì)）3射線如何與工件作用的？

射線源工件膠片一種元素可包含有多種核素。同一種元素必定具有相同的核電荷數(shù)或質(zhì)子數(shù)，但中子數(shù)不一定相同，不同的中子數(shù)就構(gòu)成不同的原子。如：氫元素有三種原子，氕、氘、氚。同位素：質(zhì)子數(shù)相同而中子數(shù)不同的各種原子互為同位素。核素可分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定的兩類，不穩(wěn)定的核素稱為放射性核素。它能自發(fā)地放出某些射線——α、β或γ射線，而變成另一種元素。放射性核素可分為天然的和人工制造的兩類。當(dāng)前射線檢測(cè)所用的γ射線源均為人工放射性核素。2核外電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律原子理論的發(fā)展：A道爾頓原子理論：原子是物質(zhì)的最小單元，不可分割的。B湯姆遜原子理論：正電荷平均分布在整個(gè)原子中，而電子則平均分布在這些正電荷之間。C盧瑟福原子理論：帶正電的原子核在原子中心，若干個(gè)帶負(fù)電的電子在核外繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)。D玻爾原子理論：帶正電的原子核在原子中心，若干個(gè)帶負(fù)電的電子在核外繞原子核運(yùn)轉(zhuǎn)。但電子是沿各自的軌道繞核運(yùn)行，各條軌道有著不同的能量狀態(tài)（能級(jí)）。在盧瑟福原子理論的基礎(chǔ)上引入了軌道和能級(jí)的概念。與現(xiàn)代原子理論最為接近?；鶓B(tài)：正常情況下電子總是在能級(jí)最低的軌道上運(yùn)行時(shí)的原子狀態(tài)。躍遷：當(dāng)原子從外界吸收一定能量時(shí)，電子就由最低能級(jí)跳到較高能級(jí)的過程。發(fā)生躍遷后，原子處于不穩(wěn)定的激發(fā)態(tài)。電子將再回到較低能級(jí)，并釋放出光子，光子的能量正好是兩個(gè)能級(jí)的能級(jí)差。3原子核結(jié)構(gòu)原子核由帶正電的質(zhì)子和不帶電的中子構(gòu)成。原子核體積為原子半徑的萬分之一，而質(zhì)量且占原子質(zhì)量的99%以上。所以原子是一個(gè)極其空曠的結(jié)構(gòu)，在射線與物質(zhì)發(fā)生作用時(shí)給部分射線穿過物質(zhì)而不與射線發(fā)生作用造成了可能。原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子是處于運(yùn)動(dòng)中的，因而原子核具有角動(dòng)量和磁矩，也具有能級(jí)概念。但應(yīng)區(qū)別于電子軌道的能級(jí)。兩者之間的其中一個(gè)區(qū)別是能級(jí)之間的能量差值具有巨大不同，電子軌道能級(jí)差一般是幾ev到幾千ev，而核內(nèi)能級(jí)差一般是幾千ev到十幾兆ev。核內(nèi)質(zhì)子和中子是以核力結(jié)合在一起的。（地球和太陽是萬有引力，電子和原子核之間是庫侖力）核力的性質(zhì)：（1）核力與電荷無關(guān)；（2）核力是短程作用力；（3）核力是一種強(qiáng)作用力，是庫侖力的100倍；（4）核力能促成粒子的成對(duì)結(jié)合以及對(duì)對(duì)結(jié)合。采用人為的方法，以中子、質(zhì)子或其它基本粒子轟擊原子核，改變核內(nèi)質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)，可以制造出新的核素。核素有穩(wěn)定的和不穩(wěn)定的兩種，不穩(wěn)定的核素會(huì)自發(fā)蛻變，變成另一種核素，同時(shí)放出各種射線，這種現(xiàn)象稱為放射性衰變。

放射性衰變的三種模式：（1）α衰變放出帶兩個(gè)正電的42He（氦）,衰變后形成的子核，核電荷數(shù)較母核減2，即在元素周期表上前移兩位，而質(zhì)量數(shù)較母核減少4。（2）β衰變?chǔ)?衰變，母核放出電子，衰變后子核的質(zhì)量數(shù)不變，而核電荷數(shù)增加1，即在元素周期表上后移一位；軌道電子俘獲，母核俘獲核外軌道上的一個(gè)電子（最常見的是俘獲K層電子，稱為K俘獲），核中的一個(gè)質(zhì)子轉(zhuǎn)為中子，即在元素周期表前移一位。（3）γ衰變放出波長(zhǎng)很短的電磁輻射。衰變前后核的質(zhì)量數(shù)和電荷數(shù)均不發(fā)生改變。且總是伴隨著α衰變和β衰變而發(fā)生。1.2射線的種類和性質(zhì)1X射線和γ射線的性質(zhì)相同點(diǎn)：（1）都是電磁波，在真空中以光速傳播；（2）本身不帶電，不受電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響；（3）在媒質(zhì)界面上只能發(fā)生漫反射；（4）可以發(fā)生干涉和衍射現(xiàn)象；（5）不可見，能夠穿透可見光不能穿透的物質(zhì)；（6）在物質(zhì)作用過程中，會(huì)與物質(zhì)發(fā)生復(fù)雜的物理和化學(xué)作用；（7）具有輻射效應(yīng)，能夠殺傷生物細(xì)胞，破壞生物組織。不同點(diǎn)：（1）產(chǎn)生方式不同，X射線是高速電子轟擊陽極靶產(chǎn)生的；

γ射線是放射性核素衰變產(chǎn)生的。（2）能量不同X射線能量可調(diào)，取決于管電壓；

γ射線能量不可調(diào)，取決于源種類。（3）強(qiáng)度不同，X射線強(qiáng)度決于管電壓和管電流；

γ射線強(qiáng)度隨時(shí)間的推移按指數(shù)規(guī)律減弱。（4）波譜不同X射線波譜是連續(xù)譜；

γ射線波譜是線狀譜。2X射線的產(chǎn)生及其特點(diǎn)

（1）X射線的產(chǎn)生方式：1）燈絲通電發(fā)熱，燈絲周圍聚集大量電子；2）電子被陰極罩聚焦成一定形狀；3）在陰極和陽極之間的高壓驅(qū)駛下，電子高速奔向陽極；4）高速電子撞擊陽極靶，被突然遏止，電子動(dòng)能被轉(zhuǎn)化為熱能和X射線。（2）韌致輻射：帶電粒子在加速或減速時(shí)必然伴隨著電磁輻射，當(dāng)帶電粒子與原子核庫侖場(chǎng)相互作用發(fā)生驟然減速時(shí)，由此伴隨產(chǎn)生的輻射。（3）X射線的波譜特點(diǎn)：由連續(xù)譜和標(biāo)識(shí)譜兩部分組成連續(xù)譜：即波長(zhǎng)連續(xù)變化，它的最短波長(zhǎng)只與外加電壓有關(guān)；為什么會(huì)連續(xù)呢？標(biāo)識(shí)譜：也叫特征譜，只與靶材料有關(guān)。-++-射線（4）連續(xù)譜最短波長(zhǎng)的計(jì)算：電子的動(dòng)能E=eV全部轉(zhuǎn)化為電磁輻射的能量E=hν，則該輻射的波長(zhǎng)λmin為：

eV=hν=hc/λmin

λmin=hc/eV=12.4×10-7/V=12.4/V(?)式中h普朗克常數(shù)，6.626×10-34Js

c光速3×108m/se電子電量，1.6×10-19CV管電壓，kV（5）產(chǎn)生的X射線總強(qiáng)度：It=KiZiV2

Ki比例常數(shù)1.1~1.4×10-6從上式可以看出，產(chǎn)生的X射線強(qiáng)度與下列三個(gè)因素有關(guān)系：1）管電壓2）管電流3）靶材料原子序數(shù)產(chǎn)生的X射線效率：η=KiZV與管電壓和靶材料原子序數(shù)有關(guān)100kV時(shí)，η約為1%；200kV時(shí)約為2%；通過計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，高速電子的能量絕大部分轉(zhuǎn)化為熱量，只有小部分轉(zhuǎn)化X射線。所以應(yīng)及時(shí)對(duì)陽極進(jìn)行冷卻。（6）標(biāo)識(shí)譜的產(chǎn)生和特點(diǎn)：標(biāo)識(shí)譜的產(chǎn)生條件：X射線管的管電壓必須超過激發(fā)電壓Vk。激發(fā)電壓Vk一般都較低，如鎢靶為69.51kV，鉬靶為20kV。故實(shí)際檢測(cè)時(shí)，一般都伴隨有標(biāo)識(shí)X射線產(chǎn)生。標(biāo)識(shí)譜的產(chǎn)生機(jī)理：如果X射線管的管電壓超過Vk,陰極發(fā)射的電子可以獲得足夠的能量，它與陽極靶相撞時(shí)，可以把靶原子的內(nèi)層電了驅(qū)逐出殼層之外，使該原子處于激發(fā)態(tài)。此時(shí)外層電子將向內(nèi)層躍遷，同時(shí)放出1個(gè)光子（即標(biāo)識(shí)X射線），光子的能量等于發(fā)生躍遷的兩能級(jí)之差。一般躍遷常發(fā)生在K系列層電子上。標(biāo)識(shí)X射線強(qiáng)度只占X射線總強(qiáng)度的極少一部分，在實(shí)際檢測(cè)中，基本不予考慮。3γ射線的產(chǎn)生及特點(diǎn)（1）γ射線的產(chǎn)生方式：放射性同位素經(jīng)過α衰變和β衰變后，在激發(fā)態(tài)向穩(wěn)定態(tài)過渡的過程中從原子核內(nèi)發(fā)出的，是核內(nèi)能級(jí)之間的躍遷。（2）γ射線與標(biāo)識(shí)X射線的不同：γ射線是核內(nèi)能級(jí)之間的躍遷后產(chǎn)生的電磁輻射，其能量一般是幾千ev到十幾兆ev。標(biāo)識(shí)X射線是核外電子層之間的躍遷后產(chǎn)生的電磁輻射，其能量一般是幾ev到幾千ev。（3）γ射線的能量由放射性同位素的種類決定的（4）γ射線的波譜是線狀譜。（5）放射性同位素的衰減N=N0e-λT

N0原有原子核數(shù)量N經(jīng)過T時(shí)間后，衰變的原子核數(shù)量

λ衰變常數(shù)，它反映了放射性同位素的固有屬性，λ值越大，衰變?cè)娇?。上式說明放射性同位素的衰減呈指數(shù)衰減規(guī)律。半衰期T1/2：表示放射性同位素衰變掉原有核數(shù)一半所需的時(shí)間。從上面的公式可以得到T1/2=0.693/λ半衰期T1/2也反映了放射性同位素的固有屬性，λ值越大，T1/2越小，衰變?cè)娇臁?波粒二象性電磁輻射既有波動(dòng)性也有粒子性一種現(xiàn)象。波動(dòng)性：有波長(zhǎng)、頻率，會(huì)衍射、散射等。粒子性：光能量，會(huì)光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)等。5射線的種類（1）X和γ射線穿透能力強(qiáng)（2）電子射線和β射線（3）質(zhì)子射線和α射線α射線電離能力最強(qiáng)（4）中子射線容易穿透高原子序數(shù)物質(zhì)而難穿透低原子序數(shù)物質(zhì)6常用放射性同位素γ射線源Co60Cs137Ir192Tm170Se75主要能量(Mev)1.17,1.330.6610.296,0.3080.346,0.4680.084,0.0520.121,0.1360.265,0.280平均能量(Mev)1.250.6610.3550.0720.206半衰期5.3年33年75天128天120天適宜透照鋼厚度(mm)40~20015~10010~1003~205~40如何得到中子照射Co59U235的裂變產(chǎn)物Ir191俘獲熱中子中子照射Tm169中子照射Se74衰變產(chǎn)物Ni60Ba137Pt192Os192Yb170As75衰變方式β衰變?chǔ)滤プ儲(chǔ)滤プ僈俘獲β衰變軌道電子俘獲相當(dāng)?shù)腦射線能量（kV)4001002501.3射線與物質(zhì)的相互作用射線與物質(zhì)相互作用的結(jié)果：強(qiáng)度減弱，且服從指數(shù)衰減規(guī)律強(qiáng)度減弱的原因：吸收與散射吸收：光子能量被吸收，并轉(zhuǎn)換為其它形式的能量，有光電效應(yīng)、電子對(duì)效應(yīng)；散射：光子的運(yùn)動(dòng)方向改變，能量傳遞或改變，有康普頓效應(yīng)、瑞利散射。（1）光電效應(yīng)光子與原子的束縛電子作用時(shí)，光子把全部能量轉(zhuǎn)移給某個(gè)束縛電子，使之發(fā)射出去，而光子本身消失掉，這一過程稱為光電效應(yīng)。發(fā)射出去的電子叫光電子。光電效應(yīng)發(fā)生的前提：入射光子的能量Ee應(yīng)大于電子層殼所在的Ei。光電效應(yīng)的發(fā)生概率：隨光子能量增大而減小，原子序數(shù)的增大而增大。光電效應(yīng)的其它產(chǎn)物：光電效應(yīng)后，原子處于激發(fā)態(tài)。退激方式有兩種，一種是外層電子向內(nèi)層躍遷，并輻射標(biāo)識(shí)X射線（次級(jí)X射線或熒光X射線），其能量是兩電子層的能級(jí)差；另一種是激發(fā)能轉(zhuǎn)移給外層電子，使這發(fā)射出去，發(fā)射出去的電子稱為俄歇電子。光電效應(yīng)逐出的電子多發(fā)生在K層（內(nèi)層）上。（2）康普頓效應(yīng)入射光子與原子的自由電子或外層電子發(fā)生非彈性碰撞，一部分能量轉(zhuǎn)移給電子，使它成為反沖電子發(fā)射出去，而光子本身不消失，只是能量和運(yùn)動(dòng)方向都發(fā)生了改變。這一過程稱為康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)的發(fā)生概率與物質(zhì)原子序數(shù)成正比，與光子能量成反比。（3）電子對(duì)效應(yīng)入射光子與原子核庫侖場(chǎng)作用，光子轉(zhuǎn)化為1個(gè)正電子和1個(gè)負(fù)電子，這一過程叫電子對(duì)效應(yīng)。電子對(duì)效應(yīng)發(fā)生的前提條件：入射光子能量必須大于電子對(duì)的結(jié)合能1.02MeV.電子對(duì)湮滅：電子對(duì)效應(yīng)產(chǎn)生的正負(fù)電子對(duì)在吸收物質(zhì)中很快消失，并轉(zhuǎn)化為2個(gè)能量為0.51MeV的光子的現(xiàn)象。電子對(duì)效應(yīng)發(fā)生的概率與物質(zhì)原子序數(shù)的平方成正比，與光子能量基本上成正比。（4）瑞利散射入射光子與原子的內(nèi)層電子發(fā)生彈性散射，電子吸收入射光子而躍遷到高能級(jí)，隨即又放出1個(gè)能量約等于入射光子能量的散射光子。由于入射光子與散射光子擁有相同的波長(zhǎng)，故會(huì)發(fā)生干涉現(xiàn)象，瑞利散射是相干散射的一種。瑞利散射發(fā)生概率與物質(zhì)原子序數(shù)的平方成正比，隨光子能量增大而急劇減小。四種效應(yīng)比較光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)瑞利散射作用對(duì)象內(nèi)層電子（多為K層）自由電子或外層電子原子核內(nèi)層電子吸收或散射光子消失被吸收光子不消失被散射光子消失被吸收光子消失被吸收實(shí)際效果是散射產(chǎn)物光電子標(biāo)識(shí)X射線俄歇電子散射光子反沖電子正負(fù)電子對(duì)散射光子發(fā)生概率σph隨Z的增大而增大隨hv的增大而減小σc∝Z與hv成反比σp∝Z2Eσp∝Z2lnEσR∝Z2σR隨hv的增大而急劇減?。?）各種效應(yīng)相互作用發(fā)生的相對(duì)概率對(duì)于低能射線和原子序數(shù)高的物質(zhì)，光電效應(yīng)占優(yōu)；對(duì)于中等能量射線和原子序數(shù)低的物質(zhì)，康普頓效應(yīng)占優(yōu)；對(duì)于高能射線和原子序數(shù)高的物質(zhì)，電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)。射線與鐵相互作用時(shí)，各種效應(yīng)發(fā)生的概率：10keV,光電效應(yīng)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。隨能量的增大，光電效應(yīng)逐漸減小，而康普頓效應(yīng)逐漸增大；100keV,光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)發(fā)生的概率相等；瑞利效應(yīng)此時(shí)最大；1MeV,康普頓效應(yīng)最大，且基本上都是康普頓效應(yīng)；光電效應(yīng)變0；隨能量的增大，電子對(duì)效應(yīng)開始并增大，康普頓效應(yīng)逐漸減小10MeV,電子對(duì)效應(yīng)與康普頓效應(yīng)發(fā)生的概率相等；隨能量的增大，電子對(duì)效應(yīng)概率越來越大。(6)窄束、單色射線的強(qiáng)度衰減規(guī)律射線與物質(zhì)相互作用后，一部分吸收，一部分散射，一部分不與物質(zhì)作用而直接穿透過去。直接穿透過去，能量和方向均不發(fā)生改變的射線稱為透射線Ip；發(fā)生散射，能量和方向均發(fā)生改變的射線稱為散射線Is。窄束射線是指不包括散射成分的射線束。單色射線是指由單一波長(zhǎng)電磁波組成的射線。窄束、單色射線的強(qiáng)度衰減規(guī)律：I=I0e-uTI衰減后（穿透后）的射線強(qiáng)度I0衰減前（穿透前）的原始射線強(qiáng)度T穿透厚度u線衰減系數(shù)

線衰減系數(shù)u的意義是射線通過單位厚度物質(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)?？煞纸鉃樗膫€(gè)效應(yīng)的分線衰減系數(shù)。

u=uph+uc+up+uR

u大致與物質(zhì)密度成正比；隨原子序數(shù)的增大而增大；

u與光子能量的關(guān)系是：光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)時(shí)，隨光子能量的增大而減??；電子對(duì)效應(yīng)時(shí)，隨光子能量的增大而增大；故常規(guī)射線檢測(cè)（小于1MeV)時(shí)，因?yàn)橐话悴话l(fā)生電子對(duì)效應(yīng),u是隨光子能量的增大而減小。半價(jià)層：是指入射射線強(qiáng)度減少一半時(shí)的吸收物質(zhì)厚度，用T1/2來表示。它表示某種能量射線的穿透能力或某種射線的衰減作用程度。它與u之間的關(guān)系是：

T1/2=0.693/u例已知某窄束單色射線穿過20mm的鋼后，強(qiáng)度減弱到原來的20%，求該射線在鋼中的線衰減系數(shù)。解：1T1/2I/I0=(1/2)12T1/2I/I0=(1/2)2nT1/2I/I0=(1/2)nI/I0=20%=0.2=(1/2)n

得n=2.32

T1/2=2/2.32=0.86cmu=0.693/0.86=0.8cm-1(7)寬束、多色射線的強(qiáng)度衰減規(guī)律寬束射線：包含有散射線成分的射線；多色射線：有多種波長(zhǎng)組成的射線，其中X射線的波長(zhǎng)是連續(xù)的，也稱“白色”射線。射線透過物質(zhì)以后，有兩種射線，即透射線和散射線。如果用I來表示透過物質(zhì)以后的射線總強(qiáng)度，Ip來表示透射線強(qiáng)度，Is來表示散射線強(qiáng)度，用n來表示散射線強(qiáng)度Is與透射線強(qiáng)度Ip之比，即n=Is/Ip（我們稱它為散射比），則有：I=Ip+Is=Ip（1+Is/Ip）=Ip（1+n）散射比與射線能量，穿透物質(zhì)種類、穿透厚度等許多因素有關(guān)。平均衰減系數(shù)多色射線的強(qiáng)度衰減：I=I0e-ǖT

ǖ為平均衰減系數(shù)（因?yàn)椴煌芰康纳渚€其衰減系數(shù)是不一樣的，故引入平均衰減系數(shù)）。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(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，此過程稱為多色射線穿透物質(zhì)過程的線質(zhì)硬化現(xiàn)象。隨穿透厚度的增加，線質(zhì)逐漸變硬，平均衰減系數(shù)逐漸減小，而半價(jià)層逐漸增大。寬束、多