第二章 射线检测-1

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1、第二章第二章 射线检测射线检测 2.1 2.1 射线检测的物理基础射线检测的物理基础一、一、 射线的种类和频谱射线的种类和频谱在射线检测中应用的射线主要是在射线检测中应用的射线主要是X射线、射线、射线和中子射线。射线和中子射线。X射线和射线和射线属于电磁辐射，而中子射线是中子束流。射线属于电磁辐射，而中子射线是中子束流。 1) X射线射线X射线又称伦琴射线，是射线检测领域中应用最广泛的一射线又称伦琴射线，是射线检测领域中应用最广泛的一种射线，波长范围约为种射线，波长范围约为0.0006100 nm(见图见图2-1)。 在在X射线检射线检测中常用的波长范围为测中常用的波长范围为0.0010.1

2、nm。X射线的频率范围约为射线的频率范围约为310951014 MHz。 图2-1 射线的波长分布 2) 2) 射线射线 射线是一种波长比射线是一种波长比X X射线更短的射线，波长范围约为射线更短的射线，波长范围约为0.00030.00030.1 nm0.1 nm（见图（见图2-12-1），频率范围约为），频率范围约为3 3101012121 110101515MHzMHz。 工业上广泛采用人工同位素产生工业上广泛采用人工同位素产生射线。由于射线。由于射线的射线的波长比波长比X X射线更短，所以具有更大的穿透力。在无损检测中射线更短，所以具有更大的穿透力。在无损检测中射线常被用来对厚度较大和大

3、型整体工件进行射线照相。射线常被用来对厚度较大和大型整体工件进行射线照相。 3 3） 中子射线中子射线中子是构成原子核的基本粒子。中子射线是由某些物质中子是构成原子核的基本粒子。中子射线是由某些物质的原子在裂变过程中逸出高速中子所产生的。工业上常用人的原子在裂变过程中逸出高速中子所产生的。工业上常用人工同位素、加速器、反应堆来产生中子射线。在无损检测中工同位素、加速器、反应堆来产生中子射线。在无损检测中中子射线常被用来对某些特殊部件中子射线常被用来对某些特殊部件(如放射性核燃料元件如放射性核燃料元件)进行进行射线照相。射线照相。 二、 X X射线的产生射线的产生X X射线是一种波长比紫外线还短

4、的电磁波，它具有光的特射线是一种波长比紫外线还短的电磁波，它具有光的特性，例如具有反射、折射、干涉、衍射、散射和偏振等现象。性，例如具有反射、折射、干涉、衍射、散射和偏振等现象。 它能使一些结晶物体发生荧光、气体电离和胶片感光。它能使一些结晶物体发生荧光、气体电离和胶片感光。 X X射线通常是将高速运动的电子作用到金属靶射线通常是将高速运动的电子作用到金属靶( (一般是重一般是重金属金属) )上而产生的上而产生的, ,见教材见教材p47p47。图。图2-22-2是在是在35 kV35 kV的电压下操作的电压下操作时，钨靶与钼靶产生的典型的时，钨靶与钼靶产生的典型的X X射线谱。钨靶发射的是连续

5、光射线谱。钨靶发射的是连续光谱，而钼靶除发射连续光谱之外还叠加了两条特征光谱，称谱，而钼靶除发射连续光谱之外还叠加了两条特征光谱，称为标识为标识X X射线，即射线，即K K线和线和K K线。若要得到钨的线。若要得到钨的K线和线和K线，线，则电压必须加到则电压必须加到70 kV以上。以上。 图2-2 钨与钼的X射线谱 1 1） 连续连续X X射线射线根据电动力学理论，具有加速度的带电粒子将产生电磁辐根据电动力学理论，具有加速度的带电粒子将产生电磁辐射。在射。在X X射线管中，高压电场加速了阴极电子，当具有很大动射线管中，高压电场加速了阴极电子，当具有很大动能的电子达到阳极表面时，由于猝然停止，它

6、所具有的动能必能的电子达到阳极表面时，由于猝然停止，它所具有的动能必定转变为电磁波辐射出去。由于电子被停止的时间和条件不同，定转变为电磁波辐射出去。由于电子被停止的时间和条件不同， 所以所以辐射的电磁波具有连续变化的波长辐射的电磁波具有连续变化的波长。 在任何在任何X X射线管中，只要电压达到一定数值，连续射线管中，只要电压达到一定数值，连续X X射线总射线总是存在的。连续是存在的。连续X X射线具有以下特点：射线具有以下特点： (1) 连续连续X射线的波长与阳极的材料无关。射线的波长与阳极的材料无关。 (2) 连续连续X射线的波长在长波方向，理论上可以扩展到射线的波长在长波方向，理论上可以扩

7、展到=；而在短波方向，实验证明具有最短波长；而在短波方向，实验证明具有最短波长min(见图见图2-2)， 且有且有 )nm(24. 1minU（2-1） 式中：式中：U为为X射线管的管电压，单位为射线管的管电压，单位为kV。 （3） X射线管的效率为射线管的效率为 ZUIUZIUPP20（2-2） 式中：式中：P=ZIU2为连续为连续X射线的总功率；射线的总功率；P0=IU为输入功率；为输入功率；Z为阳极的原子序数；为阳极的原子序数；U为管电压，单位为为管电压，单位为kV；为常数，约等为常数，约等于于1.510-6。 (4) X(4) X射线管的射线管的管电压愈高，其连续管电压愈高，其连续X

8、X射线的强度愈大，射线的强度愈大， 而且其最短波长而且其最短波长minmin愈向短波方向移动，愈向短波方向移动， 如图如图2-3所示。所示。 图2-3 不同管电压下钨靶连续X射线 2） 标识标识X射线射线根据原子结构理论，原子吸收能量后将处于受激状态，根据原子结构理论，原子吸收能量后将处于受激状态， 受受激状态原子是不稳定的，当它回复到原来的状态时，将以发射激状态原子是不稳定的，当它回复到原来的状态时，将以发射谱线的形式放出能量。在谱线的形式放出能量。在X射线管内，高速运动的电子到达阳射线管内，高速运动的电子到达阳极靶时将产生连续极靶时将产生连续X射线。如果电子的动能达到相当的数值，射线。如果

9、电子的动能达到相当的数值， 可足以打出靶原子可足以打出靶原子(通常是重金属原子通常是重金属原子)内壳层上的一个电子，内壳层上的一个电子， 该电子或者处于游离状态，或者被打到外壳层的某一个位置上。该电子或者处于游离状态，或者被打到外壳层的某一个位置上。 于是原子的内壳层上有了一个空位，邻近壳层上的电子便来填于是原子的内壳层上有了一个空位，邻近壳层上的电子便来填空，这样就发生相邻壳层之间的电子跃迁。这种空，这样就发生相邻壳层之间的电子跃迁。这种跃迁跃迁将发射出将发射出线状的线状的X射线。显然，这种射线。显然，这种X射线射线与靶金属原子的结构有关与靶金属原子的结构有关， 因此称其为标识因此称其为标识

10、X射线或特征射线或特征X射线。标识射线。标识X射线通常频率很高，射线通常频率很高， 波长很短。波长很短。 三、三、 射线的特性射线的特性 1 具有穿透物质的能力具有穿透物质的能力 2 不带电荷、不受电磁场的作用不带电荷、不受电磁场的作用 3 具有波动性、粒子性，即所谓的二象性具有波动性、粒子性，即所谓的二象性 4 能使某些物质起光化学作用能使某些物质起光化学作用 5 能使气体电离和杀死有生命的细胞能使气体电离和杀死有生命的细胞四、四、 射线通过物质的衰减定律射线通过物质的衰减定律1 1） 射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用射线与物质的相互作用主要有三种过程：光电效应、康普射线与物质的相互

11、作用主要有三种过程：光电效应、康普顿效应和电子对的产生。顿效应和电子对的产生。 这三种过程的共同点是都产生电子，这三种过程的共同点是都产生电子， 然后电离或激发物质中的其他原子；此外，还有少量的汤姆森然后电离或激发物质中的其他原子；此外，还有少量的汤姆森效应。光电效应和康普顿效应随射线能量的增加而减少，电子效应。光电效应和康普顿效应随射线能量的增加而减少，电子对的产生则随射线能量的增加而增加，四种效应的共同结果是对的产生则随射线能量的增加而增加，四种效应的共同结果是使使射线在透过物质时能量产生衰减射线在透过物质时能量产生衰减。 （1 1） 光电效应。光电效应。 在普朗克概念中每束射线都具有能量