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1、3 射线检测3-1 射线检测原理 射线透过被检物体时，有缺陷部位与无缺陷部位对射线上的吸收能力不同,以金属材料为例，缺陷部位(气孔或非金属夹杂物)对射线的吸收能力低于金属基体。透过缺陷部位的射线强度高于无缺陷部位，根据透过工件后射线强度的差异，来检测缺陷。,目前，广泛采用射线照相法，利用感光胶片来检测射线强度，胶片上相应有缺陷部位因接受较多射线，而形成黑度较大的缺陷影象。,射线透过无缺陷部位强度式中 J1-射线透过厚度为A后的强度，J0-射线透过工件前的强度，-材料线衰减系数，A-透过层材料厚度。,射线透过有缺陷部位强度(缺陷假设为气孔)式中 x-缺陷在射线方向的厚度,两者强度比为可见缺陷沿射
2、线透照方向长度x越大或被透物质线吸收系数越大，则透过有缺陷部位和无缺陷部位的射线强度差越大，胶片上缺陷与基体的黑度差越大，缺陷越容易被发现。,5-1-1 射线的本质 射线是一种电磁波，与无线电波、红外线、可见光、紫外线等本质相同，具有相同的传播速度，但频率与波长不同。,射线的波长短、频率高，具有许多与可见光不同的性质：A 不可见，依直线传播 B 不带电荷，因此不受电场和磁场影响 C 能透过可见光不能透过的物质 D 与可见光同样有反射、干涉、绕射、折射等现象，但这些现象又与可见光有区别，如x射线只有漫反射，不能产生如镜面反射。,E 使物质产生光电子及返跳电子、以及引起散射现象 F 被物质吸收产生
3、热量 G 使气体电离 H 使某些物质起光化学作用，使照相胶片感光，又能使某些物质发生荧光 I 产生生物效应、伤害及杀死有生命的细胞,3-3-2 射线的种类 1)X射线与射线 这是射线检测中最常用的两种射线，X射线是由人为的高速电子流撞击金属靶产生的。射线是放射性物质自发产生的，如钴、铀、镭等，两者产生的机理不同，但都是电磁波。,(2)射线与射线 放射性同位素产生衰变和衰变，放射射线和射线，射线贯穿能力弱，但有很强的电离作用。射线虽然穿透力强，但能量很小。一般并不直接用射线和射线进行检测，它们适用于特种场合。与X射线和射线不同，射线和射线不是电磁波，而是粒子辐射。,(3)中子射线 中子是呈电中性
4、的微粒子流，不是电磁波，这种粒子流具有巨大的速度和贯穿能力。中子与X和射线有很大不同，在被穿透材料中的衰减主要取决于材料对中子的俘获能力。对铅来说，X和射线穿透能量衰减很大，但俘获中子的能力很小。对氢来说正好相反。,3-1-5 射线的获得(1)X射线的获得 X射线是由一种特制的X射线管产生的，由阴极、阳极和高真空的玻璃或陶瓷外壳组成，阴极是一加热灯丝，用于发射电子，阳极靶是由耐高温的钨制成。,工作时在两极之间加有高电压，从阴极灯丝发射的高速电子撞击到阳极靶上，其动能消耗于阳极材料原子的电离和激发，然后转变为热能，部分电子在原子核场中受到急剧阻止，产生所谓韧致X射线，即连续X射线。,为减少电子在
5、飞往阳极过程中与气体粒子相碰撞损失动能，射线管需抽成10-410-5Pa真空。电子流动能的绝大部分(97%)转化为热能，因此阳极材料一般应选用耐高温材料并通以介质加冷却。动能中仅一小部分(3%)转变为X射线。,阴极发射电子的数量，决定了从阴极飞往阳极电子流大小(管电流)，而X射线的穿透能力则决定于电子从阴极飞往阳极的运动速度，与两极之间电压(管电压)有关。管电压愈高，所产生X射线的穿透能力愈大，波长愈短。,图中可见，只改变管电流时，X射线辐射强度只是在原有各波长下相应增加。只改变管电压时、则除原来各波长相应增加辐射强度外，还出现了更短波长的X射线。,灯丝的外加电流越大，产生的电子数量越大，射线
6、强度越高；射线能量是管电压的函数，所施电压越高，则辐射的能量越高。射线能量是其唯一的特征量，射线能量与波长及穿透能力直接相关。能量越高，波长越短，穿透能力越强。,X射线管单位时间内所发出的连续X射线的全部能量的近似公式为式中 0-常数(10-9)，I-管电流(A)，Z-阳极靶原子序数(钨Z=74)，U-管电压(V)。X射线管的转换效率为其它转变为热能,当U=100kV时=0.7%200kV 1.5%300kV 2.2%400kV 3%1 MV 7%5MV 37%由此可见，提高管电压可显著提高转换效率,(2)射线的获得 放射性同位素是一种不稳定的同位素，处于激发态，原子核能级高于基级，向基级转变
7、同时释放出射线，其能量等于两个能级间差。射线检测中所用的射线源，是由核反应制成的人工放射源，应用较广的射线源有钴60、铱192、铯137、铥170等。,铯137因其放射性比活度低，又易造成环境污染，能量单一、不宜检测厚薄不均匀工件等原因而日趋淘汰。钴60的获得，是将同位素钴59，在原子反应堆里的中子流冲击下，激发形成不稳定的同位素即钴60，释放射线以及少量射线和射线。,放射性同位素的原子核，在自发地放射出射线后能量逐渐减弱，这种现象叫做衰变。各种放射性同位素都有自己特定衰变速度，称为衰变常数()，它表示单位时间内衰变核的数量与尚未衰变核的数量之比式中 N-物质在t时尚未衰变的原子数，N0-原有
8、物质原子数，e-自然对数底，-物质衰变常数。,放射同位素原子数随时间呈指数减少，放射性同位素以原有N0个原子因衰变而减少到N0/2个原子所需的时间，称为半衰期(T)。以使用最广的钴60为例，其半衰期为5.3年,在单位时间内衰变的原子核数量，称为放射性活度，以表示，单位为居里(Ci)某种物质每秒钟有3.71010个原子衰变，则该物质的放射性活度为1Ci(居里)单位质量放射性物质的活度称为比活度，单位为Ci/g(居里/克),射线的强度可由测量仪器引起的电离程度来决定，单位是R(伦琴)1R辐射强度，等于在0及105Pa压力下，在1cm3空气中电离引起离子绝对值总和为一个绝对静电单位。,(3)高能X射
9、线的获得 普通X射线和射线检测，由于其能量低、穿透能力差，检测能力受到限制。超过100mm厚钢板不能用一般X射线检测，超过300mm厚钢板很难用射线进行检测。此时可采用加速器产生的高能X射线检测，例如对厚度达300500mm的钢板，采用高能X射线检测可获得满意结果。,高能X射线是指能量超过1000kV的射线，这种高能X射线都由加速器产生。被加速粒子的能量在1000MeV以上是高能加速器，能量在100MeV以下是低能加速器，能量在1001000MeV之间是中能加速器。按加速器种类可以分为电子加速器、质子加速器、重离子加速器以及全离子加速器等。,射线检测中应用的加速器都是电子加速器，能量数兆电子伏
10、到数十兆电子伏范围内，一般都在45MeV以下，即用低能电子加速器产生。检测对加速器的要求是束流强度大、焦点尺寸小、体积小、重量轻、成本低、操作容易、维护简单等。适合工业无损检测用加速器，主要有电子感应加速器、电子直线加速器和电子回旋加速器。,(4)中子射线的获得 中子射线检测时常根据不同用途选用不同能量的中子，如冷中子、热中子和快中子等。中子照相主要是用热中子，中子源放射出来的快中子由于能量高，不适合照相，需经慢化后变成低能热中子，由准直器引出。目前可供照相用的中子源有核反应堆、加速器和放射性同位素，常用的为(锎Cf252),(锎)Cf252中子源的半衰期2.65年，产额2.31012中子/s
11、/g，目前价各还很贵。利用Cf252可做成可移动式中子照相装置。另一种可移动中子装置，核心是与密封管中子发生器组合在一起的慢化器，与Cf252中子源不同之处是可以关闭，不运行时无需屏蔽。国外中子管的中子产额已达1012中子/s，完全可以满足照相的要求。,从中子照相来说，要求中子射线强度大、射线束质量高、便宜、方便、操作灵活等。目前，强度大的源是核反应堆，但它投资大、笨重、无法用于生产现场。而小型加速器、中子管、同位素中子源等虽然灵巧、方便，但强度总的来说还不够高。,3-1-4 射线的衰减特性 射线对物质的作用理论上有12种效应，其中主要的有4种：光电效应、瑞利散射、康普顿效应以及电子对生成。能
12、量较小时、前两种效应比较重要，电子对生成效应仅当能量大于1MeV时才开始显著。,各种效应随物质原子序数的不同而改变，原子序数低效应弱，原子序数高效应强。上述几种效应造成射线能量减弱，其原因是物质对射线的吸收与散射。射线被吸收时其能量转变为其它形式，如热能，散射则使射线的传播方向改变。,(1)射线的吸收 A 光电效应 射线通过物质时，光子与原子相互作用，光子被吸收，原子中的电子被释放出来，称为光电子，即光电效应。当光子的能量处在射线的能量范围时，光电效应与原子序数的关系密切，原子序数愈高，光电效应愈显著，光电效应与光子能量的3次方成反比，能量愈高，光电效应愈弱。,例如能量为0.5MeV的射线通过
13、铅板时，光电效应的吸收十分显著，当为2MeV时则光电效应很小。光电效应可产生的特征X射线，称为荧光X射线，产生荧光X 射线的最佳条件是光子能量稍大于原子核外电子、如K层电子的结合能，能量太大就难以产生荧光X射线。,B 电子对生成 射线通过物质时除产生光电效应外，还有电子对生成。当光子能量大于1.02MeV时产生电子对，产生电子对导致能量减弱的吸收系数与原子序数的平方成正比。光子能量小于1.02MeV时不产生电子对，因此电子对效应主要发生在高能射线。,(2)射线的散射 A 康普顿散射 又称非弹性散射和非干涉散射，一个光子和物质中一个自由电子或束缚较弱的电子发生碰撞后，光子将一部分能量传给电子，波
14、长变长。电子即从原子空间中以与光子初始运动方向成角的方向射出。光子则朝着与自己初始方向成角的方向散射，这就称为康普顿散射。,轻原子中的电子一般束缚较弱，重原子中的电子只有外层电子束缚较弱。因此，原子序数小的物质，其康普顿散射较强，而原子序数大的物质则相对较弱。,B 汤姆逊散射 汤姆逊散射即弹性散射、干涉散射，在美国又称为瑞利散射。当光子与原子中束缚很紧的电子碰撞时，光子将与整个原子之间交换能量，但原子的质量比光子大得多。按照弹性力学理论，散射光的频率不会显著改变，其波长与入射线相同，称为弹性散射。,汤姆逊散射几率与原子序数成正比，与入射能量成反比。汤姆逊散射对原子序数高的物质和能量低的光子来说
15、是最重要的，但它绝不会超过总衰减的20%，一般不大于1%,上述效应随光子能量的变化如图所示，被作用物质为铁，能量0.01MeV时光电效应占优势，随光子能量增加，光电效应逐步减少，而康普顿效应逐渐加大。,光子能量0.1MeV左右时汤姆逊效应最大，但其发生率不满10%。1MeV左右、X射线衰减基本由康普顿效应造成，此后电子对效应逐步变大。,10MeV左右、电子对效应与康普顿效应作用程度相同。大于10MeV时、电子对效应为主。,图中可知，在射线能量较低范围内，散乱射线主要是由汤姆逊效应产生，而在射线能量较高范围内，散乱射线主要由康普顿效应产生。故对一般射线检测，康普顿效应是主要的。,康普顿散射系数与
16、汤姆逊散射系数之和称为散射系数，总的衰减系数为散射系数与吸收系数()之和。线衰减系数不是常数，与射线能量有关。同时也与物质质量成正比，质量衰减系数为,当一束平行的强度为I0的单色射线，透过厚度为d的一层均匀物质时，射线强度的衰减将遵循以下规律由于散射线的存在，透过厚度为d物质时，除透射线外，还要加上物体内部散射线强度。,因此，其衰减规律如下式所示 式中n为散射比，它是射线透过工件后散射线剂量与透射线剂量之比。影响散射比的因素有焦距、照射场大小、射线性质和工件厚度等。,例如，X射线照相时 对钢n0.09T(T25mm)对铝n0.035T(T50mm)Irl92-射线照相时 对钢n0.075T(T
17、70mm)Co60-射线照相时 对钢n0.047T(T160mm),有时需要直观地表示射线的穿透力，通常用半值厚度d1/2(或半衰减层)来表示射线强度衰减一半的物质厚度。因此,一定波长的射线，对一定物质具有恒定的半值层，如Co60-射线在铁中的半值层为17.5mm 因此一次射线通过17.5mm层后强度减一半 第2个17.5mm层后即余下最初强度的25%,光子能量100400keV的X射线，在铝、铁、铜中的半值层如表3-2所示。,不同波长的射线具有不同的衰减系数，这对检测来说使问题复杂化，因此需使连续X射线的波长均匀化。就是使X射线经过一定厚度的物质、把波长较长的部分吸收掉，剩下的就是波长较短且很接近的X射线，可以认为具有相同的吸收系数。另外，射线差不多都接近于单色，即有一恒定的衰减系数。,表中所示，为几种常见材料在不同X射线能量下的线吸收系数。,
