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1、第一章 射线检测的物理基础,本章重点讲述四个问题:1.射线的性质、本质和X射线的产生2.射线谱-连续谱、特征谱、线状谱3.射线与物质的相互作用4.射线照相原理、特点,第一节 原子和原子核结构,元素与原子（了解）1 元素构成物质，每一种元素用元素符号表示（119种）C CO Fe2 原子的概念:定义：体现元素性质的最小微粒。组成单质和化合物分子的最小微粒。由原子核和核外电子构成。,2 原子的构成:*原子是由原子核和核外电子所构成。电子围绕原子核作行星运动；电子在一定轨道上绕核运动。铁原子 铯原子,（1）质量：几乎集中在原子核内，核的密度非常大！如果：把核集中在 1cm3 的体积内，那么：这1cm
2、3 的体积内核的总重量为 108 吨！（一万万吨！）相对原子质量=质子数+中子数+电子数（电子质量小，忽略）（2）大小：原子半径 10-8 cm 数量级。原子核半径10-13cm 数量级。如果：核的半径为 1cm,核（1cm）电子*-*（约1000米）,10-8/10-13=100000 倍,原子是有质量、有尺寸的一种粒子。原子质量微小 相对原子质量,（3）电荷：原子核带正电；电子带负电；原子为中性。（4）构成：原子核（质子+中子）+电子 数量关系：原子量=质子数+中子数 A=Z+N 例：钴60 60=27+33质子数Z=核的正电荷数=电子数=原子序数（5）核素：凡是具有一定质子数、中子数并处
3、于特定能量状态的原子或原子核称为核素。（6）同位素：同一种元素的原子具有相同的核电荷数，即核内质子数相同，中子数可以不同（中子不带电）。,稳定核素 不稳定 自发放出、或射线变为另一种元素,放射性核素获得：Z83 用高能粒子轰击稳定核素的核,质子数相同而中子数不同（核电荷数相同而相对原子质量不同）的各种原子互为同位素。pie 氕 dao 氘 chuan 氚,1913年玻尔提出了完善的原子结构模型-玻尔模型.,3 原子结构理论-玻尔理论（玻尔模型）*20世纪初二种不同的原子结构模型 1903年：汤姆森假设：核子与电子在原子内均匀分布 卢瑟福粒子散射试验1911年：卢瑟福模型：行星分布 古典电磁理论
4、 原子的线状光谱,玻尔理论（玻尔模型）的要点：（1）原子中的电子沿着圆形轨道绕核运行，各轨道有不同的能量状态，叫做能级，各能级的能值都是确定的。正常情况下电子在能级最低的轨道上运行，这时的原子状态称作基态。（2）原子从外界吸收一定能量时，电子就由最低能级跳到较高能级，这一过程称作跃迁，这时的原子状态称作激发态。激发态是一种不稳定状态，电子将再次跃迁回较低能级：h=En-Em En、Em分别为较高、较低能级的能量值。稳定状态的改变（或能量的改变）是不连续的。,4 玻尔理论中的几个概念：*基态：原子处于最低能量的状态称为基态，是稳定状态；*激发态：电子获得能量从低能级轨道进入高能级轨道，该过程 称
5、为激发；此时原子处于高能量状态，称为激发态，激发态是不稳定的状态；*原子的状态特性：任何不稳定状态的原子必将自动的回到稳定状态即回到基态；该过程将释放出原子高于基态的能量，即产生辐射。释放能量的过程可以一次回到基态，也可以逐次回到基态；*跃迁：电子从一个轨道向另一个轨道的运动，称为跃迁（包括从低到高；或从高到低的运动）；*能级：用平行线表示核外电子所处的能量级别称为能级，外壳层能级最高，但外壳层上的电子结合能最低。,1901年-W.K Rontgen(伦琴)德国-发现X射线（物理）东尼1903年：安亨利贝克勒尔（法国）发现天然放射性；皮埃尔居里（法国）、玛丽居里（波兰裔法国人）发现并研究放射性
6、元素钋和镭1904年：瑞利（英国）气体密度的研究和发现氩1906年：约瑟夫汤姆生（英国）对气体放电理论和实验研究作出重要贡献并发现电子1908年E.卢瑟福（英国人）首先提出放射性元素的蜕变理论1911年M.居里（法国人）发现镭和钋,因对X射线、放射性物质及应用作出贡献而获诺贝尔奖的科学家,1914年-M.V Laue(劳厄)-发现晶体的X衍射衍射（物理）1915年-(布拉格)用X射线分析晶体结构（物理）1917年-C.G Barkla(巴克拉)-发现X射线对元素的特征发射（物理）1921年：阿尔伯特爱因斯坦（德国）他对数学物理学的成就，特别是光电效应定律的发现1922年：尼尔斯亨利克大卫玻尔（
7、丹麦）关于原子结构以及原子辐射的研究1924年-M.G Siegbahn(塞格巴恩)-（瑞典）研究X射线光谱学（物理）1925年：弗兰克赫兹（德国）发现原子和电子的碰撞规律1927年-A.H Compton(康普顿)-发现散射X射线的波长变化（物理）1929年：路易维克多德布罗意（法国）发现电子的波动性1935年：詹姆斯查德威克（英国）发现中子1936年-P.J.W Debye(德拜)-X射线偶极矩和衍射及气体中的电子研究（化学）1946年-H.I Muller(马勒)-X射线辐照引起变异（生理学或医学）,二 原子核（了解）原子核的构成 原子核=质子+中子 rA1/3 核的密度是相同的,2 原
8、子核的质量*原子核的质量组成部分的质量和;结合能把原子核中粒子结合在一起的吸引力有关的负电位能的质量当量。,3 核的稳定性 核力 斥力 核 力 核力的性质:核力与电荷无关，无论中子还是质子 都受到核力的作用。核力是短程力，只在相邻原子核之间发生作用核力比库仑力约大100 倍，是一种强相互作用力核力能促成粒子的成对结合和对对结合,核的稳定性取决于质子与中子数量的组合 对于小质量数的核，N/Z=1 对于大质量数的核，N/Z=1.6 不稳定核素 放射性衰变,4 衰变*放射性原子核释放出粒子的过程称为衰变。*衰变后，原子核内核子数的变化：粒子是氦的原子核（He)核内：2个质子，2个中子 一次衰变：质子
9、数减少二个，中子数减少二个，原子量减少4。*粒子所形成的射线是一种电离辐射。,5 衰变*放射性原子核释放出粒子的过程称为衰变。*衰变后，原子核内核子数的变化：粒子是电子,一次衰变：质子数增加一个，原子量不变。,6 衰变(辐射)*放射性原子核释放出光子的过程称为衰变(辐射)。衰变通常是在衰变和衰变过程中发生的。并非每一个衰变和衰变都释放光子。射线的释放不影响原子核的核子数，仅减少原子核的强度。,第二节 射线的种类和性质,一、X射线和射线的本质与性质（理解）1 本质：电磁波*X射线、射线、可见光、无线电波、红外线都是电磁波*X射线和射线是波长较短的电磁波；区别在于波长不同以及产生方法不同。,2 波
10、动关系：=C/,（波长 A），C（光速），（频率）3 波长单位：埃 A=10-8 cm；纳米 nm=10-7 cm.,4 X射线和射线性质：（1）不可见，在真空中以光速传播；（2）不带电，不受电场和磁场的影响；（3）具有某些光学特性：反射，折射（折射系数近似1），干涉和衍射.；（4）具有极大的能量，能穿透物体；（5）能使物质电离，能产生热效应和光化作用；（6）能杀伤生物细胞，破坏生物组织，具有辐射生物效应。,X射线的产生产生机理：作加速运动的带电粒子将产生电磁辐射。X射线管内高速运动的电子与靶原子碰撞时，与原子核外库仑场作用，而产生电磁辐射，称为韧致辐射。,连续谱 最短波长与外加电压有关X射线
11、谱 特征谱 波长位置取决于靶材料,连续X射线（白色X射线，多色X射线）1、轫致辐射：带电粒子在加速或减速时必然伴随着电磁辐射，当带电粒子与原子相碰撞（更确切地说是与原子核的库伦场相互作用）发生骤然减速时，由此伴随产生的辐射。X射线产生的波谱呈连续分布。连续谱存在着一个最短波长min=12.4/V（）,连续谱中最大强度对应波长IM=1.5 min 连续X射线的总强度IT=KiZiV2i变大 电子数增多 I变大V变大 电子能量变大 短波成分射线增大 I变大Z越高 核库仑场越强 轫致辐射作用越强 I变大,2、连续X射线谱及最短波长：,1.管电流变；2.管电压变；3.滤波的影响；4.Z的影响影响强度的
12、因素 U、Z、i,3、连续X射线的效率（转换效率）：连续X射线强度 KZiU2*计算公式=-=KUZ*电功率 iU*K值：K=1.11.410-9/v；K=1.1-1.410-6/Kv*影响转换效率的因素 K、U、Z*例：Z=74；U=200；求=1.410-6 74200=2%,（5）X射线管采用金属钨作靶的原因：X射线管采用金属钨作靶的原因：Z=74较大，产生X射线的转换效率高；钨的熔点高，不易热损；钨的饱和蒸气压低，能够使射线管保持高的真空度；钨具有良好的导热性。,三 标识X射线（特征X射线，线状X射线，单色X射线）标识X射线产生机理 VVK 标识谱 VK 激发电压 不同靶材VK各不相同
13、,能量较大的电子入射到靶材料的原子中，与壳层电子碰撞，击出内电子，使原子处于激发态（吸收）；激发态原子释放能量发射光子（辐射）。即发射标识X射线。产生标识X射线的条件：管电压某一临界值时，才能产生标识X射线。标识X射线强度少，能量低，在工业射线检测中不起作用。,2 标识谱特征1、每一谱线都有特定的波长，电子撞击的物质不同，这些特定波长的值也不同。2、特征谱可以分成若干系，每一系的谱线都有自己特定的结构和激发电压，只有电子的加速电压超过激发电压时，才能产生该系的特征谱线。,四 连续X射线与标识X射线的区别（1）产生机理不同.（2）能量与波谱不同.（3）强度不同.X射线管产生的X射线包括：连续X射
14、线和标识X射线,五 射线（理解）1 产生原理 射线是放射性同位素经过或衰变后，在激发态向稳定态过渡的过程中从原子核内发出的。*放射性同位素产生或衰变之后，若仍处于高能级的激发状态，必定要释放多余的能量回到低能级的稳定状态（基态），这时发射射线。,核内能级之间的跃迁与核外电子跃迁相同点：放出光子，h=En-Em 不同点：核外电子跃迁h neV 核内能级跃迁h nKeVn10MeV射线能量取决于放射性同位素种类，射线能谱为线状谱，谱线只出现在特定波长的若干点上。一种放射性同位素放出多种能量射线辐射能量的平均值 同位素的辐射能量放射性同位素辐射能量不会衰减，不随时间而改变,nKeV,2 衰变规律与半
15、衰期衰变定律：在一定量的放射性元素中，虽然所有的核都有可能发生衰变，但各个核并不是同时衰变的，而是有先有后，在一定的时间内，存在确定的几率。*衰变规律：N=Noe-t式中：No-初始状态的放射性原子核数（或强度）；N-t 时间后的放射性原子核数（或强度）；,-衰变常数。越大，物质衰变的快*放射性同位素的能量不随时间改变。,*半衰期的定义：放射性同位素原子核数（或强度）衰变到一半时所需的时间称为该同位素的半衰期。记以T。,*半衰期公式的推导：N 1-=-=e-T No 2二边取自然对数，Ln(1/2)=-T-Ln2=0.693所以：0.693 T=-例：Co60 T=5.3年=0.693/5.3
16、年=0.130/年,*半衰期的简便计算公式 N 1-=(-)t/T（t/T）即有多少个半衰期 No 2,3 射线的能量 能量决定穿透力*穿透力取决于源的种类和性质4 射线的强度*单位时间落到单位面积上的光子数卢瑟福1898年发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种不同类型：一种是带正电的射线，极易吸收的，他称之为射线；另一种带负电的射线，有较强的穿透能力，他称之为射线。1900年由法国科学家P.V.维拉德（Paul Ulrich Villard）发现，将含镭的氯化钡通过阴极射线，从照片记录上看到辐射穿过0.2毫米的铅箔，拉塞福称这一贯穿力非常强的辐射为射线，,5 X射线和射线比较（理解）*相同点*
17、（1）都是电磁波，本质相同；*（2）都具有反射，折射等光学性质；*（3）都能使胶片感光；*（4）都是电离辐射能对人和生物造成危害；*（5）穿过物体时具有相同的衰减规律.不同点*（1）产生方式不同；*（2）能量不同：X-可控，可调，取决于管电压；*-不可控，不可调，取决于源的性质；*（3）强度不同：X-可控，可调，取决于U，i,Z；*-随时间变化；*（4）波谱形式不同。,第三节 射线与物质的相互作用,射线强度减弱,散射,吸收,射线与物质的主要作用形式,光电效应,瑞利散射,康普顿效应,电子对效应,一 瑞利散射和汤姆森散射（了解）*入射光子与原子碰撞,碰撞类型与能量的关系:当入射光子的能量较小时光子
18、不能碰出轨道电子只能产生散射现象。*瑞利散射：光子与内层电子作用时，电子吸收光子能量从低能级跃迁到高能级，同时释放出一个散射光子，其能量与入射光子的能量相同。*汤姆森散射：光子与自由电子碰撞，使电子作同频率振动并释放 出与入射光子能量相同的散射线。外层电子通常认为是自由电子。,瑞利散射效应示意图,瑞利散射特点散射过程中束缚电子未脱离原子瑞利散射是相干散射的一种（散射线与入射线波长相同）瑞利散射的概率与物质的原子序数和入射光子能量有关Z2 随能量增大急剧减小,二 光电效应（了解）*入射到物体内的光子与原子中的轨道电子发生碰撞，光子的全部能量传递给轨道电子使电子脱离轨道成为光电子，这一现象称为光电
19、效应。*光电效应的特征：1 光子的全部能量被原子吸收；*h=Ee+Ei*入射光子能量=电子动能+电子结合能*产生光电效应的条件是 hEi 入射光子能量电子结合能,海因里希鲁道夫赫兹（Heinrich Rudolf Hertz，1857年（丁巳年）2月22日1894年（甲午年）1月1日），德国物理学家，于1888年首先证实了电磁波的存在。并对电磁学有很大的贡献，故频率的国际单位制单位赫兹以他的名字命名。赫兹在1887年发现了光电效应。爱因斯坦发现光电效应定律Ek=hv-w Ek是吸收光子而出射的电子的动能 v是光波的频率 h是普朗克常数 W是被光照射的金属的逸出功。阿尔伯特爱因斯坦（）犹太裔物理
20、学家。他于1879年出生于德国乌尔姆市的一个犹太人家庭（父母均为犹太人)，1900年毕业于苏黎世联邦理工学院，入瑞士国籍。1905年，获苏黎世大学哲学博士学位，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖，同年，创立狭义相对论。1915年创立广义相对论。1,2 光子不能与自由电子相互作用，不能保持动量守衡；3 光电效应伴随二次标识X射线和俄歇电子的发生；*二次标识X射线：俄歇电子：,4 光电效应发生的几率*Z5 1/h 即：与原子序数的5次方成正比，与入射光子能量h 成反比。5光电效应可以在原子的任何一个壳层发生。,三 康普顿效应（散射）（了解）*康普顿发现波长增长
21、、运动方向改变现象*入射光子与轨道电子碰撞，轨道电子脱离轨道成为反冲电子，入射光子能量降低（波长变长）并改变运动方向成为散射线，这一现象称为康普顿效应（散射）。*波长变长：=-。,*康普顿效应（散射）的特征 1 产生康普顿效应的入射光子能量较大，其能量一部分克服轨道电子的结合能，另一部分作为反冲电子的动能，剩下的是散射光子的能量。2=0.0242(1-COS)与入射光子能量无关与有关,3 与散射角关系：=0=0 无散射线=180=20.0242 背散射！=90=0.02424 Z越大，康普顿效应（散射）的几率越大；入射光子的能量越大，几率越小。,吴有训（），字正之，江西高安人，闻名世界的物理学
22、家中国近代物理学奠基人，科学家，教育家。中国科协副主席、中国科学院副院长、研究员。,吴有训在物理学领域中的重要成就是：在参与康普顿的X射线散射研究的开创工作时，他以精湛的实验技术和卓越的理论分析，验证了康普顿效应。,四 电子对效应 当入射光子的能量1.022Mev时，在原子核附近由于核库仑场的作用将产生一对正、负电子，这种现象称为电子对效应。入射光子能量=电子对静止质量+动能*电子质能 0.511Mev*特征：1 电子对的寿命很短，它们很快湮灭生成二个能量分别为0.511Mev的新的光子；2 能量越大，产生电子对的可能性越大。,赵忠尧，男，（1902年6月27日1998年5月28日），浙江诸暨
23、人。中科院院士、核物理学家，中国核物理研究的开拓者，中国核事业的先驱之一，南京大学杰出校友。1930年最先观察到射线通过重物质时的反常吸收和特殊辐射，这是正负电子对的产生和湮灭过程的最早实验证据。1936年，为了表彰正电子的发现这一重要成就，瑞典皇家科学院把诺贝尔物理学奖授予了1932年在云雾室中观测到正电子径迹的安德逊，而不是1930年首先发现了正负电子湮灭的赵忠尧。,五、各种相互作用发生的相对几率,各种效应几率,低能量和原子序数高的物质，光电效应占优势,中等能量和原子序数低的物质，康普顿效应占优势,高能量和原子序数高的物质，电子对效应占优势,五、各种效应相互作用发生的相对几率,常见材料铁的
24、各种效应发生几率,10KeV：光电效应占绝对优势,100KeV：光电效应和康普顿效应各占50%,1MeV：康普顿效应发生几率最大,10MeV：康普顿效应和电子对效应各占50%,10K 100K 1M,各种效应的发生对射线检测照相底片质量的影响,提高照相对比,降低照相对比度：康普顿效应,光电效应,电子对效应,1MeV左右能量射线照相，其对比度往往不如较低能量或较高能量的射线照相，这些都是康普顿效应的影响造成的。,这是一种成像质量较差的放射源,射线的衰减：由于物质对光子的吸收和散射，使得穿过物质的射线强度低于入射线强度，这种现象称为射线衰减。,六窄束、单色射线的强度衰减规律（理解）,透射射线和散射
25、线：,穿过物质后射线通常由两部分组成:一部份是未与物质发生相互作用的光子,其能量和方向均未发生变化,称为透射射线(又称一次射线);另一部份是发生过一次或多次康普顿效应的光子,其能量和方向都发生了改变,称为散射线。,射线分类(按能量),单色射线：指由单一波长的电磁波组成的射线，即只含有一种能量的光子，又称单能辐射。是线状谱。如CO60放射的射线就是线状光谱。,连续谱射线：指包含连续分布能量的射线，即含有不同能量的光子，或者说，包含一段波长范围。是一个连续谱。例如；通常的 X 射线就是连续谱射线。,1、单色射线和连续谱射线,2、窄束射线和宽束射线,窄束射线：不包括散射线成分在内的射线束，又称透射射
26、线。即通过物质后的射线束，仅由未与物质发生相互作用的光子组成。,宽束射线：是包含了散射线成分在内的射线束，它既含有未与物质发生相互作用的一次透射线，又含有与物质发生相互作用而产生的散射线。,射线分类(考虑散射线),六、单色窄束射线衰减规律,衰减公式：,线衰变系数：是一个重要的系数，其表示入射光子通过单位厚度的物质时，与物质平均发生各种相互作用的可能性。,I=Io e-T,线衰减系数：,线衰减系数与射线光子的能量，物质的原子序数和密度有关。大致存在以下关系：,质量衰减系数m：,对于同一种物质，射线能量不同时衰减系数不同。对于同一能量的射线，通过不同物质时，其线衰减系数也不同。,=光电+康普顿+电
27、子对,m=/,/=K Z 33,半价层(半值层)：指入射射线的强度减少一半时穿过的吸收物质厚度。（或指使入射射线的强度减弱到其值的二分之一时，穿过的物质厚度），记为Th。,I=Io e-d,1/2=I/Io=e-Th,Th=Ln2/=0.693/,【例】1 已知某窄束单能射线穿过20mm的钢后，强度减弱到原来的20，求该射线在钢中的线衰减系数。,解1：已知：I/I0=0.20，T=2 cm，,线衰减系数表示入射光子在物体中，穿透单位距离时(例如1cm)，平均发生各种相互作用的可能性。,由公式：II0 eT I/I0 eT e20.2两边取自然对数:ln e2 ln0.2 2 ln0.2 故：1
28、/2ln0.20.80(cm1)答：-。,【例】2 已知某窄束单能射线穿过20mm的钢后，强度减弱到原来的20，求该射线在钢中的线衰减系数。,解2：设射线穿过n个半价层后，强度衰减到原来的20%，则有：,即 20mm（2 cm）钢，相当于2.32个半价层，则：半价层Th厚度为0.86 cm。由公式：Th=0.693/，得 0.693/Th0.80(cm1)答：-,七 宽束多色射线的强度衰变规律（了解）,工业射线检验中应用的不可能是单色窄束射线,而是包含着散射线成分在内的多色宽束射线。具有连续波长射线(如X射线)也称为白色射线。多色宽束射线通过物质时，不同能量的射线衰减程度各不相同，因此，窄束单
29、色射线衰减规律公式将不适应。,1、散射线和散射比,散射线成分,荧光X射线 能量很低，容易被吸收,光电子,反冲电子,俄歇电子,散射光子(散射X射线),很易被物质本身或空气吸收，一般不会对照相的质量构成影响。,照相的质量主要影响源,1、散射线和散射比,宽束射线的强度：,散射比：,散射比n的大小与射线能量，穿透物质种类，穿透厚度等诸多因素有关。,2、平均衰减系数：,n=Is/Ip,3、宽束多色射线强度衰减规律：,I（宽束）=Is（散射线）+Ip（窄束）=n Ip+Ip=（1+n）Ip=（1+n）Ioe-T,工件,源,探测器,T,n Ip+Ip=（1+n）Ip=（1+n）Ioe-T,第四节 射线照相法
30、的原理与特点,射线照相法原理（掌握）*底片图像构成的二个基本因数：黑度与形状*决定黑度的是射线的强度变化*决定形状的是射线的几何投影一 强度衰减原理,射线照相的对比度根据宽束多色射线衰减公式：I=（1+n)I0e-tIP=I0e-t IP1=I0e-（T-T）-1 TI=IP1-IP=I0e-（T-T）-1 T-I0e-t=I0e-T(e（-1）T-1),I/I=（-1）T/(1+n)如果缺陷中的介质1值与值相比非常小,则1可以忽略,则上式可以写为I/I=T/(1+n)因为射线强度差异是底片产生对比度的主要原因,所以把I/I称为主因对比度,影响主因对比度的主要因数*=K3 Z3*影响主因对比度
31、的主要因数：，Z，d，n。可见，只要缺陷在射线透照方向上具有一定的尺寸，其线衰减系数与物质的线衰减系数具有一定的差别，散射比控制在一定的范围，则缺陷在底片上就产生一定的影像。二 几何投影原理*放大*重叠*畸变,三 射线照相法的特点（掌握）1 适用范围*适用的材料：金属材料；非金属材料；复合材料；*适用的厚度（以钢为当量厚度）：*420KV的X射线机：8 0 mm 以内*CO60：150 mm 以内*加速器：500 mm 以内*适用各种加工方式：焊接，铸造.*适用各种构件：锅炉，容器，管道，航空，航天，机车.,2 优点（1）检测结果缺陷形象直观，定性，定量，定位准确；（2）检测结果可以长期保存；（3）检测灵敏度高；（4）工业TV可实现自动检测，效率高。3 局限（1）不能检出与射线方向垂直的面状缺陷；（2）不适用于钎焊，摩擦焊，锻件，轧制等方法加工的构件；（3）检测周期长，成本高；（4）对人体有害。,思考题,1、X射线与射线的区别？2、连续谱、标识谱、线状谱的区别？3、射线与物质作用强度的变化规律？4、用公式解说射线照相的原理？5、半价层、半衰期、线衰减系数公式？,
