1、第3章 工业射线检测中的射线3.1 射线分类 按电离性质：从射线与物质的相互作用引起的电离情况可分为(致)电离辐射和非(致)电离辐射。p电离辐射：任何与物质作用，直接作用或间接作用可引起物质电离的辐射。包括直接致电离粒子、间接致电离粒子。p直接致电离粒子如电子、射线、质子、粒子等带电粒子；p间接致电离辐射如X射线和射线，与物质作用时能释放直接致电离粒子或引起原子核变化。p非电离辐射：不能引起物质电离的辐射。 包括红外线、微波等，能量较低，不能引起物质的电离。 射线分类 按带电性质：射线可分为带电粒子和中性辐射。p带电粒子又可分为快电子（包括核衰变中发射的正或负粒子，以及其他过程中产生的具有相当
2、能量的电子）和重带电粒子（如质子、核衰变中产生的粒子以及其他重带电离子，他们都具有一个或多个原子质量单位并具有一定能量）。p中性辐射又可分为电磁辐射（包括韧致辐射，原子的壳层电子跃迁过程中发射的特征X射线和核能级跃迁中发生的射线）和中子辐射（通常在自发裂变和核反应中产生）。3.2 X射线3.2.1 X射线的发现p1895年德国物理学家伦琴研究阴极射线管中气体放电时发现X射线(电子-玻璃壁)p1901年伦琴获诺贝尔物理奖pX射线波长在108cm左右p硬X射线：比0.1nm短的X射线 软X射线：比0.1nm长的X射线3.2.2 X射线的性质p本身不带电，不受电场和磁场的影响p穿透性：射线光子的能量
3、大，贯穿本领强。穿透程度与射线的波长，吸收物质的性质有关。p电离作用电离作用：当射线照射到物质后，构成物质的原子的最外层电子被光子冲击而脱离原子，使原子成为阳离子。p感光作用感光作用：射线能使照相底片感光。p荧光作用荧光作用：射线照射某些化学物质，如硫化锌等，可以发出黄绿色或蓝紫色光，停止照射，荧光消失。p生物效应生物效应：生物体在射线照射下，能损害组织细胞，抑制细胞生长，甚至使细胞坏死。X射线的波粒二象性p波动特性n衍射n干涉n反射p粒子特性n特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定的质量、能量和动量。n表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如光电效应；二次电子等。X射线的本质pX射线是电
4、磁波。p量子理论认为X射线是一种量子和光子组成的粒子流。爱因斯坦认为光是光量子流，简称光子爱因斯坦认为光是光量子流，简称光子。 p光子与一般基本粒子的本质区别光子与一般基本粒子的本质区别：光子的静止质光子的静止质量为量为0，运动时才有质量，速度越大质量越大。chhEhp 能量动量3.2.3 X射线产生韧致辐射p韧致辐射：带电粒子与原子(原子核库仑场)相碰撞，发生骤然减速，伴随产生的辐射。或称刹车辐射。X射线的产生原理p高速运动的电子与金属靶材碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分(1左右)能量转变为X射线，而绝大部分(99左右)能量转变成热能使物体温度升高。产生条件p灯丝
5、产生自由电子p高压 加速电子,使电子作定向的高速运动p靶 在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止,产生X-射线X射线的产生过程pX射线管的阴极灯丝通过电流，被加热到2000。C以上后发射电子，这些电子聚集在灯丝附近。当通过X射线管的阳极和阴极之间的空间后撞击到阳极靶上。通过韧致辐射，电子的一部分动能转化为X射线，从X射线窗口辐射出来。电子的大部分动能传给了阳极靶，使它迅速升温。3.2.4 X射线光谱pX射线谱描述X射线强度与波长的关系曲线pX射线光谱由二部分构成：连续谱连续谱是由波长连续变化的谱线构成。连续谱所构成的X射线称为白色X射线(与电压有关)，是由电子的动能直接直接转化而来
6、。线状谱线状谱(标识谱、特征谱)是由谱线分立的线状谱线构成。分立谱所构成的X射线称为特征X射线(与靶金属材料有关)是由电子的动能间接间接转化而来。典型光谱图 （钨靶） （钼靶）钨靶与钼靶射线管的射线谱3.2.4.1 对连续X射线谱的解释p根据经典电动力学的理论，带电粒子在加速(或减速)时必伴随着辐射。p电子到达靶材时，在靶核库仑场的作用下电子的速度是连续变化的，因此辐射的X射线具有连续谱的性质。p但经典电动力学无法解释最短波长现象。连续谱的特点p连续谱线的强度随波长变化而变化，在某波长上有一强度极大值。p存在短波波长极限，它与靶物质种类无关，仅与加速电压有关。(量子力学)p当电压增大时各种波长
7、的强度随之增大，曲线的极大值向短波方向移动。(碰撞次数和辐射光子能量增高) p管电压相同时，不同材料金属靶的连续谱线的强度随其原子序数的增加而增强。p最大强度对应的波长min5 . 1IM量子极限p假设高速电子撞击靶时，电子能量中有p部分消耗于阳极各种不同过程的激发作用。phmveV221maxminceVhvhVehc1minnmcmkVV1.2410kVV4 .128(量子极限)意义：解决了经典理论无法解释最短波长的困难。意义：解决了经典理论无法解释最短波长的困难。上式可用来精确测定普朗克常数h。连续X射线谱的总强度pX射线的强度是指垂直于X射线传播方向的单位面积上在单位时间内所通过的光子
8、数目的能量总和。p总强度的计算总强度的计算p经验公式经验公式 其中 i-管电流，mA Z-靶物质的原子序数 V-管电压，kV Ki-系数 (1.11.4)10-62ZiVKIiT dIImin射线强度平方反比定律 212221ILIL结论：空间任意一点的射线强度与该点到射线源的距离平方成反比。空间距离射线源F处的射线强度为22IKiZVF连平方反比定律平方反比定律：实测剂量与管电流关系012345024681012141618202224设 备:TL3000A CT射 线机 无工件累 计时 间 :1min 100kV 120kV 130kV 140kV 150kV 160kV 170kV 18
9、0kV剂 量 (cGy) 曝 光量 (mA.min) 实测剂量与管电流关系0123450.00.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0设 备:TL3000A CT射 线机材料:5mm厚钢累 计时 间 :1min 100kV 120kV 130kV 140kV 150kV 160kV 170kV 180kV剂 量 (cGy) 曝 光量 (mA.min) 实测剂量与管电压关系100120140160180024681012141618202224设 备:CT射 线机 TL3000A无透 照 工件累 计时 间 :1min 0.5mA 1.0mA 2.0mA 3.0mA 4.0mA
10、5.0mA剂 量 (cGy) 管电压(kV)实测剂量与管电压关系1001201401601800.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5设 备:CT射 线机 TL3000A工件 :5mm钢累 计时 间 :1min 0.5mA 1.0mA 1.5mA 2.0mA 2.5mA 3.0mA 3.5mA 4.0mA 4.5mA 5.0mA剂 量 (cGy) 管电压(kV)提高总强度方法p提高管电流提高管电流-单位时间撞击靶的电子数增多p提高管电压提高管电压-电子加速后能量增大，碰撞时能量转换过程增多p靶材料原子序数越高靶材料原子序数越高-核库仑场越强，韧致辐射作用越强强度与管电压、管
11、电流和靶物质原子序数关系 X射线管的转换效率 X射线管的效率，是指电子流能量中用于产生X射线的百分数，即随着原子序数随着原子序数Z Z的增加，的增加，X X射线管的效率提高射线管的效率提高，但即使用原子序数大的钨靶，在管，但即使用原子序数大的钨靶，在管电电压高压高达达100kv100kv的情况下，的情况下，X X射线管的效率也仅有射线管的效率也仅有1 1左右，左右，9999的能量都转变为热能。的能量都转变为热能。 ZVKiViZVKXXii2射线管功率射线总强度连续连续X射线强度的空间分布p薄靶周围X射线强度的角分布当管电压升高时，X射线最大强度方向逐渐趋向电子束的入射方向，X射线的强度分布趋
12、于集中。连续X射线强度的空间分布p厚靶的X射线空间分布“足跟”效应(阳极效应)：愈靠近阳极，沿管长轴分布的X射线强度下降得愈多。 如射线B比阴极侧的射线A在阳极靶内穿越远，能量与强度衰减更多。3.2.4.2 特征谱及特征X射线p在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的强度很大的线状谱线。p特征X射线谱的产生只依赖于阳极靶材料只依赖于阳极靶材料，确切的说与靶的原子结构有关确切的说与靶的原子结构有关，波长位置与管电压、管电流无关。特征X射线的产生机理p原子壳层按其能量大小分为数层，通常用K、L、M、N等字母代表它们的名称。 p但当管电压达到或超过某一临界值时，则阴极发出的电子在电场加速下，可以将靶
13、物质原子深层的电子击到能量较高的外部壳层或击出原子外，使原子电离。特征谱的产生机理解释p原子的电子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各个能级。在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X射线谱。激发电压p如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电子被击出L层，称L激发，其余各层依此类推。p产生K激发的能量为WKhK，阴极电子的能量必须满足eVWKhK，才能产生K激发。其临界值为eVKWK，VK称之临界激发电压。 当管电压(大于临界激发电压)增
14、加时，连续谱和特征谱强度都增加，而特征谱对应的波长保持不变。特征谱的波长p按量子理论所释放的能量以光量子(X射线或可见光)的形式辐射出去。若有一N轨道电子跃迁到K轨道，则辐射波长若 比较小 辐射可见光(原子外层电子跃迁时发生) 较大 辐射X射线(原子内层电子跃迁时发生) NKNKc hEEKNEEKNEE不同系射线和谱线p不同系射线不同系射线K系X射线：任何电子跳到K层时产生的X射线。L系X射线：任何电子(外层)跳到L层时产生的X射线。p在每一系(如K系)X射线里 谱线(即 线)：凡从相邻层(L到K层)跳来的。 谱线(即 线)：凡从隔层(M到K层)跳来的。 原子轨道能级不连续，产生的特征X射线
15、也是不连续。 KKX射线谱-特征X射线谱p钼靶X射线管当管电压等于或高于20KV时，则除连 续X射线谱外，位于一定波长处还叠加有少数强谱线，它们即特征X射线谱。p钼靶X射线管在35KV电压下的谱线，其特征x射线分别位于0.63和0.71处，后者的强度约为前者强度的五倍。这两条谱线称钼的K系。 特征谱的特点p特征谱所对应的波长与外加电压无关。p各元素的特征X射线谱有相似的结构，但各元素的特征X射线的能量值(或波长)各不相同。p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。特征谱只与靶元素有关，不同元素制成的靶具有不同的线状谱。 特征谱的特点p特征谱可分为若干组，称为系，每一
16、系的谱线都有自己的特定结构和激发电压，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。p当管电压小于K系激发电压而大于L系激发电压时，不产生K系X射线而产生L系X射线，同时伴随M系、N系等系X射线。特征X射线的强度p特征X射线的强度随管电流和管电压变化，K系X射线强度为p谱线强度在某一电压下达到最大，然后下降。当管电压高于激发电压10-20倍时，电子深入阳极内部，产生的射线被阳极大量吸收，特征谱强度下降。nV-Vi激标In取值在1.5-2内，管电压不超过激发电压3-4倍。特征谱的作用p注意注意：在工业射线检测中，标识谱不起作用。p用途用途：特征X射线可用来作为元素的标识，材料成分分析，
17、如X射线荧光光谱分析。3.2.5 莫色莱定律p特征X射线谱的频率(或波长)只与阳极靶物质的原子结构有关，而与其他外界因素无关，是物质的固有特性。19131914年莫色莱发现物质发出的特征谱波长与它本身的原子序数间存在以下关系 p根据莫色莱定律，将实验结果所得到的未知元素的特征X射线谱线波长，与已知的元素波长相比较，可以确定它是何元素。它是X射线光谱分析的基本依据。ZK13.2.6 俄歇效应(Auger effect)p当X射线或射线辐射到物体上时，由于光子能量很高，使原子内壳层上的束缚电子发射出来产生空穴，而原子外壳层上高能级的电子可能跃迁到这空位上，同时释放能量。通常能量以发射光子的形式释放
18、，但也可以通过发射原子中的一个电子来释放。第二个被发射的电子叫做俄歇电子俄歇电子。p不仅仅指X射线或射线p该效应的机制是无辐射跃迁。例例：假如在K层有一个空穴(光电效应)，当L层的一个电子跃迁到K层时，多余的能量可以释放X射线(特征X射线)，也可以不释放X射线，而把能量传递给另一层(M层)中的一个电子，这个电子就可以脱离原子，称为俄歇电子。对轻元素，发射俄歇电子的概率较大对轻元素，发射俄歇电子的概率较大对重元素，发射特征对重元素，发射特征X射线的概率较大。射线的概率较大。3.2.7 电子跃迁诱发原子核激发1973年，日本大阪大学森田正人提出一种新的能量转移机制：当电子填充空穴时把能量传递给原子
19、核，使原子核跃迁到激发态。例例：铀原子从3d3/2到2p3/2态的跃迁，将释放能量13.44keV，可使原子核235U从基态激发到3/2+态(13.1keV)，但发生概率很小，约为10-9。3.3 射线3.3.1 射线的产生及特点 产生：来源于放射性衰变 常用工业射线源有 钴60、 铯137、 铱192、 Se75等 钴60灰色磁性金属，熔点1480，密度8.9g/cm3钴以单种同位素Co59存在，俘获一个中子后转变成人工放射性同位素Co60Co60不稳定ConCo60275927 NiCo602860270.31(100%)5.3年1.1721.336027Co6028Ni铯137主要是经由
20、核裂变核裂变生成的核裂产物核裂产物。呈银白色、质软、化学性质极为活泼，遇水发生爆炸，放射性较强，属于放射性物质中毒组。Cs137通常以氯化物的形式作为射线源。Tm170(铥)当热中子照射稳定同位素169Tm生成170Tm,半衰期为129天。产生射线主要能量为0.084、0.052MeV，平均能量为0.072 MeV 129天0.886(24%)0.0840.968(76%)169 69Tm170 70Yb铱192铱192-无损探伤检测用伽玛放射源之一，半衰期74天，能量0.355MeV，可以穿透10-100mm厚钢板0.2830.4840.05715.5% 0.2830.2060.6120.2
21、010.595(38.5%)0.8800.5890.308 0.1720.1360.4150.4680.6040.240(15.5%)0.670(42%)0.840(0.004%)4%19276Os19277Ir0.3160.29519278PtSe75有灰色金属光泽的固体，将稳定的元素Se74或其化合物放入反应堆中受中子照射，通过中子俘获反应得到Se75，射线能量、强度较高的主要有0.121、0136、0.265、0.280MeV，平均能量为0.206 MeV 3.3.2 射线的强度p放射性活度常用居里作为单位。 1居里(Ci)=3.71010/秒 放射性强度随时间的改变而改变，其变化规律服
22、从指数衰减定律 p照射强度：(又称辐照强度，照射量率)单位时间内落在一定距离的照射面上(严格定义应为“标准状况下，一立方厘米空气内)的射线量，称为照射量率照射量率或照射强度。照射强度的常用单位为：伦琴(R)/小时照射强度服从距离距离-平方反比定律平方反比定律 放射常数放射常数Kr 的含义：放射活度为1居里的源，相距1米处的照射强度值。放射活度和照射强度的转换关系放射活度和照射强度的转换公式： I=AKr/R2 (伦/时) 例例：5居里60Co源，3米处的照射强度是多少? 5居里= 5000毫居里 I=5 (居里)1.32(m2R/(hCi) /(3m3m)=0.73R/h p对同一种射线源，放
23、射性活度大的源在单位时间内将辐射更多的射线。p对不同的射线源，即使放射性活度相同，也并不表示它们在单位时间内辐射的射线光量子数目相同。 3.3.3 常用源的特性2R/(h Ci)m射线源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天常数1.320.320.4720.0014
24、0.200.125比活度中小大大中小透照厚度（钢mm）402001510010100320530315价格高高较低中较高中3.4 两种常用工业射线的比较X射线的量pX射线的强度n单位时间内，通过垂直于射线传播方向上单位面积的X射线光子的能量。n常用管电流大小代表X射线的强度；n用管电流毫安数与辐射时间的乘积来衡量总辐射的能量。单位：mA.s射线强度p射线强度的变化因素： n强度-距离平方反比律n穿过物体后的射线强度衰减规律 X射线的质pX射线的硬度nX射线的穿透本领，表示X射线的质。它取决于X射线光子能量的大小。对于一定的吸收物质，X射线被吸收越少则穿透量越多，X射线就越硬。n常用管电压的kV
25、数来衡量X射线的硬度。 硬X射线：比0.1nm短的X射线 软X射线：比0.1nm长的X射线 能量也称线质射线能量p能量的单位：eV MeV pX射线连续X射线的能量取决于管电压标识X射线的能量达到临界电压后与管电压变化无关，标识X射线的能量与靶材料有关。p射线 能量(穿透力)取决于源的种类和性质。p当量能：射线的穿透力相当于X射线同等穿透力所对应的管电压值，称为当量能。射线能量(1) Co60的平均能量 : (2) (1.17MeV+1.33MeV)/2=1.25MeV(3)(2) 如何确定220kV射线的能量? (4) 先求:min=12.4 / V= 0.05636(nm) (5) 再求:
26、最短波长所对应的射线能量 (6) Emax= hv/min=0.220(MeV) (7)即220kV管电压产生的X射线光子最大能量0.22MeV(8)(3) 比较：Co60、220KV管压发射的X射线、 15MeV 加速器所产生的射线能量的大小。 X射线与射线的比较X射线射线能量可控性能量可控性 可控，调电压不可控，取决于源种类强度可控性强度可控性 可控不可控，有衰减性能谱能谱连续谱线状谱产生方式产生方式韧致辐射放射性衰变3.5 中子射线 中子射线是粒子射线 性质： 中子是组成物质的基本粒子之一 中子不带电，不能使胶片感光 中子与物质原子核作用中子的性质p中子的质量p中子的电荷：带有非常小的电
27、荷p中子的放射性 中子通过物质时，相当快地被原子核俘获 衰变p中子的自旋和磁矩p中子的波动性npe)(286. 0En3.5.1 中子射线的产生p通过原子核反应产生 用质子、氘核、粒子和其它带电粒子以及射线来轰击原子核。p产生中子的装置即中子源。中子源p放射性同位素中子源放射性同位素中子源p反应堆中子源反应堆中子源p散裂中子源散裂中子源放射性同位素中子源将可以自发发射射线的元素与靶物质混合在一块，靶物质吸收一个射线粒子即可放射出一个中子。优点优点是中子源非常微小、方便。缺点缺点是强度不高，这种中子源通常受到寿命的限制，随着时间的推移其源强逐渐衰减，这些缺陷影响和限制了它的使用。 反应堆中子源
28、中子通量高，应用最为广泛，但由于反应堆散热技术的限制，使其最大中子通量受到限制。散裂中子源散裂散裂：当高能量粒子如高能质子轰击重原子核时，一些中子被“剥离”，或被轰击出来。 与裂变反应相比，散裂反应释放的能量较低，但它可以将一个原子核打成几块，这个过程中会产生中子、质子、介子、中微子等，有利于开展核物理前沿课题研究和应用研究，且次生中子还会与临近的靶核作用而产生中子即核外级联。一个质子在打靶后大概可以产生20到30个中子，这是散裂中子源的基本条件。 被轰击的原子核温度升高，更多的中子就会“沸腾”起来并脱离原子核的束缚。如果将一个垒球用力投到装满球的筐中，有一些球会立刻蹦出来，而更多的球则会弹跳并翻出筐外，散裂反应与这个过程很相似。每个与原子核相作用的质子能够轰击出20到30个中子。 基于先进加速器技术的散裂中子源 从上世纪80年代开始发展起来的、基于先进加速器技术的散裂中子源是目前世界上最先进的中子源。基本原理基本原理：用高能强流质子加速器产生能量在1GeV以上的质子束轰击重元素靶（如钨或铀），在靶中发生散裂反应，产生大量的中子。 3.5.2 中子源的强度和能谱p中子源的强度即单位时间内所发出的中子数。假如中子源内每一个核的转变发射出个中子，那么源的强度就是与每秒钟内核转变数的乘积。p中子源的能谱，即中子的能量。 根据中子的能量分为冷中子、热中子、慢中子、快中子、相对论中子等。
