第一章 射线检测基础.pdf
中中国国机机械械工工程程学学会会无无损损检检测测分分会会 R RT T培培训训讲讲义义 本讲义由学会常务委员 晏荣明编写 （仅供参考） 中国机械工程学会无损检测分会深圳市无损检测人员培训中心 电话：021-65550277 电话：13538291001 邮箱：chsndt2008 邮箱：yanrongming 第第一一章章 射射线线检检测测的的物物理理基基础础 Chapter 1 Foundations of Radiographic Testing 内内容容 Contents 原原子子与与原原子子结结构构 射射线线的的种种类类和和性性质质 光光子子与与物物质质的的相相互互作作用用 射射线线衰衰减减规规律律 射射线线检检测测原原理理与与灵灵敏敏度度 影影像像质质量量 原原子子与与原原子子结结构构Atom V管电压, KV Z靶材料原子序数; =(1.1-1.4)X10-6 X射射线线的的产产生生及及其其特特点点 X-rays: Generation & Characteristics X射线的转换效率： X射线管的输入功率为：iv 转换效率为： = I/iv = ZV 以钨（Z74）靶，100kV为例: =0.9% 加速器产生4MeV的高能X射线的转换效率 为36 X射射线线的的产产生生及及其其特特点点 X-rays: Generation & Characteristics 特征X射线谱（标识X射线谱）： 由跃迁辐射产生，即当电子击出原子内层轨道 电子形成空位时，邻近电子层的电子向内层跃迁， 形成辐射。由于电子层不同辐射的谱线有特定波 长，反映靶材料的原子结构特点。 标识谱的强度占总强度极少，能量很低，对检 测基本不起作用。 X射射线线的的产产生生及及其其特特点点 X-rays: Generation & Characteristics 射射线线的的产产生生及及其其特特点点 -ray Generation & Characteristics 射射线线的的产产生生： 放放射射性性同同位位素素经经过过或或衰衰变变（即即原原子子核核衰衰变变）之之 后后，从从激激发发态态向向稳稳态态过过渡渡过过程程中中产产生生的的，称称为为衰衰 变变或或跃跃迁迁。是是原原子子核核能能级级之之间间跃跃迁迁的的结结果果。比比核核 外外电电子子跃跃迁迁所所辐辐射射的的光光子子的的能能量量高高得得多多。 射射线线的的产产生生及及其其特特点点 -ray Generation & Characteristics 射射线线的的谱谱： 由于不同原子核的能级结构不同，所辐射产生的 射线的能量不同，为线状谱线状谱，只出现在特 定波长。 射射线线的的产产生生及及其其特特点点 -ray Generation & Characteristics 放射性衰变规律：N = N0e-t 式中 Nt时刻未衰变原子核数量 N0t=0时刻未衰变原子核数量 衰变常数，单位时间内原子核 发生衰变的几率 射射线线的的产产生生及及其其特特点点 -ray Generation & Characteristics 半衰期Half-Life：未衰变的放射性原子核数 量减少到原来一半所需的时间。 T1/2= 0.693/ 特点：不同放射性元素的半衰期是固定的 射射线线的的产产生生及及其其特特点点 -ray Generation & Characteristics 断代法： 1949年美国w,f利比发明测定年代技术。 半衰期 5730年，生物中的与 的比例相同，但死后衰减，二者比例变化 通过测量二者的比例，可推算出年代。 14 6C 14 6C 12 6C 14 6C 14 6C 工工业业检检测测常常用用放放射射性性同同位位素素的的特特性性 Radioactive Isotope Co60（钴60）：半衰期5.3年 由中子轰击稳定同位素Co59形成，先作1次 衰变，然后作2次衰变 ，变为稳定的Ni60。 工工业业检检测测常常用用放放射射性性同同位位素素的的特特性性 Radioactive Isotope Cs137（铯137）： 是U235分裂时的产物，2种方式，变为稳 定的137Ba 半衰期为33年，实际使用的辐射 源是CsCl,液化温度为28，须防泄漏。 工工业业检检测测常常用用放放射射性性同同位位素素的的特特性性 Radioactive Isotope Ir192（铱192）：半衰期为74天 是中子轰击Ir191形成。 工工业业检检测测常常用用放放射射性性同同位位素素的的特特性性 Radioactive Isotope 活度：单位时间（1s）内发生衰变的核的 个数，单位：Bq（贝可） 1Bq 1/s 比活度：单位质量辐射源的活度：Bq/g 活度专用单位：Ci（居里）： 1Ci=3.7x1010Bq 射射线线与与物物质质的的相相互互作作用用 Radiation Interaction with Matters 光光电电效效应应 康康普普顿顿散散射射 电电子子对对效效应应 瑞瑞利利散散射射 各各种种作作用用发发生生的的相相对对概概率率 光光电电效效应应Photoelectric Effect 现象：入射光子与内层轨道电子作用，全部能量 传递给电子，使其克服原子核束缚成为自由电子 （光电子），入射光子消失。 结果：处于激发态的原子跃迁，以标识X射线 （也称次级X射线、荧光X射线）释放能量；激发 能交给外层电子，从原子中发射出来，称为俄歇 电子。 主要对象：低能量光子、高原子序数物质 光光电电效效应应 Photoelectric Effect 康康普普顿顿散散射射Compton Scattering 现象：入射光子与外层电子或自由电子发生弹性 碰撞，一部分能量传递给电子使其飞出（反冲电 子）；入射光子能量减少，成为散射光子并偏离 方向。 2 02 2sin 康康普普顿顿散散射射Compton Scattering 主要对象： 低原子序数物质概率很高；对中等能量光子， 发生于各种元素 电电子子对对效效应应Pair Electron Effect 现象：能量高于1.02Mev的光子与原子核发 生作用，入射光子放出全部能量而消失， 转化为一对正负电子. 电电子子对对效效应应Pair Electron Effect 主要对象： 高能量光子、高原子序数物质. 瑞瑞利利散散射射Rayleigh Scattering 现象：入射光子与内层轨道电子发生碰撞， 使一个束缚电子 跃迁到高能级，随即释放 出约为入射光子能量的散射光子。 主要对象：约与原子序数的平方成正比， 与光子能量成反比，对于能量低于200keV 的射线必须注意。 效应光子能量作用对象作用产物 光电效应较低内层轨道电子光电子、标 识射线、俄 歇电子 康普顿效应中等外层轨道电子、 自由电子 散射光子、 反冲电子 电子对效应1.02Mev原子核正负电子 瑞利散射低内层轨道电子散射光子 各各种种作作用用发发生生的的相相对对概概Probability 影响因素：光子能量、原子序数。 各各种种作作用用发发生生的的相相对对概概Probability 铁中各种效应的发生概率 各各种种作作用用发发生生的的相相对对概概Probability 各种作用对射线检测影像质量的影响： 光电效应、电子对效应：引起的吸收有利于提高 影像的对比度； 康普顿效应：产生的散射会降低影像的对比度； 轻金属（康普顿占优）比重金属（光电、电子对 占优）的影像质量差； 1MeV能量（康普顿绝对占优）比之较低和较高能 量的射线照相质量差。 射射线线的的衰衰减减规规律律 Attenuation of radiation 基本概念 单色窄束射线衰减规律 衰减系数与半厚度 宽束、连续谱射线的衰减规律 基基本本概概念念Basic concepts 衰减： 射线入射到物体时，发生光电效应、康普顿效 应、电子对效应和瑞利散射，强度减少的现象； 衰减吸收散射 吸收： 部分入射光子的能量转移到电子或产生电子如 光电效应、电子对效应，光子被吸收； 散射： 部分入射光子的能量转移到能量或方向改变了 的光子，如康普顿效应，光子被散射。 基基本本概概念念Basic concepts 单色射线： 单一波长（能量）的射线，线状谱，如某波长 的射线； 多色射线： 多个波长（能量）的射线，如放射性同位素产生 的多个波长的射线； 白色（连续谱）射线： 连续波长，连续谱，如X射线管产生的X射线。 基基本本概概念念Basic concepts X射线与物质相互作用示意图 基基本本概概念念Basic concepts 射线透过物体后的射线包括： 一次（透射）射线：未与物质发生作用，能量 和方向未变； 散射线：与物质发生康普顿散射，能量和方向 变化。 窄束线： 只有一次射线，无散射线的射线； 宽束射线： 含有散射线的射线。 基基本本概概念念 Basic concepts 单单色色窄窄束束射射线线衰衰减减规规律律attenuation laws for monachrome rays? 射线衰减因素： 物体的性质和厚度、光子能量； 衰减规律： 式中：I透射射线强度、I0入射射线强度 ：线衰减系数，单位：cm-1 可见，物体的厚度越厚、衰减系数越大，衰减 就越严重。 0 T II e 单单色色窄窄束束射射线线衰衰减减规规律律 例：已知：射线对钢1.5cm-1, I0 =100。 求：钢厚度分别为10mm、20mm、30mm时 的透射射线强度。 单单色色窄窄束束射射线线衰衰减减规规律律 解： 根据射线衰减规律 当T=10mm时, 同理：T=20mm, I=5.0； T=30mm, I=1.1 0 T II e 0 1.5 1 100 22.3 T II e e 衰衰减减系系数数与与半半厚厚度度 attenuation coefficient & half thickness 线衰减系数：入射光子在物体中穿行单位距离 时，平均发生各种相互作用的可能性 phcpR ph c p R 式中： 光电效应线衰减系数； 康普顿效应线衰减系数； 电子对效应线衰减系数； 瑞利散射效应线衰减系数。 衰衰减减系系数数与与半半厚厚度度 attenuation coefficient & half thickness 线衰减系数亦可表示为： 式中：线吸收吸收 ：线散射系数 衰衰减减系系数数与与半半厚厚度度 attenuation coefficient & half thickness 质量衰减系数： m mmm 式中： 密度 相应地有： 衰衰减减系系数数与与半半厚厚度度 attenuation coefficient & half thickness 33 33 33 mm m m kZ kZ k Z k Z 对常用的能量和常见的物质，线吸收系数远大于线散射系数： ，所以： 吸收系数为： 所以，质量衰减系数为： 这样，线衰减系数为： 式中： 系数； ? 物质的密度； 物体原子序数； 射线波长。 衰衰减减系系数数与与半半厚厚度度 attenuation coefficient & half thickness 衰减系数与物质原子序数和射线能量间的关系： 33 , ,( z z 与成正比： 物质的即射线的能量） 衰衰减减系系数数与与半半厚厚度度 attenuation coefficient & half thickness 衰衰减减系系数数与与半半厚厚度度 attenuation coefficient & half thickness 半值层(半价层、半厚度) ： 入射射线强度衰减为其值的一半的物体厚度 例：已知：物体对某能量射线的半厚度为2.3mm 求：射线穿过10mm厚度后透射射线与入射射线 的强度之比。 0 0 2 ln20.693 h T h I II e T 衰衰减减系系数数与与半半厚厚度度 attenuation coefficient & half thickness 解： 答：射线穿过10mm厚度后透射射线与入射射 线的强度之比为0.05。 0 2.3,10, 4.3478 1 0.05 2 h h h n Tmm Tmm TnT T n T I I 所以： 衰衰减减系系数数与与半半厚厚度度 attenuation coefficient & half thickness 某射线穿过厚度为16mm的钢板后，透射射 线的强度与入射线的强度之比为1：10，求 射线的半厚度。 某放射性同位素经过100天后，其放射性活 度变为初始值的1/4，求该放射性同位素的 衰变常数。 宽宽束束、连连续续谱谱射射线线的的衰衰减减规规律律 attenuation law 散射线和散射比： 射线总强度为一次透射射线和散射线之和： (1/)(1) / pspspp sp IIIIIIIn nII 式中： 称为散射比， 与射线能量、物质性质和物质厚度有关。 宽宽束束、连连续续谱谱射射线线的的衰衰减减规规律律 平均衰减系数 12 0 010203 123 0010203123 101202 0 TT T I III III IIIIIIII II eII e II e 多色射线的强度为 ，其中不同能量的光子 强度分别为，.，透射射线的总 强度为I，其中不同能量的光子强度分别为 ， ， .，则： .， . 式中： ，. 考虑总的强度衰减，得： 式中： 为平均衰减系数。 宽宽束束、连连续续谱谱射射线线的的衰衰减减规规律律 0 T II e 对宽束、多色射线，其强度衰减规律为： （1n） 宽宽束束、连连续续谱谱射射线线的的衰衰减减规规律律 线质硬化现象 多色射线穿过物体过程中，较低能量射线 的强度衰减多，较高能量射线的强度衰减 少，透射射线的平均能量高于入射射线的 平均能量。 射射线线检检测测原原理理与与灵灵敏敏度度 Principles & Sensitivity of RT 射射线线检检测测原原理理 射射线线检检测测灵灵敏敏度度 射射线线检检测测的的特特点点 射射线线检检测测原原理理Principles for RT 假设物体局部存在空隙，计算射线穿过物体后强 度变化 式中： DS DS III III 0 DD SS I II II II 入射射线强度； ，透射的一次射线强度； ，透射的散射射线强度； ，透射射线强度。 射射线线检检测测原原理理Principles for RT 可得： 式中： 表示散射程度 () 1 1 D D I II In S D I I n= 射射线线检检测测原原理理Principles for RT 根据射线衰减规律，有： 0 () 0 1 T D TT D T D D II e II e I e I IT In 射射线线检检测测原原理理Principles for RT 当缺陷的线衰减系数为时： 称为被检物体的对比度（主因对比度）。 结论： 可见，缺陷在透射方向有一定尺寸、缺陷与物 体的衰减系数有一定差别、散射控制在一定范围， 则缺陷将产生一定的对比度。 () 1 IT In 射射线线检检测测灵灵敏敏度度Sensitivity of RT 射线检测灵敏度：相对灵敏度、绝对灵敏度 相对灵敏度: 可识别最小细节尺寸与工件厚度之比 绝对灵敏度：可识别最小细节尺寸 灵敏度测量：像质计 射射线线检检测测的的特特点点 Characteristics for RT 射线照相检测灵敏度高，结果直观； 射线照相检测法容易检测局部厚度差的缺陷，对面积型缺 陷的检测具有方向性； 成本高，检测速度慢、对人体由伤害，须采取防护； 射线照相检测用于各种熔化焊接头，也用于铸钢件检测， 一般不宜用于板材、锻件、钢管的检测较少用于钎焊、摩 擦焊等接头的检测； 对薄工件的检测没有困难，几乎不存在厚度下限，厚度上 限则受射线穿透力的限制。 影影像像质质量量Image Quality 概概论论 对对比比度度 不不清清晰晰度度 颗颗粒粒度度 概概论论 Introduction 对比度D 不清晰度U 颗粒度D 对对比比度度Contrast 底片光学密度（黑度）D：底片不透明的程度 D=lg(I0/I) 对比度：底片上两区域的黑度差 0.43 1 DDD G T D n I0 I 对对比比度度Contrast 当考虑缺陷的线衰减系数时 式中：G胶片的梯度 结论：为提高对比度 选择透照方向，使T 选择低能射线， 使 减少散射，使n 选择胶片及暗室处理，使G 0.43() 1 G T D n 不不清清晰晰度度Unsharpness 不清晰度：几何不清晰度Ug、固有不清晰度Ui 几何不清晰度：射线源有一定尺寸，形成半影 式中：d：射线源焦点尺寸 F：焦距T：工件厚度 降低几何不清晰度措施： 选择小焦点射线源；选择大焦距；工件薄 g dT U FT 不不清清晰晰度度Unsharpness 固有不清晰度： 由胶片二次电子散射形成，受射线能量影响 总不清晰度 222 gi UUU 颗颗粒粒度度Graininess 定义：描述在均匀曝光下，底片黑度地不均匀性。黑度不 规则变化的统计平均值 影响因素：胶片、射线能量、显影 感光乳剂中溴化银晶体分布的随机性 单位面积内溴化银晶体的数目（尺寸）的随机性 射线光子吸收的随机性 显影条件和过程 感光乳剂粒度 射线能量 显影不足或过度 颗粒度 总结 因素含义影响 对比度 影像与背景的黑度差决定在射线透照方向上可识 别细节的尺寸 不清晰度 影像边界扩展的宽度决定在垂直于射线透照方向 上可识别细节的尺寸 颗粒度 影像黑度的不均匀性决定可显示的细节最小尺寸
