2022年X射线检测 .pdf
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1、1 73 X射线检测本节主要介绍 X射线检测的基本知识、基本原理、常用设备和检测方法,重点介绍提高检测灵敏度的措施。731 X射线的基础知识一、定义(0.01 50)nm,f 3101620 Hz 的电磁波。 1895年伦琴在阴极管放电实验中,发现高速电子流射到一些固体表面,产生一种特殊的射线,它可以穿透可见光不能穿透的物质,使得感光片感光。伦琴称之为X射线。电磁波理论认为下列波都属于电磁波:只是波长和频率不同而已。表 1 X射线的波长和频率名称无 线 电波红外线可见光紫外线X射线射线波 长 (cm )310610 210123.91013(7.7 4) 10-5410-5610-710-6
2、10-1010-9 以下频率f(Hz) 10310123 102 7.710-5(3.97.5) 10147.51014 5 1016310162031019 以上名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 22 页 - - - - - - - - - 2 X射线是由波动着的微粒组成,微粒称为X射线光子;每个光子的能量为:Ehf 式中: E光子的能量;尔格 . 秒 h普朗克常数, 66241027尔格. 秒;cm f频率。通常,在 X射线探伤中,使用的x 射线的波长用
3、下式计算:12.35/V 式中: 波长(埃) ,1 埃等于 10 7 cm; V管电压( KV ) ;由于软 X 射线的吸收系数较大,射线穿透工件后,由于衰减造成的强弱分布明显,能够得到的衬度对比分明的底片。二、X射线的发生X 射线管就是一个热阴极高压二极管。从下图可见,当阴极灯丝被加热后,并在阴、阳极之间加高压电(几万几十万伏)后,阴极就会释放出电子,并在高压电场作用下,以相当大的速度撞击阳极;这时大部分能量以热能的形式释放,只有一小部分能量转变为X射线。三、X射线的分类按照波长的大小,将其分为两类连续X射线和标识 X射线。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - -
4、 - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 22 页 - - - - - - - - - 3 1、连续 X射线波长在 (0.002 0.01)nm 之间,连续变化的X射线。X探伤就是采用这种X射线。研究发现,当 e 撞击阳极时,大致是多次撞击;即第一次撞击后,e 能量处于中级状态,其失去的能量转化为一定波长的光量子;第二次撞击,失去的能量又会转化为一定波长的光量子;依此类推,若干次的撞击,每次都会产生一定波长的 X射线。像这样,大量的电子撞击阳极靶,每种光量子的波长就会是任意值;从而使得 X射线的波长显示为连续数值。用数学式子表示:m
5、axeVhC/1hC/2hC/3hC/n 式中: max 阴极射出粒子带有的最高能量;e粒子带有的电荷;C光速度;V管电压;图 1 是不同管电压辐射的连续X射线谱。从图中可见:(一所书 P182图 63)其一、不同的管电压,辐射的X射线谱线不同;管电压愈大,谱线的位置愈高;说明其强度愈大;其二、同一管电压时, 强度按照谱线按照波长的大小连续分布,并有一个极大值;还可见波长较小,强度较高。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 22 页 - - - - - - -
6、- - 4 有一个半经验公式,描述出连续X射线的总强度:JKZiV2式中: J连续 X射线的总强度; K由实验确定的常数; Z阳极靶材料的元素序数; i管电流; V 管电压。从式中可见,当 X射线机选定后, X射线的总强度与管电压平方、管电流呈正比。2、标识 X射线在 X射线的波谱中,有几个特殊的波长,强度特别大,它的波长数值与管电压无关,而与阳极靶的元素种类有关。通常称之为元素的标识X 射线。图 3 是Mo的标识 X射线和连续 X射线的波谱与强度的关系图。 作此图时,管电压是 35KV ,其中波长为 063、071 埃,分别是MoK、MoK线系,其实,每种元素都有多条标识 X射线。其示意图见
7、P183图 64。图 64 标识 X射线示意图( 1 所书 P183图 64)K表示由核外第一层电子中被激发到第二层后,又回到第一层时,释放的光量子;K表示由核外第一层电子中被激发到第三层后,又回到第一层时,释放的光量子;名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页,共 22 页 - - - - - - - - - 5 由于每种元素的原子结构不同,所以从每层电子层中,被激发后,又回到原来层的电子,释放的X 射线也不同;从而可以鉴别出阳极材料的元素。它是材料成分分析时的重要手
8、段。四、X射线的性质(与探伤有关的性质)1、不可见、以直线传播、不带电、不受电场和磁场的影响;与可见光一样,可以反射、折射、透射、干涉、绕射等。但是反射是漫散射;折射也不像可见光那样能观察到。2、穿透能力强,课穿透肌肉、骨骼、金属;被吸收后能产生热量;3、能感光、能是某些物质产生荧光作用;4、能引起生物效应,杀死和伤害细胞。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 22 页 - - - - - - - - - 6 732X 射线探伤的原理可见光不能透射一张黑纸,而X
9、射线可以透射钢板。可见其透射能力之强。但是它透射后要损失一部分能量,称为衰减。研究发现,X射线透射能力与被透射物质种类(原子序数)和厚度有关。一、衰减X 射线透射物质后,失去部分能量的现象,称为衰减。研究发现引起衰减的因素有两条吸收和散射。1、吸收 X射线穿透物质时,部分能量变成热能的现象。吸收是由于光电效应和电子对形成引起的。1)光电效应()定义光子与核外电子的效应, 称为光电效应。 它是 X射线的光子, 在穿透物质时,打在物质的轨道电子上,电子吸收了光子的能量而飞出来,形成光电子;此时,光子消失。这种现象即为光电效应。()光电效应的数学表达式光电效应的数学表达式即为:Thf -Be 式中:
10、T光电子的能量;hfX射线光子的能量;名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页,共 22 页 - - - - - - - - - 7 Be物质中轨道电子的结合能。X 射线发生光电效应后,本身被物质所吸收;而释放出来的光电子主要是K 层的电子(也有 L 层和其它层的电子)。发生光电效应后,主要是K层(也有 L 层和其它层)电子轨道出现电子的空位,就会有较远的轨道上的电子来补充这些空位;当补充电子后,就会释放出标识X射线。通常,称之为二次标识X射线。这种标识 X射线向各个方
11、向辐射。()影响光电效应的因素其一、 光电子的发射方向与光量子的能量hf 有关;该值愈小,二者方向垂直;该值愈大,二者方向一致。其二、光量子的吸收和物质的原子序数Z有关,Z 愈大,光量子被吸收的几率 愈高;即:0.0089Z4.1n/A 式中: 光量子被吸收的概率;吸收物质的密度; Z吸收物质的原子序数;光量子的波长; A吸收物质的原子质量; n常数;当 Z56 时,n3.05;当 Z1126 时,n2.85;名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页,共 22 页 -
12、- - - - - - - - 8 从上式可见, n 是影响吸收几率 的主要因素。其三、 光电效应的强弱与Z2/ (hf) 3成比例;即原子序数Z 愈大, X 射线光子的能量愈小, 光电效应愈强, X射线被吸收的就愈多 。其四、 光电效应同时会产生标识X射线。2)电子对的形成光子与原子核的效应,称为电子对的形成。发生这种效应时,光子被原子核吸收,但同时释放一对电子。当电子对形成时,光子消失。研究发现,当能量 102MeV (兆电子伏)的射线光子,接近被照射物质的原子核时,光子立即消失, 形成一对电子 (一个正电子和一个负电子) ,并飞出来。通常,称之为电子对形成。需要指出的是,在一般X 射线探
13、伤时,不会发生电子对形成的现象,只有高能X 射线探伤和较硬的 射线探伤中才会有这种效应出现。图 5 是电子对形成示意图( 1 所书 P192图 66)影响电子对形成的因素:其一、光子的能量要足够大,即能量102MeV 。其二、电子对出现在原子核附近;其三、电子对的几率正比于原子序数,原子序数愈大,该现象愈重要。2、散射名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页,共 22 页 - - - - - - - - - 9 光子与自由电子相碰撞,改变运动方向,称为散射。通常将散射又
14、细分为两种康普顿散射、汤姆逊散射和瑞利散射。(1)康普顿散射图 67 是康普顿散射示意图。从图中可见,能量为hf 的入射光子,与原子外层轨道电子碰撞后,一部分动能传递给电子,使得电子从原来轨道飞出,形成反冲电子;同时入射光子变为散射光子;图中的角和表示它们与入射光子运动方向的夹角; 为散射角。研究发现 和角的大小和 hf 有关,后者愈大,这两个角愈小。研究发现,康普顿散射的发生与光子能量大小和物质原子序数有关;当光子具有中等能量,它入射各种元素的原子时,都主要发生这种散射。(2)汤姆逊散射当入射的光子能量很低,并与自由电子碰撞后,光子的能量不变,仅仅改变运动方向,这种散射,称为弹性散射,亦称汤
15、姆逊散射。(3)瑞利散射图 68 是瑞利散射示意图,从图中可见,一个轨道电子吸收光子后跃迁到高能级,随机又释放出一个散射光子, 后者的能量约等于入射光子的能量。图中为散射角。因此瑞利散射是光子与内层电子的碰撞后形成的散射。研究发现,在入射能量较低(0.5 200keV)时,必须注意这种散射。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页,共 22 页 - - - - - - - - - 10 图 610P200是光子与物质相互作用是三种效应的示意图。从中可见,当入射光子的能量
16、与物质的原子序数不同时,它们各自的作用范围不同。 表 61对其作用结果作出了比较。二、衰减射线穿过物质后强度减少的现象,称为衰减。衰减的原因有两条主要由于吸收,此外还有散射。射线衰减的规律称为衰减律。其计算公式为:JdJ0 e- d式中:JdX射线穿过物质后的强度;J0X射线未穿过物质时的强度;衰减系数,由X射线穿透 1cm物质后,强度的衰减程度表示。研究发现: ;式中 吸收系数; 散射系数; d物质的厚度;e自然对数的底;通常,为了使用的方便,人们用物质半衰减层 (亦称 半价层 )表示入射射线的衰减程度,即能使射线强度衰减一半时物质的厚度。即:JdJ0/2 J0 e- 并对上式取对数,求出值
17、,得到 2/ 0.693/ 下表列出常用材料的半价层数值。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页,共 22 页 - - - - - - - - - 11 三种材料的半价层的数值(mm )光量子能量(keV) Al Fe Cu 40 4.6 0.24 0.16 80 12.8 1.47 1.02 300 24.7 8.0 7.0 500 30.4 10.5 9.3 从表中可见,光量子能量,半价层的数值;并可见物质密度愈大,半价层的数值愈小。三、 X 射线探伤的基本原理
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