射线检测原理.ppt

《射线检测原理.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《射线检测原理.ppt（54页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、3 射线检测射线检测3-1 射线检测原理射线检测原理 射射线线透透过过被被检检物物体体时时，有有缺缺陷陷部部位位与与无无缺缺陷陷部位对射线上的吸收能力不同部位对射线上的吸收能力不同 以以金金属属材材料料为为例例，缺缺陷陷部部位位(气气孔孔或或非非金金属属夹夹杂杂物物)对射线的吸收能力低于金属基体。对射线的吸收能力低于金属基体。透透过过缺缺陷陷部部位位的的射射线线强强度度高高于于无无缺缺陷陷部部位位，根根据透过工件后射线强度的差异，来检测缺陷。据透过工件后射线强度的差异，来检测缺陷。目目前前，广广泛泛采采用用射射线线照照相相法法，利利用用感感光光胶胶片片来来检检测测射射线线强强度度，胶胶片片上上

2、相相应应有有缺缺陷陷部部位位因因接接受受较多射线，而形成黑度较大的缺陷影象。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射线透过无缺陷部位强度式式中中 J1-射射线线透透过过厚厚度度为为A后后的的强强度度，J0-射射线线透透过过工工件件前前的的强强度度，-材材料料线线衰衰减减系系数数，A-透透过层材料厚度。过层材料厚度。射线透过有缺陷部位强度射线透过有缺陷部位强度(缺陷假设为气孔缺陷假设为气孔)式中式中 x-缺陷在射线方向的厚度缺陷在射线方向的厚度两者强度比为两者强度比为可可见见缺缺陷陷沿沿射射线线透透照照方方向向长长度度x越越大大或或被被透透物物质质线线吸吸收收系系数数越越大大

3、，则则透透过过有有缺缺陷陷部部位位和和无无缺缺陷陷部部位位的的射射线线强强度度差差越越大大，胶胶片片上上缺缺陷陷与与基基体体的的黑黑度差越大，缺陷越容易被发现。度差越大，缺陷越容易被发现。5-1-1 射线的本质射线的本质 射射线线是是一一种种电电磁磁波波，与与无无线线电电波波、红红外外线线、可可见见光光、紫紫外外线线等等本本质质相相同同，具具有有相相同同的的传传播播速度，但频率与波长不同。速度，但频率与波长不同。射射线线的的波波长长短短、频频率率高高，具具有有许许多多与与可可见见光光不同的性质：不同的性质：A 不可见，依直线传播不可见，依直线传播 B 不带电荷，因此不受电场和磁场影响不带电荷，

4、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能透过可见光不能透过的物质 D 与与可可见见光光同同样样有有反反射射、干干涉涉、绕绕射射、折折射射等等现现象象，但但这这些些现现象象又又与与可可见见光光有有区区别别，如如x射射线线只有漫反射，不能产生如镜面反射。只有漫反射，不能产生如镜面反射。E 使使物物质质产产生生光光电电子子及及返返跳跳电电子子、以以及及引引起起散散射现象射现象 F 被物质吸收产生热量被物质吸收产生热量 G 使气体电离使气体电离 H 使使某某些些物物质质起起光光化化学学作作用用，使使照照相相胶胶片片感感光，又能使某些物质发生荧光光，又能使某些物质发生荧光 I 产生生物效

5、应、伤害及杀死有生命的细胞产生生物效应、伤害及杀死有生命的细胞3-3-2 射线的种类射线的种类 1)X射线与射线与射线射线 这这是是射射线线检检测测中中最最常常用用的的两两种种射射线线，X射射线线是是由人为的高速电子流撞击金属靶产生的。由人为的高速电子流撞击金属靶产生的。射射线线是是放放射射性性物物质质自自发发产产生生的的，如如钴钴、铀铀、镭等，两者产生的机理不同，但都是电磁波。镭等，两者产生的机理不同，但都是电磁波。(2)射线与射线与射线射线 放放射射性性同同位位素素产产生生衰衰变变和和衰衰变变，放放射射射射线线和和射射线线，射射线线贯贯穿穿能能力力弱弱，但但有有很很强强的的电电离作用。离作

6、用。射线虽然穿透力强，但能量很小。射线虽然穿透力强，但能量很小。一一般般并并不不直直接接用用射射线线和和射射线线进进行行检检测测，它们适用于特种场合。它们适用于特种场合。与与X射射线线和和射射线线不不同同，射射线线和和射射线线不不是是电磁波，而是粒子辐射。电磁波，而是粒子辐射。(3)中子射线中子射线 中中子子是是呈呈电电中中性性的的微微粒粒子子流流，不不是是电电磁磁波波，这这种粒子流具有巨大的速度和贯穿能力。种粒子流具有巨大的速度和贯穿能力。中中子子与与X和和射射线线有有很很大大不不同同，在在被被穿穿透透材材料料中的衰减主要取决于材料对中子的俘获能力。中的衰减主要取决于材料对中子的俘获能力。对

7、对铅铅来来说说，X和和射射线线穿穿透透能能量量衰衰减减很很大大，但但俘获中子的能力很小。对氢来说正好相反。俘获中子的能力很小。对氢来说正好相反。3-1-5 射线的获得射线的获得(1)X射线的获得射线的获得 X射射线线是是由由一一种种特特制制的的X射射线线管管产产生生的的，由由阴阴极极、阳阳极极和和高高真真空空的的玻玻璃璃或或陶陶瓷瓷外外壳壳组组成成，阴阴极极是是一一加加热热灯灯丝丝，用用于于发发射射电电子子，阳阳极极靶靶是是由由耐耐高高温的钨制成。温的钨制成。工工作作时时在在两两极极之之间间加加有有高高电电压压，从从阴阴极极灯灯丝丝发发射射的的高高速速电电子子撞撞击击到到阳阳极极靶靶上上，其其

8、动动能能消消耗耗于于阳阳极极材材料料原原子子的的电电离离和和激激发发，然然后后转转变变为为热热能能，部部分分电电子子在在原原子子核核场场中中受受到到急急剧剧阻阻止止，产产生生所所谓谓韧韧致致X射线，即连续射线，即连续X射线。射线。为为减减少少电电子子在在飞飞往往阳阳极极过过程程中中与与气气体体粒粒子子相相碰碰撞撞损损失失动动能能，射射线线管管需需抽抽成成10-410-5Pa真真空空。电电子子流流动动能能的的绝绝大大部部分分(97%)转转化化为为热热能能，因因此此阳阳极极材材料料一一般般应应选选用用耐耐高高温温材材料料并并通通以以介介质质加加冷冷却。动能中仅一小部分却。动能中仅一小部分(3%)转

9、变为转变为X射线。射线。阴阴极极发发射射电电子子的的数数量量，决决定定了了从从阴阴极极飞飞往往阳阳极极电电子子流流大大小小(管管电电流流)，而而X射射线线的的穿穿透透能能力力则则决决定定于于电电子子从从阴阴极极飞飞往往阳阳极极的的运运动动速速度度，与与两两极极之之间间电电压压(管管电电压压)有有关关。管管电电压压愈愈高高，所所产产生生X射射线线的穿透能力愈大，波长愈短。的穿透能力愈大，波长愈短。图图中中可可见见，只只改改变变管管电电流流时时，X射射线线辐辐射射强强度度只只是是在在原原有有各各波波长长下下相相应应增增加加。只只改改变变管管电电压压时时、则则除除原原来来各各波波长长相相应应增增加加

10、辐辐射射强强度度外外，还还出出现现了了更短波长的更短波长的X射线。射线。灯丝的外加电流越大，产生的电子数量越大，射线强度越高；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射射线线管管单单位位时时间间内内所所发发出出的的连连续续X射射线线的的全全部能量的近似公式为部能量的近似公式为式式中中 0-常常数数(10-9)，I-管管电电流流(A)，Z-阳阳极极靶靶原原子序数子序数(钨钨Z=74)，U-管电压管电压(V)。X射线管的转换效率为射线管的转换效率为其它转变为热能其它转变为热能当当U=10

11、0kV时时 =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由此可见，提高管电压可显著提高转换效率(2)射线的获得射线的获得 放放射射性性同同位位素素是是一一种种不不稳稳定定的的同同位位素素，处处于于激激发发态态，原原子子核核能能级级高高于于基基级级，向向基基级级转转变变同同时时释释放出放出射线，射线，其其能量等于两个能级间差。能量等于两个能级间差。射射线线检检测测中中所所用用的的射射线线源源，是是由由核核反反应应制制成成的的人人工工放放射射源源，应应用用较较广广的的射射线线源源有有钴钴60、铱铱192、铯、铯

12、137、铥、铥170等。等。铯铯137因因其其放放射射性性比比活活度度低低，又又易易造造成成环环境境污污染染，能能量量单单一一、不不宜宜检检测测厚厚薄薄不不均均匀匀工工件件等等原原因因而日趋淘汰。而日趋淘汰。钴钴60的的获获得得，是是将将同同位位素素钴钴59，在在原原子子反反应应堆堆里里的的中中子子流流冲冲击击下下，激激发发形形成成不不稳稳定定的的同同位位素素即即钴钴60，释放，释放射线以及少量射线以及少量射线和射线和射线。射线。放放射射性性同同位位素素的的原原子子核核，在在自自发发地地放放射射出出射射线后能量逐渐减弱，这种现象叫做衰变。线后能量逐渐减弱，这种现象叫做衰变。各各种种放放射射性性

13、同同位位素素都都有有自自己己特特定定衰衰变变速速度度，称称为为衰衰变变常常数数()，它它表表示示单单位位时时间间内内衰衰变变核核的的数数量与尚未衰变核的数量之比量与尚未衰变核的数量之比式式中中 N-物物质质在在t时时尚尚未未衰衰变变的的原原子子数数，N0-原原有有物物质原子数，质原子数，e-自然对数底，自然对数底，-物质衰变常数。物质衰变常数。放放射射同同位位素素原原子子数数随随时时间间呈呈指指数数减减少少，放放射射性性同同位位素素以以原原有有N0个个原原子子因因衰衰变变而而减减少少到到N0/2个个原原子所需的时间，称为半衰期子所需的时间，称为半衰期(T)。以使用最广的钴以使用最广的钴60为例

14、，其半衰期为为例，其半衰期为5.3年年 在在单单位位时时间间内内衰衰变变的的原原子子核核数数量量，称称为为放放射射性活度，以性活度，以表示，单位为居里表示，单位为居里(Ci)某某种种物物质质每每秒秒钟钟有有3.71010个个原原子子衰衰变变，则则该该物质的放射性活度为物质的放射性活度为1Ci(居里居里)单单位位质质量量放放射射性性物物质质的的活活度度称称为为比比活活度度，单单位为位为Ci/g(居里居里/克克)射射线线的的强强度度可可由由测测量量仪仪器器引引起起的的电电离离程程度度来决定，单位是来决定，单位是R(伦琴伦琴)1R辐辐射射强强度度，等等于于在在0及及105Pa压压力力下下，在在1cm

15、3空空气气中中电电离离引引起起离离子子绝绝对对值值总总和和为为一一个个绝绝对静电单位。对静电单位。(3)高能高能X射线的获得射线的获得 普普通通X射射线线和和射射线线检检测测，由由于于其其能能量量低低、穿穿透透能力差，检测能力受到限制。能力差，检测能力受到限制。超超过过100mm厚厚钢钢板板不不能能用用一一般般X射射线线检检测测，超超过过300mm厚钢板很难用厚钢板很难用射线进行检测。射线进行检测。此此时时可可采采用用加加速速器器产产生生的的高高能能X射射线线检检测测，例例如如对对厚厚度度达达300500mm的的钢钢板板，采采用用高高能能X射射线检测可获得满意结果。线检测可获得满意结果。高高能

16、能X射射线线是是指指能能量量超超过过1000kV的的射射线线，这这种种高能高能X射线都由加速器产生。射线都由加速器产生。被被加加速速粒粒子子的的能能量量在在1000MeV以以上上是是高高能能加加速速器器，能能量量在在100MeV以以下下是是低低能能加加速速器器，能能量量在在1001000MeV之间是中能加速器。之间是中能加速器。按按加加速速器器种种类类可可以以分分为为电电子子加加速速器器、质质子子加加速速器、重离子加速器以及全离子加速器等。器、重离子加速器以及全离子加速器等。射射线线检检测测中中应应用用的的加加速速器器都都是是电电子子加加速速器器，能能量量数数兆兆电电子子伏伏到到数数十十兆兆电

17、电子子伏伏范范围围内内，一一般般都都在在45MeV以下，即用低能电子加速器产生。以下，即用低能电子加速器产生。检检测测对对加加速速器器的的要要求求是是束束流流强强度度大大、焦焦点点尺尺寸寸小小、体体积积小小、重重量量轻轻、成成本本低低、操操作作容容易易、维维护护简单等。简单等。适适合合工工业业无无损损检检测测用用加加速速器器，主主要要有有电电子子感感应应加速器、电子直线加速器和电子回旋加速器。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的获得 中中子子射射线线检检测测时时常常根根据据不不同同用用途途选选用用不不同同能能量量的中子，如冷中子、热中子和快中子等。的中子，如冷

18、中子、热中子和快中子等。中中子子照照相相主主要要是是用用热热中中子子，中中子子源源放放射射出出来来的的快快中中子子由由于于能能量量高高，不不适适合合照照相相，需需经经慢慢化化后后变变成低能热中子，由准直器引出。成低能热中子，由准直器引出。目目前前可可供供照照相相用用的的中中子子源源有有核核反反应应堆堆、加加速速器器和放射性同位素，常用的为和放射性同位素，常用的为(锎锎Cf252)(锎锎)Cf252中中子子源源的的半半衰衰期期2.65年年，产产额额2.31012中中子子/s/g，目目前前价价各各还还很很贵贵。利利用用Cf252可可做做成成可可移动式中子照相装置。移动式中子照相装置。另另一一种种可

19、可移移动动中中子子装装置置，核核心心是是与与密密封封管管中中子子发发生生器器组组合合在在一一起起的的慢慢化化器器，与与Cf252中中子子源源不不同同之处是可以关闭，不运行时无需屏蔽。之处是可以关闭，不运行时无需屏蔽。国国外外中中子子管管的的中中子子产产额额已已达达1012中中子子/s，完完全全可以满足照相的要求。可以满足照相的要求。从从中中子子照照相相来来说说，要要求求中中子子射射线线强强度度大大、射射线线束质量高、便宜、方便、操作灵活等。束质量高、便宜、方便、操作灵活等。目目前前，强强度度大大的的源源是是核核反反应应堆堆，但但它它投投资资大大、笨重、无法用于生产现场。笨重、无法用于生产现场。

20、而而小小型型加加速速器器、中中子子管管、同同位位素素中中子子源源等等虽虽然然灵巧、方便，但强度总的来说还不够高。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的衰减特性 射射线线对对物物质质的的作作用用理理论论上上有有12种种效效应应，其其中中主主要要的的有有4种种：光光电电效效应应、瑞瑞利利散散射射、康康普普顿顿效效应应以及电子对生成。以及电子对生成。能能量量较较小小时时、前前两两种种效效应应比比较较重重要要，电电子子对对生生成效应仅当能量大于成效应仅当能量大于1MeV时才开始显著。时才开始显著。各各种种效效应应随随物物质质原原子子序序数数的的不不同同而而改改变变，原原子

21、子序数低效应弱，原子序数高效应强。序数低效应弱，原子序数高效应强。上上述述几几种种效效应应造造成成射射线线能能量量减减弱弱，其其原原因因是是物物质对射线的吸收与散射。质对射线的吸收与散射。射射线线被被吸吸收收时时其其能能量量转转变变为为其其它它形形式式，如如热热能能，散射则使射线的传播方向改变。散射则使射线的传播方向改变。(1)射线的吸收射线的吸收 A 光电效应光电效应 射射线线通通过过物物质质时时，光光子子与与原原子子相相互互作作用用，光光子子被被吸吸收收，原原子子中中的的电电子子被被释释放放出出来来，称称为为光光电电子子，即光电效应。即光电效应。当当光光子子的的能能量量处处在在射射线线的的

22、能能量量范范围围时时，光光电电效效应应与与原原子子序序数数的的关关系系密密切切，原原子子序序数数愈愈高高，光光电电效效应应愈愈显显著著，光光电电效效应应与与光光子子能能量量的的3次次方方成成反比，能量愈高，光电效应愈弱。反比，能量愈高，光电效应愈弱。例例如如能能量量为为0.5MeV的的射射线线通通过过铅铅板板时时，光光电电效效应应的的吸吸收收十十分分显显著著，当当为为2MeV时时则则光光电电效效应很小。应很小。光光电电效效应应可可产产生生的的特特征征X射射线线，称称为为荧荧光光X射射线线，产产生生荧荧光光X 射射线线的的最最佳佳条条件件是是光光子子能能量量稍稍大大于于原原子子核核外外电电子子、

23、如如K层层电电子子的的结结合合能能，能能量量太太大就难以产生荧光大就难以产生荧光X射线。射线。B 电子对生成电子对生成 射射线线通通过过物物质质时时除除产产生生光光电电效效应应外外，还还有有电电子对生成。子对生成。当当光光子子能能量量大大于于1.02MeV时时产产生生电电子子对对，产产生生电电子子对对导导致致能能量量减减弱弱的的吸吸收收系系数数与与原原子子序序数数的的平平方成正比。方成正比。光光子子能能量量小小于于1.02MeV时时不不产产生生电电子子对对，因因此此电子对效应主要发生在高能射线。电子对效应主要发生在高能射线。(2)射线的散射射线的散射 A 康普顿散射康普顿散射 又又称称非非弹弹

24、性性散散射射和和非非干干涉涉散散射射，一一个个光光子子和和物物质质中中一一个个自自由由电电子子或或束束缚缚较较弱弱的的电电子子发发生生碰碰撞撞后，光子将一部分能量传给电子，波长变长。后，光子将一部分能量传给电子，波长变长。电电子子即即从从原原子子空空间间中中以以与与光光子子初初始始运运动动方方向向成成角角的的方方向向射射出出。光光子子则则朝朝着着与与自自己己初初始始方方向向成成角的方向散射，这就称为康普顿散射。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。电子只有外层电子束缚较弱。因此，因此，原子序数小的

25、物质，其康普顿散射较原子序数小的物质，其康普顿散射较强，而原子序数大的物质则相对较弱。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 汤汤姆姆逊逊散散射射即即弹弹性性散散射射、干干涉涉散散射射，在在美美国国又称为瑞利散射。又称为瑞利散射。当当光光子子与与原原子子中中束束缚缚很很紧紧的的电电子子碰碰撞撞时时，光光子子将将与与整整个个原原子子之之间间交交换换能能量量，但但原原子子的的质质量量比光子大得多。比光子大得多。按按照照弹弹性性力力学学理理论论，散散射射光光的的频频率率不不会会显显著著改变，其波长与入射线相同，称为弹性散射。改变，其波长与入射线相同，称为弹性散射。汤汤姆姆逊逊散散

26、射射几几率率与与原原子子序序数数成成正正比比，与与入入射射能量成反比。能量成反比。汤汤姆姆逊逊散散射射对对原原子子序序数数高高的的物物质质和和能能量量低低的的光光子子来来说说是是最最重重要要的的，但但它它绝绝不不会会超超过过总总衰衰减减的的20%，一般不大于，一般不大于1%上上述述效效应应随随光光子子能能量量的的变变化化如如图图所所示示，被被作作用用物物质质为为铁铁，能能量量0.01MeV时时光光电电效效应应占占优优势势，随随光光子子能能量量增增加加，光光电电效效应应逐逐步步减减少少，而而康康普普顿顿效效应应逐渐加大。逐渐加大。光光子子能能量量0.1MeV左左右右时时汤汤姆姆逊逊效效应应最最大

27、大，但但其其发发生生率率不不满满10%。1MeV左左右右、X射射线线衰衰减减基基本本由康普顿效应造成，此后电子对效应逐步变大。由康普顿效应造成，此后电子对效应逐步变大。10MeV左左右右、电电子子对对效效应应与与康康普普顿顿效效应应作作用用程程度相同。大于度相同。大于10MeV时、电子对效应为主。时、电子对效应为主。图图中中可可知知，在在射射线线能能量量较较低低范范围围内内，散散乱乱射射线线主主要要是是由由汤汤姆姆逊逊效效应应产产生生，而而在在射射线线能能量量较较高高范范围围内内，散散乱乱射射线线主主要要由由康康普普顿顿效效应应产产生生。故故对对一一般般射线检测，康普顿效应是主要的。射线检测，

28、康普顿效应是主要的。康康普普顿顿散散射射系系数数与与汤汤姆姆逊逊散散射射系系数数之之和和称称为为散散射射系系数数，总总的的衰衰减减系系数数为为散散射射系系数数与与吸吸收收系系数数()之和。之和。线线衰衰减减系系数数不不是是常常数数，与与射射线线能能量量有有关关。同同时时也与物质质量成正比，质量衰减系数为也与物质质量成正比，质量衰减系数为 当当一一束束平平行行的的强强度度为为I0的的单单色色射射线线，透透过过厚厚度度为为d的的一一层层均均匀匀物物质质时时，射射线线强强度度的的衰衰减减将将遵遵循循以下规律以下规律由由于于散散射射线线的的存存在在，透透过过厚厚度度为为d物物质质时时，除除透透射线外，

29、还要加上物体内部散射线强度。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因此，其衰减规律如下式所示 式式中中n为为散散射射比比，它它是是射射线线透透过过工工件件后后散散射射线线剂量与透射线剂量之比。剂量与透射线剂量之比。影影响响散散射射比比的的因因素素有有焦焦距距、照照射射场场大大小小、射射线性质和工件厚度等。线性质和工件厚度等。例如，例如，X射线照相时射线照相时 对钢对钢n0.09T (T25mm)对铝对铝n0.035T (T50mm)Irl92-射线照相时射线照相时 对钢对钢n0.075T (T70mm)Co60-射线照相时射线照相时 对钢对钢n0.047T (T160m

30、m)有有时时需需要要直直观观地地表表示示射射线线的的穿穿透透力力，通通常常用用半半值值厚厚度度d1/2(或或半半衰衰减减层层)来来表表示示射射线线强强度度衰衰减减一半的物质厚度。一半的物质厚度。因此因此 一一定定波波长长的的射射线线，对对一一定定物物质质具具有有恒恒定定的的半半值值层，层，如如Co60-射线在铁中的半值层为射线在铁中的半值层为17.5mm 因此一次射线通过因此一次射线通过17.5mm层后强度减一半层后强度减一半 第第2个个17.5mm层后即余下最初强度的层后即余下最初强度的25%光光子子能能量量100400keV的的X射射线线，在在铝铝、铁铁、铜铜中的半值层如表中的半值层如表3

31、-2所示。所示。不不同同波波长长的的射射线线具具有有不不同同的的衰衰减减系系数数，这这对对检检测测来来说说使使问问题题复复杂杂化化，因因此此需需使使连连续续X射射线线的的波波长均匀化。长均匀化。就就是是使使X射射线线经经过过一一定定厚厚度度的的物物质质、把把波波长长较较长长的的部部分分吸吸收收掉掉，剩剩下下的的就就是是波波长长较较短短且且很很接接近近的的X射线，可以认为具有相同的吸收系数。射线，可以认为具有相同的吸收系数。另另外外，射射线线差差不不多多都都接接近近于于单单色色，即即有有一一恒恒定的衰减系数。定的衰减系数。表表中中所所示示，为为几几种种常常见见材材料料在在不不同同X射射线线能能量量下下的线吸收系数。的线吸收系数。