射線檢測基礎第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六射線檢測基礎1.1原子與原子結構1.1.1元素與原子世界上一切物質都是由元素構成的，原子是元素的具體存在，是體現元素性質的最小微粒。原子質量采用“原子質量單位”用符號U表示，規(guī)定碳原子質量的1/12為U，而原子量就是某元素的原子的平均質量相當于612C的質量的1/12的比值。原子由一個原子核和若干個核外電子組成。原子核所帶的正電荷數與核外電子所帶的負電荷數相等。原子核是由兩種更小的粒子即質子和中子組成的，中子不帶電，１個質子帶１個單位正電荷。

中國工業(yè)檢驗檢測網第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六射線檢測基礎數值關系：質子數＝核電荷數=核外電子數=原子序數原子量=質子數+中子數例如:2760Co表示鈷元素中原子量為60的鈷原子，核電荷數為27，核內有27個質子，33個中子，原子序數為27。

同位素:質子數相同而中子數不同(或敘述為核電荷數相同而原子量不同)的幾種原子相互稱為同位素。例如:2760Co和2759Co。同位素可分為穩(wěn)定和不穩(wěn)定兩類，不穩(wěn)定的同位素又稱為放射性同位素。放射性同位素又可分為天然和人工制造兩類，后者最常用的方法是用高能量粒子轟擊穩(wěn)定同位素的核使其成為放射性同位素。

中國工業(yè)檢驗檢測網第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六射線檢測基礎1.1.2玻爾的原子理論假設1.1.3要用人工方法，以中子、質子或其它基本粒子作為炮彈轟擊原子核從而改變核內質子數或中子數目，可以產生新的同位素，也可以使穩(wěn)定的同位素變?yōu)椴环€(wěn)定的同位素。

放射性衰變及其模式:不穩(wěn)定的核素會自發(fā)蛻變，變成另一種核素，同時放出各種射線。α衰變β衰變γ衰變

中國工業(yè)檢驗檢測網第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六射線檢測基礎1.2射線的種類和性質1.2.1x射線和γ射線的性質

與電波，紅外線，光波，紫外線一樣都是電磁波。區(qū)別只是波長不同和產生方法不同。(圖1-2)性質:a.在真空中以光速直線傳播。

b.本身不帶電，不受電場和磁場的影響。

c.在媒質界面上只能發(fā)生漫反射，而不能像可見光那樣產生鏡面反射。折射系數接近1。

d.可以發(fā)生干涉和衍射現象。

e.不可見光能穿透可見光不能穿透的物質。

f.和物質作用時，會與物質發(fā)生復雜的物理，化學作用。

g.具有輻射生物效應，能殺傷生物細胞，破壞生物組織。

中國工業(yè)檢驗檢測網第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六1.2.2x射線的產生及特點在一個具有陰陽兩極的真空管（x射線管）產生。陰極是鎢絲，陽極是金屬制成的靶，兩極之間加有很高的直流電壓（管電壓）。陰極加熱釋放的電子在高壓電場中加速從陰極飛向陽極（管電流）以很高的速度撞擊到金屬靶上，失去所有動能，絕大部分動能轉換為熱能，僅有極少部分轉換為x射線向四周輻射。這些x射線線譜由兩部分組成：射線檢測基礎連續(xù)譜和標識譜

中國工業(yè)檢驗檢測網第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六

連續(xù)譜的產生及特點帶電粒子在加速或減速時必然伴隨著電磁輻射。當帶電粒子與原子想碰撞(與原子核的庫侖場相互作用)發(fā)生驟然減速時，由此伴隨產生的輻射稱為韌致輻射。連續(xù)譜的最短波長連續(xù)譜中最大強度對應的波長連續(xù)x射線總強度

管電流增加撞擊電子數增加，管電壓增加每個電子能量增大。轉換過程增加Z越高核庫侖場越強，韌致輻射作用越強。

x射線轉換效率射線檢測基礎

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標識譜的產生及特點

x射線官的管電壓超過某個臨界值（激發(fā)電壓Vk）陰極放射的電子可以獲得足夠能量。它與陽極靶相撞時，可以將靶原子的內層電子逐出殼層之外，使該原子處于激發(fā)態(tài)，此時外層電子將向內層躍遷，同時放出1個光子，其能量等于發(fā)生躍遷的兩能級之差。例如：Kα標識射線是L層電子躍遷至K層放出的，Kβ標識射線是N層電子躍遷至K層放出的。標識x射線強度只占x射線總強度的極少部分，能量也低，所以在工業(yè)射線探傷中不起什么作用。標識譜的波長只依賴于陽極靶面的材料，與管電壓，管電流無關，不同的靶材激發(fā)電壓也不同。射線檢測基礎

中國工業(yè)檢驗檢測網第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六1.2.3γ射線的產生及特點

γ射線是放射性同位素經α衰變或β衰變后，從激發(fā)態(tài)向穩(wěn)定態(tài)過渡的過程中從原子核內發(fā)出的，這一過程稱為γ衰變（或γ躍遷）。γ躍遷是核內能級之間的躍遷。和原子核外電子的躍遷相同和不同點:

反應式:2759Co+n→2760Co+γ.2760Coβ→2860Ni+γ不穩(wěn)定受激發(fā)態(tài)的Ni60連續(xù)放出2個各帶有1.17和1.33Mev的γ射線光子后轉換為穩(wěn)定狀態(tài)。

射線檢測基礎

中國工業(yè)檢驗檢測網第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六

放射性同位素的衰變服從指數規(guī)律:

衰變常數λ反映了放射性物質的固有屬性，λ越大該物質越不穩(wěn)定，衰變得越快。

半衰期:T1/2放射性同位素衰變掉原有核數一半所需時間

射線檢測基礎

中國工業(yè)檢驗檢測網第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六

1.3射線與物質的相互作用射線通過物質時，會與物質發(fā)生相互作用而強度減弱。原因：吸收與散射主要形式：光電效應，康普頓效應，電子對效應和瑞利散射衰減規(guī)律，指數規(guī)律，衰減情況不僅與吸收物質的性質和厚度有關，還與輻射自身的性質有關。射線檢測基礎

中國工業(yè)檢驗檢測網第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六1.3.1光電效應入射光子與物質原子的束縛電子作用時，光子的全部能量轉移給束縛電子使之發(fā)射出去，入射光子的全部能量用于該光電子與原子的結合能和光電子的動能。圖1-9

光電效應的發(fā)生幾率與射線能量和物質原子序數有關，它隨著入射光子能量增大而減小，隨著原子序數z的增大而增大。射線檢測基礎

中國工業(yè)檢驗檢測網第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六1.3.2康普頓效應入射光子和電子發(fā)生非彈性碰撞,入射光子能量一部分轉移給電子使它成為反沖電子，另一部分成為散射光子的能量。反沖電子動能入射光子動能由反沖電子和散射電子之間進行分配。散射角越大，散射光子分配到的能量越小。圖1-12

康普頓效應總是發(fā)生于自由電子或原子束縛最松的外層電子上，其發(fā)生的幾率大致與物質原子序數成正比與光子能量成反比。射線檢測基礎

中國工業(yè)檢驗檢測網第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六1.3.3電子對效應當光子從原子核旁經過，在原子核庫侖場作用下，光子轉化為一個正電子和一個負電子（正負電子對）。

條件：入射光子能量，另一部分作為它的動能。圖1-14

其發(fā)生幾率是高能量射線和原子序數高的物質占優(yōu)勢。射線檢測基礎

中國工業(yè)檢驗檢測網第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六1.3.4瑞利散射入射光子與束縛較牢固的內層軌道電子發(fā)生彈性碰撞過程，束縛電子只是吸收入射光子后躍遷到高能級隨即放出一個能量約等于入射光子的散射光子，并沒有脫離原子，所以散射線與入射線具有相同的波長，能發(fā)生干涉的散射過程。發(fā)生幾率和物質的原子序數及入射光子的能量有關。大致與物質原子序數Z的平方成正比，并隨入射光子能量的增大而急劇減小。入射光子能量在200KV以下時瑞利散射影響不可忽略。射線檢測基礎

中國工業(yè)檢驗檢測網第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六1.3.5相對幾率圖1-17

對于低能量射線和原子序數高的物質光電效應占優(yōu)勢。對于中等能量射線和原子序數低的物質康普頓效應占優(yōu)勢。

對于高能量射線和原子序數高的物質電子對效應占優(yōu)勢。圖1-18x射線與物質相互作用導致強度減弱以及能量強化。射線檢測基礎

中國工業(yè)檢驗檢測網第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六1.3.6窄束、單色射線的強度衰減規(guī)律吸收：光電和電子對效應散射：康普頓效應穿過物質層的射線通常由兩部分組成：透射射線和散射射線

透射射線：未與物質發(fā)生相互作用的光子，能量和方向均未變。

散射射線：發(fā)生一項或多項康普頓效應的光子，能量和方向均改變。

窄束射線：不包括散射成分的射線束，通過物質后僅由未與物質發(fā)生相互作用的光子組成。射線檢測基礎

中國工業(yè)檢驗檢測網第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六

單色：指由單一波長電磁波組成的射線（相同能量光子，單能輻射）窄束、單色射線的強度衰減公式:

衰減系數μ的意義：射線通過單位厚度物質時與物質相互作用的幾率，與射線能量、物質的原子序數和密度有關。對于同一物質射線能量不同μ不同。對于同一能量射線，通過不同物質時其μ也不同。單位cm-1表1-3

半價層T1/2指使入射射線強度減少一半的吸收物質厚度射線檢測基礎

中國工業(yè)檢驗檢測網第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六1.3.7寬束、單色射線的強度衰減規(guī)律工業(yè)探傷中應用的射線不可行是窄束、單色射線到達探傷器的束流中總是包含散射成分,這樣的射線稱為寬束射線。束流中的光子往往也不具有相同能量。γ射線是由幾種乃至十幾種能量的光子組合屬多色。x射線的波長更是連續(xù)變化的。射線檢測基礎

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散射線和散射比對射線照相產生影響的散射線來自康普頓效應，在較低能量范圍則來自相干散射(瑞利散射)

應用寬束射線時，一次透射射線Ip和散射射線Is同時到達探測器，其射線總強度為I則：

散射比：n=Is/Ip

其大小與射線能量，穿透物質種類、厚度等有關。射線檢測基礎1

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平均衰減系數μ

因為光子能量不同,其衰減系數也不同，考慮到總的衰減結果，得以下關系式：

即為多色射線強度衰減公式，其中μ稱為平均衰減系數。射線穿透物質過程中，能量較低的射線分量強度衰減多，而能量較高的射線分量強度衰減相對較少，所以平均能量將高于初始射線的平均能量（硬化現象）隨著穿透厚度增加，線度逐漸變硬。平均衰減系數μ逐漸減小，平均半階層逐漸增大。圖1-20

寬束多色射線的強度衰減規(guī)律

射線檢測基礎23

中國工業(yè)檢驗檢測網第21頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六1.4射線照相法

1.4.1射線照相法原理射線在穿透物體過程中會與物質發(fā)生相互作用，因吸收和散射而使其強度減弱，強度減弱程度取決于物質的衰減系數和射線在物質中穿越的厚度。如果被透照物體的局部存在缺陷，且構成缺陷的物質的衰減系數又不同于物體的衰減系數。該局部區(qū)域的透過射線強度就會與周圍產生差異。把膠片放在適當位置使其在透過射線的作用下感光暗室處理后得到底片，底片上各點的黑化程度取決于射線照射量（射線強度和照射時間的乘積）。射線檢測基礎

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由于缺陷部位和完好部位的透照射線強度不同，底片上相應部位就會出現黑度差異，該黑度差意義為“對比度”