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3射线检测3 1射线检测原理射线透过被检物体时 有缺陷部位与无缺陷部位对射线上的吸收能力不同 1 以金属材料为例 缺陷部位 气孔或非金属夹杂物 对射线的吸收能力低于金属基体 透过缺陷部位的射线强度高于无缺陷部位 根据透过工件后射线强度的差异 来检测缺陷 2 目前 广泛采用射线照相法 利用感光胶片来检测射线强度 胶片上相应有缺陷部位因接受较多射线 而形成黑度较大的缺陷影象 3 射线透过无缺陷部位强度式中J1 射线透过厚度为A后的强度 J0 射线透过工件前的强度 材料线衰减系数 A 透过层材料厚度 4 射线透过有缺陷部位强度 缺陷假设为气孔 式中x 缺陷在射线方向的厚度 5 两者强度比为可见缺陷沿射线透照方向长度x越大或被透物质线吸收系数 越大 则透过有缺陷部位和无缺陷部位的射线强度差越大 胶片上缺陷与基体的黑度差越大 缺陷越容易被发现 6 5 1 1射线的本质射线是一种电磁波 与无线电波 红外线 可见光 紫外线等本质相同 具有相同的传播速度 但频率与波长不同 7 射线的波长短 频率高 具有许多与可见光不同的性质 A不可见 依直线传播B不带电荷 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D与可见光同样有反射 干涉 绕射 折射等现象 但这些现象又与可见光有区别 如x射线只有漫反射 不能产生如镜面反射 8 E使物质产生光电子及返跳电子 以及引起散射现象F被物质吸收产生热量G使气体电离H使某些物质起光化学作用 使照相胶片感光 又能使某些物质发生荧光I产生生物效应 伤害及杀死有生命的细胞 9 3 3 2射线的种类1 X射线与 射线这是射线检测中最常用的两种射线 X射线是由人为的高速电子流撞击金属靶产生的 射线是放射性物质自发产生的 如钴 铀 镭等 两者产生的机理不同 但都是电磁波 10 2 射线与 射线放射性同位素产生 衰变和 衰变 放射 射线和 射线 射线贯穿能力弱 但有很强的电离作用 射线虽然穿透力强 但能量很小 一般并不直接用 射线和 射线进行检测 它们适用于特种场合 与X射线和 射线不同 射线和 射线不是电磁波 而是粒子辐射 11 3 中子射线中子是呈电中性的微粒子流 不是电磁波 这种粒子流具有巨大的速度和贯穿能力 中子与X和 射线有很大不同 在被穿透材料中的衰减主要取决于材料对中子的俘获能力 对铅来说 X和 射线穿透能量衰减很大 但俘获中子的能力很小 对氢来说正好相反 12 3 1 5射线的获得 1 X射线的获得X射线是由一种特制的X射线管产生的 由阴极 阳极和高真空的玻璃或陶瓷外壳组成 阴极是一加热灯丝 用于发射电子 阳极靶是由耐高温的钨制成 13 工作时在两极之间加有高电压 从阴极灯丝发射的高速电子撞击到阳极靶上 其动能消耗于阳极材料原子的电离和激发 然后转变为热能 部分电子在原子核场中受到急剧阻止 产生所谓韧致X射线 即连续X射线 14 为减少电子在飞往阳极过程中与气体粒子相碰撞损失动能 射线管需抽成10 4 10 5Pa真空 电子流动能的绝大部分 97 转化为热能 因此阳极材料一般应选用耐高温材料并通以介质加冷却 动能中仅一小部分 3 转变为X射线 15 阴极发射电子的数量 决定了从阴极飞往阳极电子流大小 管电流 而X射线的穿透能力则决定于电子从阴极飞往阳极的运动速度 与两极之间电压 管电压 有关 管电压愈高 所产生X射线的穿透能力愈大 波长愈短 16 图中可见 只改变管电流时 X射线辐射强度只是在原有各波长下相应增加 只改变管电压时 则除原来各波长相应增加辐射强度外 还出现了更短波长的X射线 17 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 18 X射线管单位时间内所发出的连续X射线的全部能量的近似公式为式中 0 常数 10 9 I 管电流 A Z 阳极靶原子序数 钨Z 74 U 管电压 V X射线管的转换效率为其它转变为热能 19 当U 100kV时 0 7 200kV1 5 300kV2 2 400kV3 1MV7 5MV37 由此可见 提高管电压可显著提高转换效率 20 2 射线的获得放射性同位素是一种不稳定的同位素 处于激发态 原子核能级高于基级 向基级转变同时释放出 射线 其能量等于两个能级间差 射线检测中所用的 射线源 是由核反应制成的人工放射源 应用较广的 射线源有钴60 铱192 铯137 铥170等 21 铯137因其放射性比活度低 又易造成环境污染 能量单一 不宜检测厚薄不均匀工件等原因而日趋淘汰 钴60的获得 是将同位素钴59 在原子反应堆里的中子流冲击下 激发形成不稳定的同位素即钴60 释放 射线以及少量 射线和 射线 22 放射性同位素的原子核 在自发地放射出 射线后能量逐渐减弱 这种现象叫做衰变 各种放射性同位素都有自己特定衰变速度 称为衰变常数 它表示单位时间内衰变核的数量与尚未衰变核的数量之比式中N 物质在t时尚未衰变的原子数 N0 原有物质原子数 e 自然对数底 物质衰变常数 23 放射同位素原子数随时间呈指数减少 放射性同位素以原有N0个原子因衰变而减少到N0 2个原子所需的时间 称为半衰期 T 以使用最广的钴60为例 其半衰期为5 3年 24 在单位时间内衰变的原子核数量 称为放射性活度 以 表示 单位为居里 Ci 某种物质每秒钟有3 7 1010个原子衰变 则该物质的放射性活度为1Ci 居里 单位质量放射性物质的活度称为比活度 单位为Ci g 居里 克 25 射线的强度可由测量仪器引起的电离程度来决定 单位是R 伦琴 1R辐射强度 等于在0 及105Pa压力下 在1cm3空气中电离引起离子绝对值总和为一个绝对静电单位 26 3 高能X射线的获得普通X射线和 射线检测 由于其能量低 穿透能力差 检测能力受到限制 超过100mm厚钢板不能用一般X射线检测 超过300mm厚钢板很难用 射线进行检测 此时可采用加速器产生的高能X射线检测 例如对厚度达300 500mm的钢板 采用高能X射线检测可获得满意结果 27 高能X射线是指能量超过1000kV的射线 这种高能X射线都由加速器产生 被加速粒子的能量在1000MeV以上是高能加速器 能量在100MeV以下是低能加速器 能量在100 1000MeV之间是中能加速器 按加速器种类可以分为电子加速器 质子加速器 重离子加速器以及全离子加速器等 28 射线检测中应用的加速器都是电子加速器 能量数兆电子伏到数十兆电子伏范围内 一般都在45MeV以下 即用低能电子加速器产生 检测对加速器的要求是束流强度大 焦点尺寸小 体积小 重量轻 成本低 操作容易 维护简单等 适合工业无损检测用加速器 主要有电子感应加速器 电子直线加速器和电子回旋加速器 29 4 中子射线的获得中子射线检测时常根据不同用途选用不同能量的中子 如冷中子 热中子和快中子等 中子照相主要是用热中子 中子源放射出来的快中子由于能量高 不适合照相 需经慢化后变成低能热中子 由准直器引出 目前可供照相用的中子源有核反应堆 加速器和放射性同位素 常用的为 锎Cf252 30 锎 Cf252中子源的半衰期2 65年 产额2 3 1012中子 s g 目前价各还很贵 利用Cf252可做成可移动式中子照相装置 另一种可移动中子装置 核心是与密封管中子发生器组合在一起的慢化器 与Cf252中子源不同之处是可以关闭 不运行时无需屏蔽 国外中子管的中子产额已达1012中子 s 完全可以满足照相的要求 31 从中子照相来说 要求中子射线强度大 射线束质量高 便宜 方便 操作灵活等 目前 强度大的源是核反应堆 但它投资大 笨重 无法用于生产现场 而小型加速器 中子管 同位素中子源等虽然灵巧 方便 但强度总的来说还不够高 32 3 1 4射线的衰减特性射线对物质的作用理论上有12种效应 其中主要的有4种 光电效应 瑞利散射 康普顿效应以及电子对生成 能量较小时 前两种效应比较重要 电子对生成效应仅当能量大于1MeV时才开始显著 33 各种效应随物质原子序数的不同而改变 原子序数低效应弱 原子序数高效应强 上述几种效应造成射线能量减弱 其原因是物质对射线的吸收与散射 射线被吸收时其能量转变为其它形式 如热能 散射则使射线的传播方向改变 34 1 射线的吸收A光电效应射线通过物质时 光子与原子相互作用 光子被吸收 原子中的电子被释放出来 称为光电子 即光电效应 当光子的能量处在 射线的能量范围时 光电效应与原子序数的关系密切 原子序数愈高 光电效应愈显著 光电效应与光子能量的3次方成反比 能量愈高 光电效应愈弱 35 例如能量为0 5MeV的 射线通过铅板时 光电效应的吸收十分显著 当为2MeV时则光电效应很小 光电效应可产生的特征X射线 称为荧光X射线 产生荧光X射线的最佳条件是光子能量稍大于原子核外电子 如K层电子的结合能 能量太大就难以产生荧光X射线 36 B电子对生成射线通过物质时除产生光电效应外 还有电子对生成 当光子能量大于1 02MeV时产生电子对 产生电子对导致能量减弱的吸收系数与原子序数的平方成正比 光子能量小于1 02MeV时不产生电子对 因此电子对效应主要发生在高能射线 37 2 射线的散射A康普顿散射又称非弹性散射和非干涉散射 一个光子和物质中一个自由电子或束缚较弱的电子发生碰撞后 光子将一部分能量传给电子 波长变长 电子即从原子空间中以与光子初始运动方向成 角的方向射出 光子则朝着与自己初始方向成 角的方向散射 这就称为康普顿散射 38 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 因此 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 39 B汤姆逊散射汤姆逊散射即弹性散射 干涉散射 在美国又称为瑞利散射 当光子与原子中束缚很紧的电子碰撞时 光子将与整个原子之间交换能量 但原子的质量比光子大得多 按照弹性力学理论 散射光的频率不会显著改变 其波长与入射线相同 称为弹性散射 40 汤姆逊散射几率与原子序数成正比 与入射能量成反比 汤姆逊散射对原子序数高的物质和能量低的光子来说是最重要的 但它绝不会超过总衰减的20 一般不大于1 41 上述效应随光子能量的变化如图所示 被作用物质为铁 能量0 01MeV时光电效应占优势 随光子能量增加 光电效应逐步减少 而康普顿效应逐渐加大 42 光子能量0 1MeV左右时汤姆逊效应最大 但其发生率不满10 1MeV左右 X射线衰减基本由康普顿效应造成 此后电子对效应逐步变大 43 10MeV左右 电子对效应与康普顿效应作用程度相同 大于10MeV时 电子对效应为主 44 图中可知 在射线能量较低范围内 散乱射线主要是由汤姆逊效应产生 而在射线能量较高范围内 散乱射线主要由康普顿效应产生 故对一般射线检测 康普顿效应是主要的 45 康普顿散射系数与汤姆逊散射系数之和称为散射系数 总的衰减系数 为散射系数与吸收系数 之和 线衰减系数不是常数 与射线能量有关 同时也与物质质量成正比 质量衰减系数为 46 当一束平行的强度为I0的单色射线 透过厚度为d的一层均匀物质时 射线强度的衰减将遵循以下规律由于散射线的存在 透过厚度为d物质时 除透射线外 还要加上物体内部散射线强度 47 因此 其衰减规律如下式所示式中n为散射比 它是射线透过工件后散射线剂量与透射线剂量之比 影响散射比的因素有焦距 照射场大小 射线性质和工件厚度等 48 例如 X射线照相时对钢n 0 09T T 25mm 对铝n 0 035T T 50mm Irl92 射线照相时对钢n 0 075T T 70mm Co60 射线照相时对钢n 0 047T T 160mm 49 有时需要直观地表示射线的穿透力 通常用半值厚度d1 2 或半衰减层 来表示射线强度衰减一半的物质厚度 因此 50 一定波长的射线 对一定物质具有恒定的半值层 如Co60 射线在铁中的