II级培训射线检测物理基础PPT课件

-，1、浙江省特种设备无损检测人员培训课程；杭州杭阳股份有限公司闫林泉联系方式子邮件： JWY 1016 2，第一章放射性测试的物理基础，1原子和原子结构(研究物质)(1)元素和原子世界中的所有物质都是元素。例如，水(H2O)由氢(氢)和氧(氧)组成；钢由几种元素组成，如铁和碳。每个元素由一个特定的符号表示。有两种元素，天然的和人造的。元素以原子的形式存在，原子是体现元素属性的最小粒子。原子的质量非常小。为了方便起见，原子量通常用来表示原子的质量。原子量是一种元素原子的平均质量与126摄氏度的质量之比，即1/12。原子的组成由位于原子中心的原子核和几个核外电子组成。原子核带正电荷，原子核外的电子带负电荷。两者的指控数量相同。也就是说，核电荷数等于核外的电子数。由几个质子和几个中子组成。质子带正电荷，而中子不带。几个质子带几个正电荷。整个原子核带正电，因为质子带正电。在元素周期表中，元素的顺序是根据核电荷的数量来排列的，所以原子序数等于核电荷的数量。根据以上所述，形成以下公式：质子数=核电荷数=核外电子数=原子数原子量=质子数中子数，-，3，射线检测研究的对象：1射线2工件和胶片(物质)3射线如何与工件相互作用？放射源、工件、胶片、5、一种元素可以包含多种核素。相同的元素必须有相同的核电荷数或质子数，但中子数不一定相同，不同的中子数构成不同的原子。例如，氢有三种原子，氘、氘和氚。同位素：质子数相同但中子数不同的各种原子是彼此的同位素。核素可分为稳定型和不稳定型。不稳定的核素被称为放射性核素。它能自发发射一些射线、或射线，并成为另一种元素。放射性核素可分为天然和人工两种。目前用于辐射探测的伽马射线源都是人造放射性核素。原子理论的发展：道尔顿原子理论：原子是物质的最小单位，是不可分割的。汤姆逊原子理论：正电荷均匀分布在整个原子中，而电子均匀分布在这些正电荷之间。卢瑟福原子理论：一个带正电的原子核在原子的中心，几个带负电的电子在原子核外环绕原子核运行。玻尔原子理论：一个带正电的原子核在原子的中心，几个带负电的电子在原子核外环绕原子核运行。然而，电子沿着各自的轨道围绕原子核运动，每个轨道都有不同的能量状态(能级)。基于卢瑟福的原子理论，引入了轨道和能级的概念。它最接近现代原子理论。基态：电子通常总是在最低能级轨道上的原子状态。跃迁：当原子从外部吸收一定量的能量时，电子从最低能级跃迁到较高能级。跃迁后，原子处于不稳定的激发态。电子将回到较低的能级并释放光子，光子的能量正好是两个能级之间的能级差。-，6，3核结构核由带正电荷的质子和不带电荷的中子组成。原子核的体积是原子半径的1/10000，其质量占原子质量的99%以上。因此，原子是一个非常空的结构，这使得当射线与物质相互作用时，一些射线可以穿过物质而不与射线相互作用。原子核中的质子和中子都在运动，所以原子核有角动量和磁矩，也有能级的概念。但是它应该不同于电子轨道的能级。两者之间的差异之一是它们之间的能量差异(地球和太阳有万有引力，电子和原子核有库仑力)核力的本质：(1)核力与电荷无关；(2)核力量是短程力量；(3)核力是一种很强的力，是库仑力的100倍。(4)核力可以促进粒子的配对和配对。通过用中子、质子或其他基本粒子人工轰击原子核来改变原子核中质子或中子的数量，可以产生新的核素。有两种核素，稳定的和不稳定的。不稳定的核素会自发地变成另一种核素，并同时发出各种射线。这种现象被称为放射性衰变。-，7，三种放射性衰变模式：(1)衰变放出带两个正电荷的42He(氦)，衰变后形成的子核的核电荷比母核减少2，即在元素周期表上向前移动2，而质量数比母核减少4。(2)衰变衰变，母核释放电子，衰变后子核的质量数保持不变，而核电荷数增加1，即在元素周期表上向后移动1位；轨道电子俘获，母核俘获核外轨道上的电子(最常见的是俘获K层电子，称为K俘获)，核中的质子转化为中子，即在元素周期表中向前移动一位。(3)衰变发射波长很短的电磁辐射。衰变前后原子核的质量数和电荷数没有变化。总是伴随着衰变和衰变。1.2射线的类型和性质1 X射线和射线的性质是相同的：(1)两者都是在真空中以光速传播的电磁波；(2)不带电，不受电场和磁场影响。(3)介质界面上只能发生漫反射；(4)可能发生干涉和衍射；(五)能透过可见光但不能透过可见光的不可见物质；(6)在物质作用过程中，物质会发生复杂的物理和化学作用；(7)具有辐射效应，能杀死生物细胞，破坏生物组织。-，8，不同的点：(1)不同的产生模式，x射线通过用高速电子轰击阳极靶产生；伽马射线是由放射性核素衰变产生的。(2)根据管电压，可以用不同的能量调节x光能量；伽马射线能量是不可调的，这取决于源的类型。(3)不同强度，x光强度取决于管电压和管电流；伽马射线强度随时间呈指数下降。(4)不同光谱的x光光谱是连续光谱；伽马射线光谱是线性光谱。2X射线的产生及其特点(1)X射线产生方式：1)灯丝通电发热，大量电子聚集在灯丝周围；2)电子被阴极罩聚焦成一定的形状；3)在阴极和阳极之间的高压驱动下，电子高速涌向阳极；4)高速电子撞击阳极靶并突然停止，电子的动能转化为热能和x光。(2)轫致辐射：带电粒子在加速或减速时必须伴有电磁辐射。当带电粒子和核库仑场之间的相互作用突然减速时，随之而来的是辐射。(3)X射线的光谱特性：连续光谱由连续光谱和识别光谱两部分组成，即波长连续变化，其最短波长仅与外加电压有关；为什么它是连续的？识别光谱：也称为特征光谱，只与目标物质有关。(4)计算连续光谱的最短波长：电子的动能E=eV全部转化为电磁辐射的能量E=h，则该辐射的波长min为：eV=h=HC/minmin=HC/eV=12.410-7/v=12.4/v()，其中h普朗克常数，6.62610-34Jsc光速3108米/秒电子电荷，1.610-19CV管电压，千伏可以看出，产生的x射线强度与以下三个因素有关：1)管电压2)管电流3)靶材料原子序数产生的x射线效率：当100千伏与管电压和原子序数有关时，=KiZV因此，实际检测通常伴随着识别x光。识别光谱的产生机理是：如果x光管的管电压超过Vk，阴极发射的电子就能获得足够的能量，当它与阳极靶碰撞时，靶原子的内层就能被电推出壳层，使原子处于激发态。此时，外层中的电子将跃迁到内层，同时发射一个光子(即识别X射线)，其能量等于跃迁发生的两个能级之间的差。一般跃迁通常发生在K系列层电子上。标记的X射线强度仅占总X射线强度的很小一部分，这在实际检测中基本上没有考虑。伽马射线的产生和特征(1)伽马射线的产生方式：在衰变和衰变之后，放射性同位素在从激发态到稳定态的转变过程中从原子核发射出来，这是原子核内部能级之间的转变。(2)伽马射线和标记X射线的区别：伽马射线是核内部能级转换后产生的电磁辐射，其能量一般为几千电子伏至十万亿电子伏以上。标记X射线是外核电子层之间跃迁后产生的电磁辐射，其能量一般为几千电子伏到几千电子伏。(3)伽马射线的能量由放射性同位素的类型决定(4)伽马射线的光谱是线性的。-，12，(5)放射性同位素的衰变N=N0e-TN0 t时间后衰变核数N，衰变常数，这反映了放射性同位素的内在性质，值越大，衰变越快。上述公式表明放射性同位素的衰减是指数的。半衰期T1/2:表示放射性同位素衰变其原始核的一半所需的时间。从上述公式可以得出，T1/2=0.693/半衰期T1/2也反映了放射性同位素的固有性质。值越大，T1/2越小，衰减越快。波粒二象性电磁辐射是波和粒子的现象。挥发性：波长、频率、衍射、散射等。粒子性质：光能、光电效应、康普顿效应、电子对效应等。5种射线(1)X射线和射线具有很强的穿透力(2)电子射线和射线(3)质子射线和射线具有最强的电离力(4)中子射线容易穿透高原子序数物质但难以穿透低原子序数物质，-13，6常用的放射性同位素，-14，1.3与物质和物质相互作用的射线结果：强度减弱，服从指数衰减规律；强度降低的原因是吸收和散射吸收：光子能量被吸收并转换成其他形式的能量，具有光电效应和电子对效应；散射：光子运动方向改变，能量转移或改变，包括康普顿效应和瑞利散射。(1)光电效应当光子与原子的束缚电子相互作用时，光子将其所有能量转移到束缚电子上并发射出去，而光子本身消失了。这个过程被称为光电效应。发射的电子被称为光电子。光电效应的前提是入射光子的能量Ee应大于电子壳层的Ei。光电效应的概率：随着光子能量的增加而降低，随着原子序数的增加而增加。光电效应的其他产物：在光电效应之后，原子处于激发态。去激励有两种方式。一种是外层的电子过渡到内层，并发射标记X射线(次级X射线或荧光X射线)，其能量是两个电子层之间的能级差。另一个是激发能量被转移到外层的电子上，因此发射的电子被称为俄歇电子。光电效应排出的电子主要出现在K层(内层)。(2)康普顿效应的入射光子与原子的自由电子或外电子发生非弹性碰撞，部分能量转移到电子，使其成为反冲电子并发射出去，而光子本身并没有消失，只是能量和运动方向发生了变化。这个过程叫做康普顿效应。康普顿效应的概率与物质的原子序数成正比，与光子能量成反比。(3)电子对效应电子对效应的先决条件是入射光子的能量必须比电子对的结合能大1.02电子伏。电子对湮灭：由电子对效应产生的正负电子对在吸收物质中迅速消失并转换成能量为0.51电子伏的两个光子的现象。电子对效应的概率与物质的原子序数的平方成正比，基本上与光子能量成正比。(4)瑞利散射入射光子与原子内层中的电子弹性散射，电子吸收入射光子并跃迁到高能级，然后发射能量近似等于入射光子能量的散射光子。因为入射光子和散射光子具有相同的波长，所以会发生干涉。瑞利散射是一种相干散射。瑞利散射的概率与物质原子序数的平方成正比，并且随着光子能量的增加而急剧减小。对低能射线和高原子序数物质，各种效应相互作用的相对概率优于光电效应。康普顿效应对中等能量射线和低原子序数物质起主导作用。对于高能辐射和高原子序数物质，电子对效应占主导地位。当辐射与铁相互作用时，各种效应的概率为10keV，光电效应是绝对优势。随着能量的增加，光电效应逐渐减弱，而康普顿效应逐渐增强。在100千电子伏时，光电效应和康普顿效应的概率相等。此时瑞利效应最大。1mV，康普顿效应最大，基本上是康普顿效应；光电效应变为0；随着能量的增加，电子对效应开始增加，康普顿效应逐渐减小10MeV。电子对效应和康普顿效应的概率相等。随着能量的增加，电子对效应的概率增加。(6)窄波束和单色光的强度衰减规律射线与物质相互作用后，一部分吸收，一部分散射，一部分不与物质相互作用直接穿透。直接穿透过去并且能量或方向没有变化的射线被称为不透射线的IP。发生散射，能量和方向改变的辐射称为散射线。窄束射线是指不包括散射成分的射线束。单色光是指由单一波长的电磁波组成的光线。-，18，窄波束和单色辐射的强度衰减规律：I=I0e-衰减后的辐射强度(穿透后)I0-衰减前的原始辐射强度(穿透前)T穿透厚度U线性衰减系数线性衰减系数U是指当辐射穿过单位厚度的物质时，辐射与物质相互作用的概率。它与射线能量、原子序数和物质密度有关。线性衰减系数，可分为四种效果。U=uphuucupuru与物质的密度大致成正比；它随着原子序数的增加而增加。铀与光子能量的关系如下：当光电效应和康普顿效应增加时，它们随着光子能量的增加而减少；电子对效应随着光子能量的增加而增加。因此，在常规射线照相测试(小于1mV)中，由于通常不发生电子对效应，所以U随着光子能量的增加而减小。半价层：指入射光线强度减半时吸收物质的厚度，用T1/2表示。它表示某些能量射线的穿透能力或某些射线的衰减程度。它与U的关系是：T1/2=0.693/u，-，19。众所周知，窄束单色辐射通过20毫米钢后，其强度降低到原来的20%，并计算出辐射在钢中的线性衰减系数。解决方案：1t 1/2i/i0=(1/2)12t 1/2i/i0=(1/2)2t 1/2i/i0=(1/2)Ni/i0=20%=0.2=(1/2)n=2.32 t1/2=2/2.32=0.86 CMU=0.693/0.86=0.8cm-1(7)宽束射线，多色射线的强度衰减规律：射线包含散射线分量；多色射线：具有多种波长的射线，其中x射线的波长是连续的，也称为“白色