射线检测的物理基础Word文档下载推荐.docx
《射线检测的物理基础Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《射线检测的物理基础Word文档下载推荐.docx（27页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
不稳定的核素自发蜕变，变成另一种核素，同时放出各种射线的现象。
5.放射性衰变的模式
●α衰变：
不稳定核素蜕变时放出2个带正电的氦核;
●β衰变：
包括β-衰变、β+衰变和轨道电子俘获;
●γ衰变：
不稳定核素蜕变时放出波长很短的电磁波。
◊γ衰变前后核的质量数和电荷数均不改变
◊γ衰变总是伴随着α衰变或β衰变而发生。
1.2射线的性质和种类
1.2.1X射线和γ射线的性质
1.X射线和γ射线的本质：
波长很短的电磁波，其区别是产生的方式不同。
2.X射线和γ射线的性质
●在真空中以光速直线传播;
●不带电，不受电场和磁场影响;
●在界面漫反射，折射方向不明显;
●可以发生干涉和衍射现象;
●不可见，能够穿透可见光不能穿透的物质;
●会与物质发生复杂的物理和化学作用;
●具有辐射生物效应，能够杀伤生物细胞，破坏生物组织.
1.2.2X射线的产生及特点
1.X射线的产生
X射线是在X射线管中产生的，其线谱由两部分组成。
2.连续X射线：
X射线谱中波长连续变化的部分
●最短波长：
λmin=12.4/V
◊λmin只与管电压有关,与靶材料无关。
●连续谱中最大强度对应的波长：
λIM=1.5λmin
◊实际检测中，以最大强度波长为中心的邻近波段的射线其主要作用
●连续X射线的总强度
IT=KiZiV2
◊管电流越大，单位时间撞击靶的电子越多，射线强度越大；
◊管电压越高，电子的能量越大，短波射线成份增加，电子与原子核库仑场作用的机会增多，射线强度越大；
◊靶材料原子序数越大，核库仑场越强，射线强度也会增加。
●连续X射线的产生效率
η=IT/iV=KiZV
◊X射线的产生效率与靶材料的原子序数成正比；
◊X射线的产生效率与管电压成正比；
◊X射线的产生效率很低，电子的绝大部分能量转化为热能，所以X射线管必须冷却。
3.标识X射线：
当X射线管两端所加的电压超过某个临界值VK时，波谱曲线上除连续谱外，还将在特定波长位置出现强度很大的线状谱线，这种线状谱的波长只依赖于阳极靶面的材料，而与管电压和管电流无关。
１.2.3γ射线的产生及其特点
１.γ射线的产生：
放射性同位素经过α衰变或β衰变后，在激发态向稳定态过渡的过程中从原子核内发出的，这一过程称为γ衰变，又称γ跃迁。
２.γ射线的特点
●γ跃迁是核内能级之间的跃迁；
●γ射线的能量是由放射性同位素的种类所决定的；
●放射性同位素可能放出许多种能量的γ射线；
●同位素的辐射能量：
放射性同位素辐射出所有能量的算术平均值；
●γ射线的能谱为线状谱；
３.放射性同位素的衰变规律
N=N0e-λT
４.衰变常数λ：
放射性物质的固有属性，λ值越大，说明该物质越不稳定；
5.半衰期T1/2：
放射性同位素衰变到原有核数一半所需要的时间。
半衰期T1/2是放射性物质的固有属性。
6.衰变常数和半衰期的关系
T1/2=0.693/λ
Pg9例题
１.2.4波粒二象性
1波粒二象性：
微观粒子在运动中既表现出波动性，又表现出粒子性。
●光子能量
E=hν
●光子动量
P=h/λ
1.2.5常用的放射性同位素
1.CO60
●产生：
由稳定的CO59被中子照射后形成
●衰变：
CO60放出β射线变成Ni60，
◊γ射线：
受激状态的Ni60在连续放出2个各带有1.17和1.33MeV的γ射线光子后，转变为稳定状态；
◊半衰期：
5.3年
◊照射量率常数：
1.32R﹒m/（h﹒Ci）
◊比活度：
50Ci/g
2.Ir192
由稳定的Ir191俘获热中子后形成；
大部分Ir192放出β射线变成Pt192，
Ir192在衰变的同时放出多种能量不同的γ射线；
74.4天
0.472R﹒m/（h﹒Ci）
350Ci/g
3.Se75
由稳定的Se74俘获热中子后形成
Se75俘获一个核外电子变成As75，
Se75俘获一个核外电子变成As75，的同时放出多种能量不同的γ射线
120.4天
0.204R﹒m/（h﹒Ci）
1.45×
104Ci/g
1.3射线与物质的相互作用
1.射线强度减弱的原因：
吸收与散射
●吸收：
光子的能量被物质吸收后变为其它形式的能量；
●散射：
是光子的运动方向发生改变
2.光子与物质作用的主要形式：
光电效应、康普顿效应、电子对效应。
当射线能量低时，还会有瑞利散射
1.3.1光电效应
光电效应：
当光子与原子的内层电子作用时，电子吸收了光子的全部能量而成为光电子，光子消失的现象
●光电子：
光电效应发射出的电子
●产生光电效应的条件：
光子能量大于电子的逸出能
●光电效应发生的几率随光子能量增大而减小，随原子序数增大而增大；
●光电效应会伴随着原子发射次级X射线和俄歇电子；
1.3.2康普顿效应
康普顿效应：
光子与原子外层电子或自由电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子使它成为反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化
●康普顿效应发生的几率与光子能量成反比，与原子序数成正比
1.3.3电子对效应
电子对效应：
光子在原子核库伦场作用下，光子转化为一个正电子和一个负电子
◊只有当光子的能量＞1.02MeV时才会发生电子对效应
1.3.4瑞利散射
瑞利散射：
入射光子和束缚较牢固的内层电子发生弹性散射的过程。
●瑞利散射发生时，原子吸收入射光子后，随即放出一个能量约等于入射光子能量的散射光子；
●瑞利散射是相干散射；
●瑞利散射的概率与原子序数的平方成正比，随光子能量的增大而急剧减小；
1.3.5各种相互作用发生的相对概率
散射X射线（相干的、不相干的）
1.射线与物质相互作用
电子（反冲、俄歇、光电子）
导致强度的减弱及能量
荧光X射线
转化示意图
穿透X射线
强度I=I0e-μT
热能
2.各种效应发生的相对概率（图1-18）
●对于低能量的射线和原子序数高的物质，光电效应占优势；
●对于中能量的射线和原子序数低的物质，康普顿效应占优势；
●对于高能量的射线和原子序数高的物质，电子对效应占优势；
3.各种效应对射线照相质量的影响
●光电效应和电子对效应有利于提高对比度；
●康普顿效应会降低对比度；
●轻金属照相质量差；
1.3.6窄束、单色射线的强度衰减规律
1.透射射线：
未与物质发生相互作用的光子，其能量和方向均未变化。
2.散射线：
发生过一次或多次康普顿效应的光子，其能量和方向都发
生了变化。
3.穿过物质层的射线由透射射线和散射线组成。
4.窄束射线：
不包括散射成分的射线束
5.单色射线：
单一波长的射线
6.窄束、单色射线的强度衰减规律
I=I0e-μT
7.线衰减系数μ：
射线通过单位厚度物质时，与物质相互作用的概率。
●线衰减系数μ与射线能量、物质的原子序数和密度有关；
●线衰减系数μ与物质的密度成正比，随原子序数增大而增大；
●常用射线能量下，线衰减系数μ随射线能量增大而降低。
●μ=μph+μc+μp+μR
●质量衰减系数μm
μm=μ/ρ
8.半价层：
使入射射线强度减少一半的吸收物质厚度，用T1/2表示
●半价层描述射线的穿透能力或物质的衰减作用程度
●T1/2=0.693/μ
Pg20[例题]
1.3.7宽束、多色射线的强度衰减规律
1.宽束射线：
含有散射线成分的射线束
2.多色射线：
由多种波长组成的射线
3.散射线的来源：
在较低能量范围主要来自相干散射；
在较高能量范围主要来自康普顿散射；
4.散射比n：
散射线强度Is与透射线强度Ip之比
●散射比与射线能量、穿透物质种类和穿透厚度有关
-
5.多色射线强度衰减规律
I=I0e-μT
●平均衰减系数μ：
可根据试验数据得出
●线质硬化：
多色射线穿透物质过程中，能量较低的射线分量强度衰减较多而能量较高的射线分量强度衰减较少，这样，透射线的平均能量将高于初始射线的平均能量的现象。
◊线质变硬，平均衰减系数逐渐减小，平均半价层逐渐增大
6.宽束、多色射线强度的衰减规律
I=I0（1+n）e-μT
1.4射线照相法的原理与特点
●射线照相法：
用X射线或γ射线穿透工件，以胶片作为记录信息的器材的无损检测方法.
1.4.1射线照相法的原理
1.主因对比度
I0I0
ΔTT
IpIp’
◊穿过工件后射线总强度：
◊完好部位透射射线强度：
Ip=I0e-μT
◊缺陷部位透射射线强度：
Ip’=I0e-μ（T-ΔT）-μ′ΔT
◊缺陷部位与完好部位透射射线强度差
ΔI=Ip′-Ip=I0e-μt（e（μ-μ′）ΔT-1）
ΔI/I=（e（μ-μ′）ΔT-1）/（1+n）
近似的，ΔI/I=μΔT/（1+n）
●主因对比度ΔI/I：
射线强度差异是底片产生对比度的根本原因
2.影响主因对比度的因素
●透照厚度差ΔT
●线衰减系数μ
●散射比n
4.2射线照相法的特点
●应用广泛，适用多种构件；
●可以得到缺陷的直接图像，长期保存；
●对体积型缺陷检出率高；
对面状缺陷的检出率严重受照射角的影响；
●可以检出缺陷高度为透照厚度的1%；
●检测厚度上限受射线穿透能量的限制；
●对试件的形状和表面状况要求低，不受晶粒大小的影响；
●几乎适用于所有材料；
●成本高，检测速度慢；
●射线对人体有害，需要采用防护措施。
第2章射线检测的设备和器材
2.1X射线机
2.1.1X射线机的种类
1.按结构分
●携带式
●移动式
2.按使用性质分
●定向
●周向
●管道爬行器
3.按频率分
●工频
●变频
●恒频
4.按绝缘介质分
●油绝缘
●气绝缘
2.1.2X射线管
1.X射线管的结构和种类
●普通X射线管的结构：
高真空的二极管。
由阴极、阳极和外壳构成。
◊阴极
构成：
灯丝和凹面阴极头组成。
形状：
平面螺旋形、螺旋管形。
决定焦点的形状。
灯丝的作用：
阴极通电后，灯丝被加热，产生热电子。
阴极头的作用：
阴极头上的电场在电子通过时将电子聚集成一束。
◊阳极
阳极靶、阳极体和阳极罩组成。
阳极靶的作用：
阻挡高速运动的电子，产生X射线。
阳极体的作用：
支承阳极靶，传送靶上的热量。
阳极罩的作用：
吸收二次电子和散乱射线。
射线管的冷却方式：
辐射散热式、充油冷却式、旋转阳极自然冷却。
◊外壳：
玻璃管、金属陶瓷管
●金属陶瓷管特点
◊抗震性强，一般不易破碎；
◊管内真空度高，各项电性能好，寿命长；
◊容易焊装铍窗口；
◊尺寸比玻璃管小得多。
●特殊用途的X射线管
◊周向辐射X射线管
种类：
平靶和锥靶
优点：
工作效率高
◊小焦点X射线管
检测灵敏度高
◊棒阳极X射线管
可对小直径换焊缝进行周向检测
2.X射线管的技术性能
●阴极特性
在一定的管电压下，在阴极的工作温度范围内，较小的温度变化就会引起管电流较大的变化。
Pg33图2-13
●阳极特性
工作在饱和区的X射线管，要改变管电流，只有改变灯丝的加热电流（即改变灯丝的温度）。
Pg33图2-14
●X射线管的管电压
◊管电压：
X射线管承载的最大峰值电压，用kVp表示。
◊有效管电压：
U有效值=0.707U峰值
◊管电压越高，发射的X射线能量越高，穿透能力就越强。
●X射线管的焦点
◊实际焦点：
阳极靶被电子撞击的部分
◊有效焦点：
实际焦点垂直于管轴方向的正投影。
探伤机说明书提
供的焦点尺寸就是有效焦点。
◊有效焦点的形状：
圆焦点（用直径表示）、长方焦点（用（长+宽）
/2表示）、正方形焦点（用边长表示）。
◊焦点大小的影响：
焦点大，有利于散热，可承受较大的管电流；
焦点小，照相清晰度好，底片灵敏度高。
●辐射场得分布
◊定向X射线管机发射的X射线束有40°
左右的立体锥角；
◊阴极侧射线强度比阳极侧高，但阴极侧射线中软射线的成分较多。
●X射线管的真空度
◊射线管的各个部位都可能析出气体；
◊高速运动的电子会使气体发生放电并电离；
◊气体电离后会造成管电流突增；
◊过大的管电流将会导致X射线管被击穿而损坏。
●X射线管的寿命
◊X射线管的寿命：
指射线管的辐射剂量率降为初始值的80%使得累计工作时限。
玻璃管不少于400小时，金属陶瓷管不少于500小时。
◊保证X射线管的寿命的措施
★灯丝必须提前预热；
★使用负荷控制在最高管电压的90%以内；
★保证阳极的冷却；
★按要求进行训机。
2.1.3高压发生电路
1.按波形分
●半波整流
●全波整流
●倍压整流
●恒直流
2.按接地方式分
●阳极接地
●中间接地
2.1.4X射线机的基本结构
1.高压部分
●X射线管
●高压发生器
◇高压变压器：
将220伏的低电压提升到X射线管工作所需要的高电压。
◇灯丝变压器：
将220伏的电压降到X射线管灯丝工作所需要的十几伏的低电压。
◇高压整流管
◇高压电容
★携带式X射线机没有高压整流管和高压电容，所有高压部件均在射线机头内。
移动式X射线机有单独的高压发生器，内有高压变压器、灯丝变压器、高压整流管和高压电容。
●高压电缆：
移动式X射线机用来连接高压发生器和X射线机头的电缆。
2.冷却部分
●油浸自冷方式：
携带式X射线机采用。
●气体冷却方式：
散热片方式和风扇冷却，多用于携带式X射线机。
●循环油（水）外冷方式：
用于移动式X射线机。
3.保护部分
●独立电路的短路过流保护
◇主电路15～20A保险
◇低压电路2～3A保险
●X射线管阳极冷却保护
◇温控开关
◇水通、油通开关
◇过载保护
◇零位保护
◇时间继电器
◇接地保护
◇绝缘气体气压保护
4.控制部分
●管电压调节
●管电流调节
●时间调节
●操作指示部分
2.1.5X射线机的主要技术条件
1.电气性能的一般要求
Pg42-Pg43
2.使用性能的一般要求
●X射线机的穿透能力不低于规定值；
●透照灵敏度不低于1.8%；
●辐射场不允许有缺圆；
●允许漏射线剂量率符合要求。
2.1.6X射线机的使用、维护和修理
1.X射线机的操作程序
●通电前的准备
◇正确可靠连接电源线、电缆线；
◇检查确认电源电压；
◇控制箱可靠接地；
●通电后的检查
◇控制箱电源指示灯亮；
◇冷却系统工作正常；
●训机
●曝光准备
◇管电压预置：
油绝缘机调到零位，气绝缘机预置到规定数值；
◇管电流预置：
油绝缘机调到零位；
◇曝光时间预置：
曝光时间预置到规定数值。
●曝光
◇按下高压开关；
◇油绝缘机均匀调节管电压和管电流到规定数值；
◇曝光过程中若有异常，必须立即切断高压，认真检查并分析原因。
●曝光结束
◇油绝缘机均匀调节管电压和管电流到零位。
2.X射线机使用的注意事项
●认真训机：
训练方法按说明书要求进行。
●可靠接地；
●检查电源电压波动值；
●灯丝预热；
●可靠有效冷却；
●间歇时间。
3.X射线机的维护
●存放环境符合要求；
●搬运、运输皮面剧烈震动；
●保持设备清洁；
●保持各种连线及接头处于良好状态；
●检查机头是否漏油漏气。
2.2γ射线机
2.2.1γ射线源的主要特性参数
1.放射性活度：
γ射线源在单位时间内发生的衰变数。
●单位：
贝可。
符号：
Bq。
●1Bq表示在1秒的时间内有1个原子核发生衰变
●常用单位：
居里（Ci）。
1Ci=3.7×
1010Bq
●放射性活度不等于γ射线源的强度。
同一种源，活度大，强度大。
2.放射性比活度：
单位质量放射源的放射性活度。
贝可/克。
Bq/g。
●比活度反映γ射线源的纯度。
同样条件下，比活度大，放射源尺寸小。
2.2.2γ射线探伤设备的特点
1.γ射线探伤设备的优点
●穿透能力强，检测厚度大；
●体积小，重量轻，不用水、电；
●效率高；
●可连续运行，不受外界条件影响；
●设备故障率低，无易损部件；
●价格低，维护费用低。
2.γ射线探伤设备的缺点
●有一定的半衰期，需要定期更换源；
●射线能量不能调节；
●射线强度不能调节；
●与X射线相比，固有部清晰度高，主因对比度小，灵敏度低；
●对安全防护要求高，管理严格，管理成本高。
2.2.3γ射线探伤设备的分类与结构
1.γ射线探伤设备的分类
●按放射性同位素种类分
●按机体结构分：
直通道形式和S通道形式
●按使用方式分：
便携式、移动式、固定式和管道爬行器
2.γ射线探伤设备的结构
●源组件：
放射性物质、包件和辫子
●探伤机机体
●驱动机构
●输源管
●附件
2.2.4γ射线探伤机的操作程序
Pg50-Pg51
2.2.5γ射线探伤设备的维护及故障排除
1.γ射线探伤设备的维护
●专人负责；
●接头经常擦洗；
●齿轮经常添加润滑剂；
●输源导管要保持清洁，避免重物砸伤；
●软轴要清洗泥沙灰尘；
●使用前认真检查。
2.γ射线探伤设备的操作故障及排除方法
Pg52表2-10
3.γ射线探伤设备的机械故障
●安全连锁失灵：
由厂家处理；
●机械零件损坏：
及时更换；
●机体破碎。
2.3射线照相胶片
2.3.1射线胶片构造与特点
1.片基
2.结合层（黏合层或底膜）
3.感光乳剂层（感光药膜）
4.保护层（保护膜）
2.3.2感光原理及潜影的形成
1.潜影：
胶片受到可见光或X射线、γ射线的照射时，在感光乳剂层中会产生眼睛看不到的影像。
2.潜影的形成：
银离子接收电子还原成银的过程。
3.潜影衰退
潜影形成后，如相隔很长时间才显影，得到的影像比及时冲洗得到的影像淡的现象。
2.3.3底片黑度
1.射线底片
经过射线照射过的胶片，经过显影、定影等化学处理后，胶片上的潜影成为永久可见的图像。
2.黑度
底片的黑化程度。
其数值定义为：
照射光强与穿过底片的透射光强纸币的常用对数值。
2.3.4射线胶片的特性
1.胶片特性曲线
●胶片特性曲线：
表示相对曝光量与底片黑度之间关系的曲线。
●增感型胶片特性曲线
◇曝光迟钝区（又称不感光区）：
胶片灰雾度
◇曝光不足区
◇曝光正常区
◇曝光过度区
◇反转区：
也称负感区
●非增感型胶片特性曲线
2.射线胶片特性参数
●感光度（S）：
以达到净黑度（不包括胶片灰雾度）为2.0时所用的曝光量的倒数作为该胶片的感光度。
◇S=1/Ks
◇胶片颗粒粗，其感光度高。
●灰雾度（D0）：
未经曝光的胶片经暗室处理后也会有一定的黑度，此黑度称为灰雾度（D0）。
又称本底灰雾度。
◇灰雾度由片基光学密度和胶片乳剂层经暗室处理后的固有光学密度组成；
◇感光度高的胶片灰雾度大；
◇保存时间长和保存不当会使灰雾度增大；
◇暗室处理条件也会影响灰雾度。
●梯度（G）：
胶片对不同曝光量在底片上显示不同黑度差的固有能力。
◇梯度用胶片特性曲线上某一点切线的斜率表示；
◇胶片梯度又称胶片反差系数（γ）；
◇平均梯度（平均反差系数）：
以特性曲线上底片净黑度1.5（D1=1.5+D0）和底片净黑度3.5（D2=3.5+D0）两点间连线的斜率。
◇增感型胶片梯度在较低的黑度范围内随黑度增大而增大；
当黑度超过一定数值时，黑度再增大梯度反而减小。
◇非增感型胶片梯度随黑度增大而增大；
随显影温度增高而增大。
宽容度（L）：
底片有效黑度范围内黑度的许用上限值和下限值相对应的曝光量的比值。
◇L=E2/E1
◇梯度大的胶片宽容度小。
2.3.7工业射线胶片系统的分类
1.胶片系统：
指包括射线胶片、增感屏（材质、厚度）和冲洗条件（方式、配方、温度、时间）的组合。
2.胶片分类方法的特点
●以胶片系统而不是以胶片作为分类主体；
●以成像特性而不是以感光特性作为分类依据；
●以明确的数据指标而不是以含混的术语来划分类别。
3.胶片系统的主要特性指标
胶片系
统类别
感光
速度
平均
梯度
感光乳
剂粒度
梯度最小值
颗粒度
最大值
（梯度/颗粒
度）最小值
D=2.0
D=4.0
T1
低
高
微粒
4.3
7.4
0.018
270
T2
较低
较高
细粒
4.1
6.8
0.028
150
T3
中
中粒
3.8
6.4
0.032
120
T4
粗粒
3.5
5.0
0.039
100
2.3.9
升级会员 