射线理论要点.docx
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射线理论要点
第一章射线检测的物理基础
1.1射线的产生及性质
1.1.1射线的分类
射线是宏观上直线高速运动的微观粒子流。
物理学上的射线又称辐射。
射线种类很多，其性质、产生机理、与物质作用时的行为也各不相同，有人为产生的射线，也有客观存在的射线。
按射线粒子是否带有电荷可做如下分类：
1、带有电荷的射线
带有电荷的射线种类很多。
根据所带电荷性质不同又可把它们分为带正电荷的射线和带负电荷的射线。
前者如：
α射线、质子射线等；后者如β射线（电子束）等。
2、不带电荷的射线
这类射线如x射线、γ射线、中子射线等。
这些微观粒子本身都不带电荷，其中中子射线是一种实际存在的物质粒子，有质量、大小；而x、γ射线是没有静止质量、几何尺寸，但有一定能量的光量子。
实质上，x、γ射线的本质都是电磁波的一部分。
如图1-1所示：
辐射波长单位:
埃（Å）
10610510410310210110-110-210-310-410-5Å
（105）（104）（103）（102）（10）
（1）（10-1）（10-2）（10-3）（10-4）（10-5）（10-6）nm
可x射线
无线电波红外线见紫外线γ射线宇宙射线
光
图1-1电磁波谱
因为x、γ射线不带电荷，没有质量，所以它们不受电磁场的影响，在与物质作用时有较强的穿透力，一般射线探伤用的都是x、γ射线，而中子射线和高能射线探伤只在很小范围内使用，所以这里只对x、γ射线进行讨论。
1.1.2射线的产生
1、X射线（亦称“伦琴射线”）的产生
根据经典的电磁理论，高速运动的带电粒子受阻会产生电磁辐射，亦称韧致辐射。
在射线管两极高电压的作用下，从阴极发出的电子会得到加速，高速运动的电子在受到阳极靶的阻遏时将产生韧致辐射，使一部分能量转变成x射线，而绝大部分则以热能形式释放出来。
产生x射线的基本条件：
（1）要有一定数量的电子
（2）电子向一定方向高速运动（3）在电子前进的路径上，有阻止电子运动的障碍物。
2、γ射线的产生
质子数相同而中子数不同的元素称为同位素。
同位素有稳定和不稳定两种，不稳定同位素也叫放射性同位素，它会自发蜕变，变成另一种元素，同时放出各种射线，这种现象称为放射性衰变。
γ射线是放射性同位素经过衰变（α或β）后，从激发态向稳定态过度的过程中，从原子核内发出的。
以放射性同位素Co60为例，Co60经过一次β衰变成为处于2.5兆电子伏特激发态的Ni60，随后放出能量分别为1.17MeV和1.33MeV的两种γ射线而跃迁到基态。
1.1.3射线的特性
1、射线的能量与强度
能量是指单个的光量子的能量或多个光量子的能量的平均值。
光量子的能量（E）与频率（υ）成正比。
E=hυ=hc/λ（1.1）
式中λ—射线的波长c—射线传播速度h—普朗克常数（h=6.625×10-34）
X射线的能量由射线管两端所加的电压决定。
γ射线的能量由放射性同位素的种类决定。
一种放射性同位素可能放出许多种能量的γ射线，对此取其所辐射的所有能量的平均值作为该同位素的辐射能量。
例如Co60的平均能量为（1.17+1.33）/2=1.25MeV。
能量越高,线质越硬,穿透力越强。
x、γ射线的强度是指单位时间内通过单位面积的所有光量子的能量和。
10
相
对8
强6
度4
2
钨靶35KV
（Z=74）
钼靶35KV（Z=42）
2、射线的谱线特征
（1）X射线
X射线是由于韧致辐射所产生的，所以它的本质是电磁波，图1-2是x射线的波谱分布图，从图中可以看出x射线分为连续谱和标识谱（特征谱）。
00.20.40.60.81.0波长Å
当电子（撞击阳极靶）能量（kev）不超过某一限定（靶金属k层结合能）时，仅为连续谱；如超过某一限度则除连续谱以外，还迭加一些标识谱。
图1-2x射线波谱分存布
连续谱的产生及特点
大量电子与靶相撞，减速过程各不相同，少量电子经一次减速就失去全部动能，而大多数电子经多次制动逐步丧失动能，这就使得能量转换过程中所发出的电磁辐射可以具有各种波长，因此x射线的波谱呈连续分布。
连续谱存在着一个最短波长λmin,其数值只依赖于外加电压 V而与靶材料无关，如果一个电子在电场中得到动能E=eV与靶一次撞击,这些动能全部转换为辐射能，则辐射的波长可按下式计算。
E=eV=hυ=hc/λmin（1.2）
则
（1.3）
式中：
h—普朗克常数（h=6.625×10-34）；C—光速（c=3×108m）；e—电子
电量（e=1.6×10-19）；V—管电压（单位：
千伏）
连续谱中最大强度对应的波长λIM=1.5λmin（1.4）
在实际检测中，以最大强度波长λIM为中心的邻近波段的射线起主要作用。
连续x射线的总强度IT可用连续谱曲线下所包含的面积表示（积分法）。
试验证明，IT与管电流i，管电压V，靶材料原子序数Z有以下关系：
IT=KiiZV2（1.5）
式中，Ki—比例常数，Ki≈1.1~1.4×109
管电流越大，表明单位时间撞击靶的电子数越多；管电压增加时，虽然电子数目未变，但每个电子所获得的能量增大，因而短波成份射线增加，且碰撞发生的能量转换过程增加；靶材料的原子序数越高，核库仑场越强，韧致辐射作用越强，所以靶一般采用高原子序数的钨制作。
上述关系可参见图1-2和1-3。
200KV
100KV
100KV
10mA
5mA
810mA
相相
对对
强强
度度
II
λminλmin1λmin2
（a）不同管电流（b）不同管电压
图1-3x射线谱
X射线的产生效率η等于连续x射线的总强度IT与管电压V和管电流i的乘积之比，即：
（1.6）
可见x射线的产生效率与管电压和靶材料原子序数成正比。
在其他条件相同的情况下，管电压越高，x射线的产生效率越高；管电压的高压波形越近恒压，x射线的产生效率也越高。
当电压为100KV时，x射线的转换效率约为1%，而产生4MeVx射线的加速器，其转换效率约为36%。
由于输入能量绝大部分转换为热能，所以x射线管必须有良好的冷却装置，以保证阳极不被烧坏。
标识谱的产生和特点
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，因此，把这种标识靶材料特征的波谱称为标识谱，VK称为激发电压。
不同靶材的激发电压各不相同，例如图1-2中，管电压35KV时，低于钨的激发电压（Vk=69.34KV）高于钼的激发电压（Vk=20.0KV）,所以，钼靶的波谱上有标识谱而钨靶的波谱上没有标识谱。
标识x射线强度只占x射线总强度极少一部分，能量也很低，所以在工业射线检测中，标识谱不起什么作用。
（2）γ射线
γ射线的光谱称为线状谱，谱线只出现在特定波长的若干点上。
如图。
1.0
相0.81.17Mev1.33Mev
对0.6
强0.4
度0.2
0.51.01.52.0（Mev）
衰变规律及半衰期
放射性同位素的原子核衰变是自发进行的，对于任意一个放射性核，它何时衰变具有偶然性，不可预测，但对于足够多的放射性核的集合，它的衰变规律服从统计规律，是十分确定的。
放射性同位素衰变掉原有核一半所需时间，称为半衰期，用T1/2表示，当t=T1/2时,N=N0/2,由式（1.8）式可得
T1/2=ln2/λ=0.693/λ（1.9）
T1/2也反映了放射性物质的固有属性，λ值越大，T1/2越小。
几种常用γ源
探伤常用的γ源目前多采用人工放射性同位素制造,通常所用γ源有Co60（钴）、Cs137（铯）、Ir192（铱）、Tm170（铥）等,其特性与参数见表2-2。
1.1.4X射线和γ射线的性质
1、X射线、γ射线的性质
X射线、γ射线就其本质而言都是电磁波，正因它们是比可见光波长更短的电磁波，所以除了具有一些可见光所具有的特性外，还有其特有的性质，概括起来，它们有如下性质：
（1）不可见，以光速直线传播。
（2）不带电荷，不受电磁场的干扰。
（3）能穿透金属等可见光不能穿透的物质。
（4）有反射、折射、衍射、干射现象，但不太明显。
（5）能被物质吸收和散射。
（6）能使气体电离。
（7）能使某些物质发生荧光作用。
（8）能使胶片感光。
（9）能杀伤有生命的细胞。
2、X射线、γ射线在探伤应用中的比较
X射线、γ射线它们的相同点是都属于电磁波，而不同之处在于它们产生机理不同。
X射线是由于高速运动的电子被阻遏时的跃迁产生的，而γ射线是由于放射性同位素在自发衰变时原子核能级之间的跃迁产生的。
正是由于它们的产生机理不同，所以它们在探伤中就各有优缺点。
（1）x射线可通过调节管电压、管电流透照在穿透情况下的任意厚度，而γ射线的能量只取决于源的种类，对同种源来讲射线能量和穿透能力一般是固定的。
（2）γ射线与x射线相比，它的波长更短，穿透能力更强。
但物质对γ射线的吸收要比x射线弱，所以用γ射线拍出的底片对比度小。
又因为γ射线源的焦点就是放射性同位素的几何尺寸，所以往往焦点比x射线机焦点要大，所以得到底片的几何不清晰度较大。
（3）γ射线源发出的射线在整个空间中都有，而对x射线机即使周向机也只有在一个环周上有射线的存在，所以对于大型容器，尤其是球型容器，γ射线的效率要比x射线机的效率高。
（4）因为x射线机受电力支配，而γ射线源不需电源，不需冷却，所以对于缺少电源缺少自来水的现场工地，γ射线比x射线机更方便,更因为γ射线源比一般x射线机要小巧,所以对一些形状特殊的工作,γ射线探伤更是显出其优越性。
（5）因为γ射线射线设备不能随意关闭，所以从安全因素上对环境污染与操作方面十分麻烦，防护与管理上的要求也更高。
1.2射线与物质的相互作用
射线通过物质时，会与物质发生相互作用而强度减弱，导致强度减弱的原因可分为两类，即吸收和散射。
吸收是一种能量转换，光子的能量被物质吸收后变为其他形式的能量；散射会使光子的运动方向改变。
在x射线和γ射线能量范围内，光子与物质作用的主要形式有：
光电效应、康普顿效应、电子对效应，当光子能量较低时，还必须考虑瑞利散射。
射线通过物质时的强度衰减遵循指数规律，衰减情况不仅与吸收物质的性质和厚度有关，而且还取决于辐射自身的性质。
1.2.1光电效应
当光子与物质原子的束缚电子作用时，光子把全部能量转移给某个束缚电子，使之发射出去，而光子本身消失掉，这一过程称为光电效应，光电效应发射出的电子叫光电子，该过程如图1-5所示。
原了吸收了光子的全部能量,其中一部分消耗于光电子脱离原子束缚所需的电离能（电子在原子中的结合能）,另一部分就作为光电子的动能。
所以，发生光电效应的前提条件是光子能量必须大于电子的结合能。
释放出来的光电子能量Ee与入射光子能量hυ以及电子所在壳层的结合能Ei之间有如下关系：
Ee=hυ-Ei（1.10）
光电效应的发生几率与射线能量和物质原子序数有关,它随着光子能量增大而减小,随着原子序数Z的增大而增大。
原子核
原子反冲电子e
Ф
入射光子hυ
入射光子hυ电子θ
e-光电子
散射光子hυ′
图1-5光电效应的示意图图1-6康普顿效应的示意图
1.2.2康普顿效应
在康普顿效应中,光子与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,如图1-6所示,hυ和hυ′为入射和散射光子能量,θ为散射光子与入射光子方向间夹角,称为散射角,Ф为反冲电子的反冲角。
康普顿效应总是发生于自由电子或原子的束缚最松的外层电子上，入射光子的能量和动量由反冲电子和散射光子两者之间进行分配，散射角越大，散射光子的能量越小，当散射角θ为1800时，散射光子能量最小。
康普顿效应的发生机率大致与物质原子序数成正比，与光子能量成反比。
1.2.3电子对效应
当光子从原子核旁经过时，在原子核的库仑场作用下，光子转化为一个正电子和一个负电子，这种过程称为电子对效应，如图1-7所示。
根据能量守恒定律，只有当入射光子能量hυ大于2m0C2即hυ>1.02MeV时，才能发生电子对效应，入射光子的能量除一部分转变为正负电子对的静止质量（1.02MeV）外,其余就作为它们的动能。
与光电效应相似，电子对效应除涉及入射光子和电子对外，必须有一个第三者—原子核参加，才能满足动量和能量守恒。
e+
原子核
正负电子对
入射光子hυ
e_
图1-7在原子核库仑场中的电子对效应
电子对效应产生的快速正电子和电子一样,在吸收物质中通过电离损失和辐射损失消耗能量,很快被慢化,然后与吸收物质中一个电子相互转化为两个能量为0.51MeV的光子,这种现象称电子对湮没。
1.2.4瑞利散射
瑞利散射是入射光子和束缚较牢固的内层轨道电子发生的弹性散射过程（也称为电子的共振散射）。
在此过程中，一个束缚电子吸收入射光子而跃迁到高能级，随即又放出一个能量约等于入射光子能量的散射光子，由于束缚电子未脱离原子，故反冲体是整个原子，从而光子的能量损失可忽略不计。
瑞利散射是相干散射的一种，所谓相干散射，是指散射线与入射线具有相同波长，从而能够发生干涉的散射过程。
瑞利散射的几率和物质的原子序数及入射光子的能量有关，大致与物质原子序数Z的平方成正比，并随入射光子能量的增大而急剧减小。
当入射光子能量在200KV以下时，瑞利散射的影响不可忽略。
1.2.5各种相互作用发生的相对几率
光电效应、康普顿效应、电子对效应的发生几率与物质的原子序数和入射光子能量有关，对于不同物质和不同能量区域，这三种效应的相对重要性不同，图1-8表示各种效应占优势的区域,可以看出:
1.对于低能量射线和原子序数高的物质,光电效应占优势。
2.对于中等能量射线和原子序数低的物质，康普顿效应占优势。
3.对于高能量射线和原子序数高的物质，电子对效应占优势。
光电效应电子对效应
占优势占优势
康普顿效应
占优势
80（%）100
σC
στσe
z6080
60
4040
2020
0.010.1110100125125125125
E（MeV）×0.01×0.1×1×10×100
图1-8按光子能量和原子序数来表示的光子能量（MeV）
三种相互作用占优势的区域图1-9铁中各种效应的发生几率
图1-9表示射线与铁相互作用时,各种效应的发生几率,由图中可见看出:
当光子能量为10KeV时,光电效应占优势,随着能量的增大,光电效应逐渐减小,而康普顿效应的作用却逐渐增大,稍过100KeV,两种效应相等,瑞利散射在此能量附近发生比率达到最大,但也不超过10%。
在1MeV左右，射线强度的衰减几乎都是康普顿效应造成的。
光子能量继续增大，由电子对效应引起的吸收逐渐增大，在10MeV左右，电子效应与康普顿效应作用大致相等。
超过10MeV以后，电子对效应的比率越来越大。
各种效应对射线照相质量产生不同的影响。
例如，光电效应和电子对效应引起的吸收有利于提高照相对比度，而康普顿效应产生的散射则会降低对比度。
对轻金属试件照相质量往往比重金属试件照相质量差。
使用1MeV左右能量的射线照相，其对比度往往不如较低能量射线或更高能量射线，这些都是康普顿效应的影响造成的。
1.3射线在物质中的衰减规律
1.3.1射线在物质中的衰减规律
射线通过物质后,总强度衰减了,射线强度的衰减来自于两个方面——吸收和散射。
当射线通过物质时，随着贯穿行程的增加，射线强度衰减增大。
射线的衰减程度不仅与穿透物质的厚度有关，而且还与射线的线质（即能量）有关，与物质的密度和原子序数等都有关。
一般来说，射线的波长越短，能量越大，衰减就越小，物质的原子序数越大，密度越大，衰减就越大。
但它们之间并不是简单的直线关系，而是呈指数规律衰减。
对于单色单束（一种频率的平行射线束）它在物质中的衰减规律为：
I=I0e-μT（1.11）
式中：
I0——入射线的初始强度值，
I——射线通过物质层T以后的强度，
μ——物质对射线的衰减系数，
T——通过物质层的厚度，
e——自然对数的底。
在实际探伤工作中使用的x射线和γ射线，并非是理想的单色单束，x射线为多色多束，而γ射线为单色多束，对于多色多束射线来说它的衰减规律和单色单束射线在物质中的传播规律是有区别的。
首先，探伤时所使用的射线一般为连续射线，这就使得衰减系数μ实际上是个变量，在射线穿过物质的初始部分，μ值较大，随着穿透层的深入，射线的线质逐渐变硬，衰减系数μ也就减小了。
考虑到这种情况，衰减系数μ可取平均值。
实质上探伤时射线还是宽束的，这就必须考虑散射线的影响，因为散射线的作用结果使穿过物质后射线强度还应包括散射线成分。
即实际通过物质T层后，射线强度为垂直透过的射线强度Ip和散射线强度Is的和，即：
I=Ip+Is
考虑了多束色情况后，（并引入散射比n）表示射线在物质中的衰减规律的
1-11式可修正为：
I=（1+n）I0e-μT（1.12）
式中，n为散射比，它是散射占垂直透过射线强度的比。
即n=Is/Ip
1.3.2衰减系数与半价层
在式（1-11）中，μ为衰减系数，它的物理意义是单位射线强度在穿过单位物质厚度时的衰减量，也称它为线衰减系数。
因为导致射线强度衰减的有吸收和散射效应，所以线衰减系数是三个效应对强度衰减的贡献之和，即：
μ=μτ+μc+μe（1.13）
式中，μτ——光电效应对衰减系数的贡献，
μc——康普顿散射对衰减系数的贡献，
μe——电子对效应对衰减系数的贡献。
线衰减系数μ是入射光量子的能量（hυ）和穿过物质的原子序数Z的函数。
μ∝K.λ.Z3（1.14）
K--比例系数λ--射线波长Z--被透物质的原子序数
射线能量越大，物质原子序数越小，线衰减系数就越小，相反，射线能量越低，穿过物质的原子序数越大，线衰减系数越大。
半价层：
射线在物质中传播时，强度衰减到原来的一半时穿过物质的厚度。
有时也叫半阶层。
如果用H1/2来表示半价层，它与线衰减系数关系如下：
由（1-11）式可得：
经数学整理后得到：
H1/2=0.693/μ（1.15）
即射线穿过物质的半价层与物质对这种射线的衰减系数的乘积为一常数.物质对射线的衰减系数越大,它的半价层就越小,相反,物质对射线的衰减系数越小,其半价层厚度就越大。
第二章射线检测设备和器材
2.1X射线机
2.1.1X射线机的分类
1、按结构划分
1）携带式X射线机体积小，重量轻，适用于野外、高空作业。
2）移动式X射线机体积和重量较大，能量大，mA连续可调，工作效率高，适用于固定探伤室。
2、按辐射方向划分
1）定向X射线机辐射角是40°的圆锥角。
细分又分为定向玻璃管和定向波纹陶瓷管；
2）周向X射线机又分为周向锥靶机（辐射角360°×±12°）和周向平靶机（辐射角360°×24°）。
3、按绝缘方式划分
1）油绝缘X射线机使用45号或25号变压器油绝缘。
体积大，重量重，是一种已经被淘汰的机型。
2）气绝缘X射线机采用高压绝缘气体六氟化硫（SF6）绝缘。
体积小重量轻，控制、保护功能齐全，是目前使用最多的机型。
4、按工作频率划分（给高压发生器的初级提供的信号频率）
1）工频机工作频率50HZ，如油绝缘携带式X光机。
2）变频机工作频率在170HZ～300HZ范围内变化。
在改变KV的过程中，为使管电流稳定在某一特定值（如5mA），采取改变初级信号的占空比，而脉冲宽度保持不变即改变信号的频率来实现。
是目前使用最为普遍的机型。
3）恒频机实现恒频有两种方式，一种是占空比、频率及脉宽均不变，灯丝加热是单独的一套电路，通过对管电流的跟踪取样检测，调整灯丝的加热电流，也能实现稳定管电流的目的。
如日本东芝射线机。
另一种是占空比改变，但频率不变。
4）高频机工作频率在KHZ量级，可大大缩小高压发生器的体积，是携带式X射线机的发展方向，尚未推向市场。
另外，还有一种便携式恒压X射线机，加在X光管上的电压是恒电压，使X光管工作时所通过的直流纹波相当平稳。
，最低20KV启动，0～10mA连续可调，100%工作效率。
工业探伤常用的国产变频充气X射线机及性能参数。
型号
特性说明
管电压
KV
管电流
mA
最大穿透A3（mm）
发生器重量（kg）
焦点
（mm）
XXQ-2505
定向辐射玻璃管
150-250
5
38
36
2.0×2.0
XXH-2505
（XXHA-2505）
周向平靶玻璃管
（周向锥靶玻璃管）
150-250
5
37
（34）
36
1.0×2.4
（1.0×5.0）
XXG-2505
定向辐射陶瓷管
150-250
5
39
25
2.0×2.0
2.1.2X射线机的结构
1、X射线管（X光管）
1）X射线管的结构
X光管主要有阴极、阳极和外壳三部分组成。
如图2-1
图2-1X射线管示意图
阴极：
X光管的阴极是发射电子和聚焦电子的部位。
主要有灯丝和阴极头组成。
当阴极通电后，灯丝被加热，发射电子，并被阴极头聚成一束，在高压电场的作用下，飞向阳极轰击靶面，产生X射线。
阳极：
X光管的阳极是产生X射线的部分，主要有阳极靶、阳极体、阳极罩组成。
由于产生X射线时，高速运动的电子撞击阳极靶约有1%的能量转换为X射线，绝大部分转化为热能，使靶面温度升高，因此，X光管在工作中阳极的冷却十分重要。
如冷却不及时，阳极过热会排出气体，降低X光管的真空度，严重时可以将靶面熔化以至龟裂脱落，使整个管子丧失工作能力。
阳极靶一般采用原子序数较大，耐高温的钨来制造。
阳极体的作用是支承靶面，传送靶上的热量，避免钨靶烧坏。
一般采用导热率大的无氧铜制成。
电子撞击阳极时，所产生的二次电子落到X光管外壳的内壁上形成表面电荷，将对电子束产生不良影响，用铜制成的阳极罩可以吸收二次电子，防止这种影响。
在阳极罩正对靶面的斜面处开有能使X射线通过的窗口，窗口上装有对X射线吸收较少且原子序数很小的元素玻。
X光管的散热方式一般有以下几种：
①辐射散热式、强制风冷：
多用于携带式气绝缘X射线机上。
②冲油冷却式：
这种X射线管的阳极制成空腔式，用外循环油通过空腔来冷却。
多用于移动式X射线机中。
③旋转阳极自然冷却:
多用于大电流的医疗机中，常采用一种旋转阳极式的X光管。
用旋转阳极制成的X光管，不但可以得到较小的焦点，而且可以通过较大的电流，制成较大功率的X光管。
外壳：
外壳一般用耐高温玻璃和金属陶瓷制成，使内部形成10-6mmHg以上的真空空腔。
伸出壳体外的阳极和阴极灯丝与壳体的结合处，要进行特殊工艺处理，不能漏气。
2）X射线管的类型
按辐射方向划分：
有定向和周向两种。
定向X
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