2第二章 射线检测.docx
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2第二章射线检测
第二章射线检测
§2.1射线检测概述
1定义
射线检测是利用各种射线对材料的透射性能及不同材料对射线的吸收、衰减程度的不同，（使底片感光成为与材料内部结构及缺陷相对应的黑度不同的图像），检测出物体内部缺陷的种类、大小、分布状况并做出评价的一种无损检测技术。
2分类
3历史
1895年，德国科学家伦琴（1901年诺贝尔物理学奖）利用气体放电管（阴极射线管和铂氰化钡荧光屏）在实验室中发现了一种可以穿透物体的贯穿性辐射，由于当时对这种辐射的性质还不了解，因此被命名为X射线（也称伦琴射线）。
时隔一年，由法国的亨利·贝克勒尔（和皮埃尔·居里夫妇（钋Po；镭Ra）一起获1903诺贝尔物理学奖）在利用铀盐和感光板进行实验时，发现了铀能发射出一种类似于X射线的辐射线；称为放射性。
（英国物理学家卢瑟福（1908诺贝尔化学奖）发现，实际辐射里面含有γ射线，α射线（He＋＋），β射线（负电子流），并认为：
辐射是某些元素的特征，产生这种辐射的原子以其特有的速率变成为新的原子（嬗变），这种辐射就是射线。
这称为放射性。
卢瑟福提出有核原子模型，人们开始用射线（α粒子）轰击原子核（汤姆逊：
无核原子模型）
英国物理学家查德威克1932年发现中子（1935年诺贝尔物理学奖），1934年，意大利，费米开始用中子射线轰击铀原子（获1938年诺贝尔物理学奖）。
（高纯度石墨减速→慢中子→链式反应→原子弹，1942,镉棒，芝加哥大学）
（增殖系数）
1911年，德国的米勒博士，制造出第一只X光管。
1915年，利用X射线，透照物体，获得物体影像，最早的射线照像技术。
第二次世界大战，美、苏等国开始采用X射线和γ射线对飞机的重要零部件进行射线照像。
经过几十年的发展，射线探伤已成为一门比较成熟的无损检测技术。
§2.2射线检测的物理基础
1射线分类
分为电磁辐射和粒子辐射两种
Ø电磁辐射：
波长较短的电磁波，其辐射的能量子为光（量）子；
Ø粒子辐射：
速度高、能量大的粒子流
✧X射线：
λ＝0.0006～100nm，常用λ＝0.001～0.1nm；（比紫外线更短）
✧γ射线：
λ＝0.0003～0.1nm，穿透能力更强；（适用于大厚度材料）
✧中子射线：
λ＝0.152nm（0℃）；λ＝0.130nm（100℃），常用于特殊部件（例如放射性核燃料元件）
2射线的产生
1）X射线的产生
X射线发生器
阴极灯丝通电加热→放出电子→在高电压作用下，飞向靶面→撞击阳极靶面→产生X射线。
（轫致辐射）
①连续X射线
在X射线管中，高压电场（几万伏~几十万伏）加速了阴极电子，当具有很大动能的电子达到阳极靶面表面时，由于其猝然停止，它所具有的动能必定转化成为电磁波的形式辐射出去。
由于电子被停止的时间和条件不同，所以辐射的X射线具有连续变化的波长，称为连续X射线。
（E=hv）
②特征X射线（标识X射线）
如果电子的能量达到相当数值，即足以打出靶原子（钨、钼）内壳层上的一个电子，该电子或者处于游离状态，或者被打到外壳上的某一位置，于是内壳层上就有一空位，临近壳层上的电子便来填空，这样就产生相邻壳层之间的电子跃迁，这种跃迁将发射出线状的X射线。
显然这种X射线与靶金属原子的结构有关，因此称其为标识X射线或特征X射线。
（能量（波长）一定）（E＝hν）。
实际中的X射线中既有连续谱，又有特征谱，但主要是前者。
2）γ射线的产生
天然放射性同位素产生，如镭（Ra）226，铀（U）235
人工放射性同位素产生，如钴（Co）60，铱（Ir）192
3）中子射线的产生
用质子、氘核、α粒子或其他带电粒子或γ射线轰击原子核，给予原子核能量超过中子的结合能时，中子便被释放出来。
3射线的特性
1）具有穿透物质的能力
X射线、γ射线：
原子序数↑→吸收↑→穿透↓；
中子射线：
原子序数↑→吸收↓→穿透↑。
2）电中性
3）波粒二象性
存在折射、反射、干涉、衍射等现象
4）能使气体电离，杀死细胞
注意防护问题
4射线与物质的相互作用和衰减定律（X，γ射线）
1）射线与物质的相互作用
射线穿过物质时，将与物质中的原子发生撞击，产生能量转换。
主要有以下三个过程，光电效应，康普顿效应，电子对的产生；另外还有少量的汤姆逊效应。
①光电效应
E<1MeV
光子消失，光子的能量把电子从原子中逐出，剩余能量作为电子的动能被带走。
（次级标识X射线是外层电子填空跃迁所释放出来的能量）
②康普顿效应（散射）
一个光子撞击到一个电子时只释放它的一部分能量，结果光子的能量减弱，并在与初始方向成θ角的方向上散射，而电子则和射线初始方向成φ角的方向上散射（能量守恒）（1923年发现，1927年获诺贝尔奖）（康普顿-吴有训效应）
③电子对效应
E>1.02MeV，能量较大；
一个具有足够能量的光子释放出它的全部动能而形成一个电子和正电子，发生在原子核附近。
E＝hν≥1.022MeV，电子的质量相当于0.511MeV质量。
④汤姆逊效应
射线与物质中带电粒子相互作用，产生与入射波波长相同的散射线的现象。
能量略减小，类似于弹性碰撞。
⑤瑞利散射（略）
2）射线的衰减定律
射线的衰减是由于射线光子与物质之间发生相互作用而产生光电效应、康普顿效应，电子对效应、汤姆逊效应等，使射线被吸收和散射引起的。
由此可知，当射线通过物质时，随贯穿行程的增大，则射线之衰减愈严重，即物质愈厚，则穿透它的射线衰减愈严重。
衰减不仅和材料厚度有关，而且与射线的性质（λ）、物质的性质（密度和原子序数）有关。
一般，厚度↑，λ↑，ρ↑，Z↑→衰减↑
对于单色平行射线，存在：
其中，K为与ρ相关的系数；Z为原子序数；λ为入射线波长；μ为线衰减系数；I为透射线强度；I0为入射线强度。
§2.3X射线检测的基本原理与方法
1基本原理
当射线通过被检工件时，由于射线与物质之间的相互作用，发生吸收和散射而产生衰减，其衰减程度，则因被通过的部位的材质、厚度及存在的缺陷的性质的不同而不同。
一般情况下，透过有缺陷部位的射线强度高于无缺线部位的射线强度（缺陷对射线的衰减能力弱），因而可以通过检测透过被检工件后的射线强度的差异，来判断被检工件中缺陷的有无、大小、方位等信息。
假设一般缺陷的线吸收系数小于被测工件本身材料的线衰减系数，即有：
μ>μ/，则：
Ix>Id>Ih
因而，在被检工件的另一面就形成了一辐射线强度不均匀的分布图，通过一定的方式将这种不均匀射线强度分布进行记录或显示，就可以评定被检工件的内部质量。
2检测方法
照相法，电离检测法，荧光屏直接观察法，电视观察法，X射线断层扫描技术（计算机CT）。
1）照相法
利用射线感光材料（胶片），放在被透照工件的后面接受来自于透过工件的强度不均匀分布的射线，利用射线与胶片乳剂的相互作用，在胶片上形成“潜影”，经暗室处理后，就会显示工件的内部结构的图像，根据胶片上影像的形状及黑度的不均匀程度，就可以对工件中缺陷的有无、形状、大小，位置及性质做出判定。
灵敏度高，直观可靠，重复性好，成本低，是射线检测法中应用最为广泛的一种方法。
本章将对其进行重点介绍。
2）电离检测法
X射线通过气体时，撞击气体分子，使其中某些原子（分子）失去电子而成为正离子，而有的气体原子（分子）得到电子而成为负离子，离子在电场作用下产生电离电流，透射射线的强度不同，电离电流强度也不同。
因此，如果将透过工件的X射线再通过电离室，通过监测电离电流值就可以获得透射射线的强度值，从而可以对工件内部缺陷情况做出判断。
该方法的特点是：
可以对产品进行连续的自动化监测，效率高，成本低。
但只适用于形状单一，表面平整的工件。
3）荧光屏直接观察法
将透过被检工件的强度分布不均匀的射线，透射到涂有荧光物质的荧光屏上，激发出不同强度的荧光来，成为可见影像，从而可以从荧光屏上直接辨认缺陷的方法。
（它所看到的缺陷影像与照相法在底片上所得到的影像的黑度正好相反）
成本低，效率高，可连续检测，形状简单，要求不严。
（减少X射线对人体的影响，铅玻璃，45O二次反射）
从荧光屏上观察到的缺陷，如需复查，可用照相法或录像法，将其摄录下来。
4）电视图像观察法
为3）的发展。
即在荧光屏的后面加装电视摄像机和接收机。
而一般荧光屏所发出的亮度还不能通过电视摄像机将其摄录，因此，荧光屏上的可见影像需要通过光电倍增管增强图像，才能送入电视设备显示。
输入转换屏：
将射线转换为荧光发射；
光电层：
将荧光转换为电子发射；
输出屏：
电子能量转换为荧光发射
特点：
自动化程度高，可观察动态及静态图像，但其检测灵敏度比照相法低，对形状复杂的零件检查困难。
5）射线计算机断层扫描技术（CT,ComputerTomography）
§2.4X射线照相检测技术
X射线照相检测系统主要由射线源、射线胶片（底片）、透度计（像质计）、增感屏、铅罩（铅光阑）等组成。
1照相法的灵敏度及透度计
1）灵敏度
X射线检测的灵敏度是指发现最小缺陷的能力，即所能发现的缺陷越小，则检测的灵敏度越高。
它是检测质量的标志。
有两种形式：
①绝对灵敏度
射线底片上能发现的，被检工件中与射线方向平行的最小缺陷尺寸。
（与工件厚度相关，有问题）
②相对灵敏度
实际中多用②
射线底片上能发现的被检测工件中与射线方向平行的最小缺陷尺寸与试件厚度的百分比。
在实际照相中，要确定缺陷的实际尺寸较为困难，因此，要采用透度计来做参考比较。
2）透度计
能探测到的自然缺陷的实际最小尺寸是缺陷的几何形状、方位和吸收系数的综合函数。
槽式透度计：
1％；
实际缺陷灵敏度：
3.5％～6％
透度计通常用与被检工件材质相同或衰减性能相似的材料制作。
检测时，将透度计置于工件待检部位附近，在底片上同时出现影像。
放在工件上的透度计图像，可以表明工件是在一定条件下进行检测的，但透度计的指示数值（孔径、槽深或丝径），并不等于被检工件中可以发现的缺陷的实际尺寸。
主要有两种：
槽式透度计和金属丝透度计。
①槽式透度计
（h＝0.1～6mm）
②金属丝透度计
7～11根直径不同的（0.1～4mm）的金属丝（钢铁铜铝）平行排列在粘紧着的两块塑料板之间而构成。
布置原则：
保守。
即将透度计摆在灵敏度最低的区域（工件上靠近射线源的一侧；靠近射线场边缘；小直径、浅槽远离射线中心）
2增感屏
可增加感光时间
X射线，因其波长短，因此对胶片的感光效果差。
一般只有1％的射线能量能够被胶片吸收而感光，使影像显示出来。
因此，必须采用某些增感物质，在射线作用下能够
激发出荧光或产生次级射线，而对胶片加强感光作用。
这就要用到增感屏。
一面或两面
根据材质及增感机理不同，可分为荧光增感屏、金属增感屏和金属荧光增感屏。
1）荧光增感屏
将荧光物质（例如：
CaWO4）均匀涂布在质地均匀而光滑的支持物（硬纸或塑料薄板），再覆盖一层薄薄的透明保护层而形成的。
依靠荧光物质在射线的激发之下发出荧光来增加曝光量。
2）金属增感屏
金属增感屏在射线照射时产生β射线，和次级标识X射线来增加对胶片的曝光量。
高原子序数材料：
铅（Pb（82））、锡（Sn（50））、金（Au（79））箔。
3）金属荧光增感屏
就清晰度而言，金属增感屏>金属荧光增感屏>荧光增感屏
3射线感光胶片和暗室处理
1）感光胶片
①胶片构造
射线感光胶片是将感光乳剂涂布在片基上形成的。
由于射线的穿透性强，为了吸收更多的射线能量，缩短曝光时间，需要在片基的两面均涂布乳剂，因此射线感光胶片的厚度大于普通感光胶片。
结构如图所示：
片基：
乳剂的支持体，赛璐珞（硝酸纤维（不安全胶片），醋酸纤维（安全胶片）），涤纶；
感光乳剂：
明胶、银和卤族元素的化合物颗粒（溴化银和微量碘化银），在射线作用下会发生光化反应；
保护膜：
明胶，保护乳剂层不受损害，增感；
树脂：
使乳剂层牢固地粘附在片基上。
②感光胶片的摄像作用
胶片上的感光乳剂（溴化银），在光（射线）的照射下，因光化学作用，使溴化银分解成为银和溴：
在胶片乳剂中，随光照（射线）强度的不同，析出不同程度的Ag来，这些金属银所在的晶粒，形成所谓的“潜影中心”，由具有潜影中心的溴化银晶粒所组成的像，称为“潜像”，也就是说，这是乳化剂内形成的像是看不见的。
2）胶片的暗室处理
胶片曝光后，乳剂中会产生“潜影”，还需要经过一系列的暗室处理过程，如显影、定影、水洗和干燥等工序，才能把潜影变成可见的影像，供检测和保存。
①显影
化学显影
（已曝光的溴化银）＋（显影剂）→
（金属银）＋（显影剂的氧化物）＋（可溶性溴化物）
显影过程，是利用显影剂使乳剂中因感光而存在的“潜影中心”的溴化银晶粒还原为银，而溴离子则形成可溶性的溴化物，溶于显影剂中。
②定影
把未曝光的溴化银溶解掉，而已显影还原出来的金属银不受损害。
硫代硫酸盐（例如硫代硫酸钠Na2S2O3）
最后定影完成后的底片进行清洗和干燥。
4曝光量和曝光曲线
1）曝光量
曝光量是射线照相检测的一个重要参数，因为它直接影响到底片影像的黑度及影像的颗粒度。
保证射线有一定穿透能力的条件下取较小的强度
本应是：
H＝It（I：
射线强度；t：
曝光时间）；
实际是：
E＝it（i：
管电流）mA·min
2）曝光曲线
影响灵敏度的因素很多，主要有X射线探伤机的性能、胶片质量及暗室处理条件，增感屏的选用，散射线的防护，被检工件的材质、形状、几何尺寸，缺陷的方位、尺寸、形状和性质，X射线探伤仪的管电压、管电流，检测过程曝光时间和焦距参数等。
通常只选择工件厚度、管电压、管电流和曝光量作为可变参量，其他条件相对固定，根据具体条件定出工件厚度、管电压、曝光量之间的关系曲线，作为制定检测工艺的依据，称为曝光曲线。
两种类型的曝光曲线：
以管电压为依据；以曝光量为依据。
（厚度T已知）
5典型工件的透照方向选择
（自学）
§2.5常见缺陷及其在底片上的影像特征
射线探伤中，对于缺陷的判断，是一项细致而复杂的工作。
要判断准确，工作人员需要有长期的经验积累。
同时，关于缺陷的特征，很难用文字予以确切的描述。
我们这里只能简单地对铸件和焊件的常规性缺陷进行一个简单的介绍。
1焊件中的常见缺陷
1）焊接裂纹
焊接裂纹是指金属在焊接应力（热应力、相变应力）及其他致脆因素作用下，焊接接头局部区域金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙。
焊接裂纹是焊接结构件中最危险的缺陷。
从成因上分为：
冷裂纹、热裂纹、层状撕裂等；
从形式上分为：
纵向裂纹、横向裂纹、弧坑裂纹等
底片上呈黑色的曲线或直线，两端尖细而黑度较小，中间粗而黑度较大。
2）气孔
焊接时，熔池中的气体在凝固过程中未能及时逸出而残留在焊缝中所形成的空穴。
单个或多个，球形或条虫形。
底片上呈圆形、椭圆形、条虫形的黑斑，边缘清晰，中间较边缘黑度高。
3）夹渣
熔焊过程中产生的金属氧化物或金属夹杂物来不及浮出表面，停留在焊缝内部而形成的缺陷。
分为非金属夹渣（例如夹渣）和金属夹渣（例如夹钨）。
前者呈不规则的黑色块状，条状或点状，黑度均匀；后者呈白色斑点。
4）未焊透和未熔合
焊接时，母材金属之间、母材金属和熔敷金属之间，应该熔合而实际未焊上的部分，留有一定间隙的缺陷。
底片特征是连续或断续的黑线。
2铸件中的缺陷
焊接过程是一个微型冶金过程，而铸造过程是一个大的冶金过程，因此，焊件中会出现的各种缺陷（除4之外）也均会出现在铸件中，底片中的影像特征也类似，不赘述。
3伪缺陷
由于暗室操作不当，射线照相透照操作不当，或胶片本身存在质量问题，在底片上可能出现一些非缺陷的影像，常称为伪缺陷。
如果不注意，它们容易同缺陷影像相混淆，造成错误的质量评定结论。
例如：
使用的器具、台面、指甲，划破胶片的乳剂层；
暗室处理，停显不当，可能导致局部区域继续显影，在底片上产生模糊的条纹状影像。
伪缺陷的判别需要探伤人员的综合分析。
4缺陷埋藏深度的确定
根据底片上的缺陷图像，只能判定缺陷在工件中的平面位置，为了确定其埋藏深度，必须进行两次不同方向上的透射。
（两次透照法）
5表面裂纹
射线检测主要是检测工件的内部缺陷。
但对于裂纹，有时会出现在表面（表面张口型），但目视很难发现；而其他的表面缺陷，例如表面砂眼、表面夹渣，它在底片上的影像和内部缺陷没什么区别，因此，发现影像特征时，应与工件表面仔细查对，得出正确结论。
§2.6γ射线与中子射线检测简介
1γ射线检测的特点
和X射线类似，也是波长很短的电磁波，因此，其检测方法与X射线检测的工艺方法基本一样，但也有所不同。
X射线机最高管电压450kV，最大穿透钢板厚度小于100mm；而γ射线则可以检测厚度达300mm的钢板
1）能量相对固定，需要根据材料、检测精度要求选择合适的γ射线源；
2）穿透力较强，灵敏度较低；（波长短：
X，λ＝0.0006～100nm，γ，λ＝0.0003～0.1nm）
3）设备相对轻便简单，易操作；（无须电能）
4）适用于X射线检测无法实施的部位；（狭窄部位、高温、高电压、磁场的环境等）
5）射线强度相对较低，所需曝光时间长，或需增感屏；
6）半衰期短的γ射线源更换频繁；
7）γ射线检测中更应该注意防护（随时放射，穿透能力强）；
冷中子：
<0.01eV
热中子：
0.01~0.5eV
慢中子：
0.5~10keV
快中子：
10keV~2MeV
弹性散射、非弹性散射、辐射捕获、核反应
热中子用于检测：
1）不同元素获同位素的热中子质量吸收系数差异较大；
2）热中子的检测比较容易；
3）容易得到足够强度的热中子流。
2中子射线检测简介
1）中子射线源
（慢化剂：
石墨、石蜡等）
2）原理及特点
与X、γ射线检测技术的机理基本类似，不同之处有三点：
①一般采用照相法进行检测，但中子射线（粒子射线）不能直接使胶片感光，可通过特殊的转化屏与底片组合应用，中子与转换屏相互作用，产生α、β、γ射线使底片感光；
直接曝光法
转换屏（瞬时屏）为锂（Li）、硼（B）、钆（Gd）（用得较多）等，吸收热中子后放出瞬时辐射；
间接曝光法
转换屏（活化屏）为镝（Dy）、银（Ag）、铟（In）、铑（Rh）等，俘获热中子后形成具有一定寿命的放射性核（放射出γ射线）。
②有更强的穿透力；
（对原子序数小的物质散射能力强（与X射线、γ射线相反），反之则弱）；
③适用于重金属外壳（或其他高原子序数材料）包围的含氢物质（橡皮、塑料、石蜡、水等或其他低原子序数材料）的检测的检测；
（弹药装药情况，陶瓷材料中含水量的检测）
适用于对具有放射性的物质进行检测（X、γ射线都比较困难，因为被照物体本身也发射射线使底片感光，影像完全模糊）。
§2.7射线防护
采用适当措施，减少射线对工作人员和其他人员的射线剂量，以避免或减少射线对人体的伤害。
1剂量的概念
1）吸收剂量
电离辐射赋予某一体积元物质的平均能量与该体积元物质质量之比；
（电离辐射传递给单位质量的被辐照物质的能量）
单位：
Gy（戈瑞），rad（拉德）
1Gy＝1J/kg＝100rad
2）剂量当量
品质因数：
X，γ，电子射线：
1；
热中子：
3；
快中子：
10；
α射线：
10
不同类型的电离辐射和不同的照射条件，对于生物体产生的辐射损伤即使在相同的吸收剂量之下也可以不同。
在研究辐射防护时，必须考虑不同辐射的辐射损伤差别，因此引入剂量当量的概念。
剂量当量为吸收剂量与辐射品质因数及修正因子之积。
单位：
Sv（希沃特），rem（雷姆）。
1Sv＝1J/kg＝100rem
2防护方法
1）屏蔽防护法
利用各种屏蔽物体吸收射线，以减少射线对人体的伤害。
I131:
放射性
I127：
普通
碘片（KI）:
130mg/24h
加碘盐：
KI，KIO3
20~30mg/kg
相当于3.3kg食盐；或41kg海带
碘酒：
I2；2g/ml
主要方法：
X射线、γ射线：
铅、铁、重混凝土、铅玻璃、混凝土、岩石、砖、土、水等。
中子射线：
含氢元素多的，例如水
2）距离防护法
剂量率和距离的平方成反比：
无防护或防护层不够，野外、流动性检测等难以实施屏蔽防护的场合，可以采用增大距离的方法进行防护。
3）时间防护法
让工作人员尽可能减少接触射线的时间。
国家标准：
<1×10－3Sv/周（或<17mrem/天）
终身：
<250rem
4）中子防护
减速剂：
氢、水、石蜡等含氢物质；
吸收剂：
锂、硼（二次γ射线小，易吸收）
总结：
射线检测的特点：
1）优点
①适用范围广（几乎适用于所有材料）
对零件形状和表面粗糙度无严格要求；（各种产品）
常用于铸件和焊件的探伤
可用于金属材料，也可用于非金属材料、复合材料，以及放射性材料；（各种材料）
②缺陷显示直观（与超声波检测相比）
便于对缺陷定量，定位，定性。
③检测结果（底片）可长期保存（与超声波检测相比）
2）缺点
①裂纹面与射线垂直时，难以检出；
②与其他检测技术相比，微小裂纹的检测灵敏度较低；
③使用成本高于其他无损检测技术；
④射线对人体有害，需要防护设备。
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