第一章射线检测原理讲课提纲

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，使底片感光成黑度不同的图像来观察的，是一种行之有效而又不可缺少的检测材料或零件内部缺陷的手段，在工业上广泛应用。这是因为它具有以下优点：1、适用于几乎所有的材料，对零件几何形状及表面粗糙度均无严格要求，目前射线检测主要应用于对铸件和焊件的检测；2、射线检测能直观地显示缺陷影像，便于对缺陷进行定性、定量和定位；3、射线底片能长期存档备查，便于分析事故原因。射线检测对气孔、夹渣、疏松等体积型缺陷的检测灵敏度较高，对平面缺陷的检测灵敏度较低，如当射线方向与平面缺陷（如裂纹）垂直时很难检测出来，只有当裂纹与射线方向平行时才能够对其进行有效检测。另外，射线对人体有害，需要有保护措施。第一节原子与原子结构（学习原子和原子核结构理论，了解射线产生的机理）一原子1原子的概念：组成单质和化合物分子的最小微粒，由原子核和核外电子构成。2原子的构成：原子是由原子核和核外电子所构成。电子围绕原子核作行星运动；电子在一定轨道上饶核运动。原子是有质量、有尺寸的一种粒子。（1）质量：几乎集中在原子核内，核的密度非常大！如果：把核集中在1cm3的体积内，那么：这1cm3的体积内核的总重量为108吨！（一万万吨！）（2）大小：原子半径10-8cm数量级。原子核半径10-13cm数量级。如果：核的半径为1cm（3）电荷：原子核带正电；电子带负电；原子为中性。（4）构成：原子核（质子+中子）+电子数量关系：原子量(A)=质子数(Z)+中子数(N)例：60钴：60=27+33质子数Z=核的正电荷数=电子数=原子序数3原子结构理论---玻尔理论（玻尔模型）*20世纪初二种不同的原子结构模型1903年：汤姆森假设：核子与电子在原子内均匀分布#1911年：卢瑟福模型：行星分布*α散射实验否定了汤姆森假设肯定了卢瑟福模型*卢瑟福模型不完善，1913年玻尔提出了完善的原子结构模型---玻尔模型玻尔理论（玻尔模型）的要点：（1）原子只能存在一些不连续的稳定状态，这些稳定状态各有一定的能量E1、E2、E3.....En。处于稳定状态中运动的电子虽然有加速度，但不发生能量辐射。能量的改变，由于吸收或放射辐射的结果或由于碰撞的结果。（2）原子从一个能量为En的稳定状态过度到能量为Em的稳定状态时，它发射（或吸收）单色的辐射，其频率υ决定于下列关系式（称为玻尔频率条件）：hυ=En-EmEn、Em分别为较高、较低能级的能量值。稳定状态的改变（或能量的改变）是不连续的。4玻尔理论中的几个概念：*基态：原子处于最低能量的状态称为基态，是稳定状态；*激发态：电子获得能量从低能级轨道进入高能级轨道，该过程称为激发；此时原子处于高能量状态，称为激发态，激发态是不稳定的状态；*原子的状态特性：任何不稳定状态的原子必将自动的回到稳定状态即回到基态；该过程将释放出原子高于基态的能量，即产生辐射。释放能量的过程可以一次回到基态，也可以逐次回到基态；*跃迁：电子从一个轨道向另一个轨道的运动，称为跃迁（包括从低到高；或从高到低的运动）；*能级：用平行线表示核外电子所处的能量级别称为能级，外壳层能级最高，但外壳层上的电子结合能最低。图11二原子核1原子核的结构：精确的结构模型自今尚未建立；多种模型并存的状态：壳层模型，液滴模型...、2原子核的构成*均匀分布*不同数量的质子和不同数量的中子构成不同性质（元素）的原子核*原子的原子量A代表该原子的原子核的质子和中子的总和：A=Z+N3原子核的电荷正电荷=原子序数Z4原子核的半径10-13----10-12cm5原子核的质量原子核的质量电子的质量；原子的质量原子核的质量6核的稳定性：核的稳定性取决于质子与中子数量的组合；质子与中子数量：2、8、20、28、50、82、126最稳定。7核内的几种作用力*库仑力*核力：存在于质子和中子间，是核稳定性的重要因素核力的性质：（1）核力与电荷无关；（2）核力是短程力；（3）核力100x库仑力，是强相互作用力；（4）核力促成核子的二种结合形式（成对结合：质子+中子；对对结合：一对质子+一对中子）三元素及元素周期律1元素的概念（1）定义：具有相同核电荷的一类原子称为元素。例如：所有一个核电荷数的原子称为氢元素，所有八个核电荷数的原子称为氧元素...（2）元素符号:表示某种元素的一个符号A：原子量（原子质量数）。Z：原子序数：原子在元素周期表中的排列序号。原子核所带的正电荷数。2同位素：质子数相同而质量数不同的元素称为同位素。如：1H，2H，3H3元素周期律*1869门捷列夫发现元素周期律*自然定律:玻尔理论对元素周期律的科学解释元素周期律揭示了：元素的性质是随着元素原子序数的增加而呈现出周期性的变化，这一变化的原因是它们的原子结构随着原子序数的增加而呈现周期变化的规律。四放射性衰变*原子核的重要性质----放射性1核的稳定性概念*处于基态的稳定性原子核.…*处于激发态的不稳定原子核....衰变.…*衰变的定义：在无外界作用下，不稳定原子核自发释放出中子和质子，转变为另一种元素的原子核，这种现象称为衰变。*自然衰变与人工衰变.…*稳定同位素与不稳定同位素…*放射性同位素与人工放射性同位素.…2α衰变*放射性原子核释放出α粒子的过程称为α衰变。*α衰变后，原子核内核子数的变化：α粒子是氦的原子核（He)，核内：2个质子，2个中子一次α衰变：质子数减少二个，中子数减少二个，原子量减少4。*α粒子所形成的α射线是一种电离辐射。3β衰变*放射性原子核释放出β粒子的过程称为β衰变。*β衰变后，原子核内核子数的变化：β粒子是电子,一次β衰变→质子数增加一个，原子量不变。4γ衰变(辐射)*放射性原子核释放出γ光子的过程称为γ衰变(辐射)。*γ衰变通常是在α衰变和β衰变过程中发生的。*γ射线的释放不影响原子核的核子数，仅减少原子核的能量。*并非每一个α衰变和β衰变都释放γ光子。5人工放射性*用高能粒子轰击稳定原子核，使其变成不稳定的具有放射性的原子核，这些原子核具有人工放射性。*钴60的典型衰变第二节射线的种类和性质*了解射线的各种性质及应用一、X射线和γ射线的本质与性质1本质：电磁波*X射线、γ射线、可见光、无线电波、红外线都是电磁波*X射线和γ射线是波长较短的电磁波2波动关系：λ=C/υλ（波长A），C（光速），υ（频率）........................1-1.40(T8)3波长单位：埃0=10-8cm；纳米nm=10-7cm4性质：（1）不可见，在真空中以光速传播；（2）不带电，不受电场和磁场的影响；（3）具有某些光学特性：反射，折射（折射系数近似1），干涉和衍射....；（4）具有极大的能量，能穿透物体；（5）能使物质电离，能产生热效应和光化作用；（6）能杀伤生物细胞，破坏生物组织，具有辐射生物效应。二连续X射线（白色X射线，多色X射线）*X射线:射线束中包括---连续X射线和特征X射线1产生机理：根据电动力学理论，作加速运动（包括负加速运动）的带电粒子将产生电磁辐射。X射线管内高速运动的电子与靶原子碰撞时，与原子核外库仑场作用，而产生电磁辐射，称为韧致辐射。这种辐射又由于是电子急剧停速引起的所以又称停速辐射2连续X射线谱及最短波长：根据经典电动力学理论，韧致辐射的能量与停速时间Δt成反比：tE1Δt--连续变化，E--连续变化，hchEλ--连续变化*λmin的导出：电场能=电子动能=光子能+消耗能phmUe221∴pUepmh221如果p→0，则Uehmax，chUemax∴UUehc4.12min(h、c、e均为常数）（λmin埃；U千伏）例：U=200Kv,λmin=12.4/200=0.062埃*连续谱变化规律：1.管电压变；2.管电流变；3.滤波的影响；4.Z的影响。图223连续X射线强度分布曲线及强度计算：图22*连续谱曲线I(λ)极其复杂！总强度：求面积积分2min)(KZiUKZiUmdII式中：Z--原子序数；i--管电流；U--管电压；K--系数，1.1--1.4×10-9/V影响强度的因素：U、Z、i4连续X射线的效率（转换效率）：*计算公式KZUUiUKZX2i电功率射线强度连续*K值：K=1.1--1.4×10-9/v=1.1--1.4×10-6/Kv*影响转换效率的因素K、U、Z*例：Z=74；U=200；求η(η=1.4×10-6×74×200=2%)5连续X射线的空间强度分布：垂直方向不是强度最大方向；实际曝光场是一个椭圆；通过实验测定曝光场的强度分布三标识X射线（特征X射线，线状X射线，单色X射线）1标识X射线产生机理*能量较大的电子入射到靶材料的原子中，与壳层电子碰撞，击出内电子，使原子处于激发态（吸收）；激发态原子释放能量发射光子（辐射）。即发射标识X射线。产生标识X射线的条件：管电压某一临界值时，才能产生标识X射线。例：W靶：69.5KV开始产生标识X射线；Mo靶：20KV开始产生标识X射线；2标识谱及其特征：标识X射线谱是叠加在连续谱上的单色谱。其线系为：入射到K层的发射K系标识X射线，KαKβ…入射到L层的发射L系标识X射线，LαLβ...入射到M层的发射M系标识X射线，MαMβ....四连续X射线与标识X射线的区别（1）产生机理不同.…（2）能量与波谱不同.…（3）强度不同.…X射线管产生的X射线包括：连续X射线和标识X射线五γ射线1产生原理*原子核的重要性质----放射性*贝克勒尔发现α，β，γ射线*原子核的能级α和β衰变后的能级状况,多余能量的释放*放射性同位素产生α或β衰变之后，若仍处于高能级的激发状态，必定要释放多余的能量回到低能级的稳定状态（基态），这时发射γ射线。2衰变规律与半衰期*衰变规律：N=Noe-λt式中：No--初始状态的放射性原子核数（或强度）；N--t时间后的放射性原子核数（或强度）；λ--衰变常数。并非每一次衰变都发射γ射线；放射性同位素的能量不随时间改变。半衰期的定义：放射性同位素原子核数（或强度）衰变到一半时所需的时间称为该同位素的半衰期T1/2。半衰期公式的推导：2/1210TeNN二边取自然对数2/121TLn所以：693.02/1T例：Co60：T1/2=5.3年，则年年/13.03.5693.03γ射线谱---线状谱：60Co：2根；192Ir:24根；137Cs:1根4γ射线的能量能量决定穿透力，穿透力取决于源的种类和性质（后面专题讨论）5γ射线的强度：单位时间落到单位面积上的光子数（后面专题讨论）6X射线和γ射线比较相同点：（1）都是电磁波，本质相同；（2）都具有反射，折射等光学性质；（3）都能使胶片感光；（4）都是电离辐射能对人和生物造成危害；（5）穿过物体时具有相同的衰减规律不同点：（1）产生方式不同；3-1.2(T371)（2）能量不同：X--可控，可调，取决于管电压；γ--不可控，不可调，取决于源的性质；（3）强度不同：X--可控，可调，取决于U，I，Z；γ--随时间变化；（4）波谱形式不同。7工业探伤用的放射性同位素*常用γ源：Co60，Cs137,Ir192,Tm170.…*衰变规律：要求了解Co60和Cs137。*能量…*半衰期…*放射常数（特征强度）Kr...（详细内容在后面介绍）*制取方式:天然；中子激活（轰击）：Co59+no---Co60；Ir191+no--Ir192；核反应不能逆转，不能恢复！………………..1-1.37(T27)核裂变：Cs137：U235裂变生成Cs137.六波粒二象性1波动特性电磁波和机械波二大类波；无质量、无电荷的振动；传播：具有波长、波速、频率；c=λυ2粒子特性：α粒子，β粒子，中子，质子等有质量的粒子发射；量子化能量E=hυ，一份一份传播3波粒二象性的体现：E=hυ=hc/λ4波粒二象性的推广：一切微观粒子都具有波粒二象性5X射线，γ射线，中子射线，α射线，β射线.