无损检测技术2.

1无损检测技术NDT(Non-destructiveTesting)Page12推荐参考书、期刊1、期刊《无损检测》：全国无损检测学学会刊，学会对外交流指定用刊，国内无损检测领域权威刊物。《无损探伤》：主要报道射线、超声、磁粉、渗透、涡流、红外、声发射、微波、全息等NDT应用技术。2、书籍《无损检测》李喜孟主编2001年2月第1版《无损检测概论》中国机械工程学会无损检测学会编1993年12月第1版《国外无损检测》中国机械工程学会无损检测学会编1981年10月第1版3第一章射线检测技术第一节射线检测物理基础1、原子的能级和辐射1903年，汤姆逊首先提出原子结构模型(葡萄干-蛋糕模型)汤姆逊设想原子的带正电部分是一个原子那么大的、具有弹性的、冻胶状的球，正电荷均匀分布着，在这球内或球上，有负电子嵌着。这些电子能在它们的平衡位置上作简谐振动。观察到的原子所发光谱的各种频率认为就相当于这些振动的频率。Page341911年，卢瑟福概括α粒子散射实验结果，提出了原子的核式结构。原子内部有一个原子核，原子核具有体积小、质量大而且带有正电荷的特征，带负电荷的电子则分布在与原子大小同数量级的封闭轨道上绕核旋转。对中性原子，所有电子所带负电荷之和等于原子中心所带正电荷。但是在电子运动的规律及它与原子发射光谱的关系等问题上，卢瑟福的理论解决不了。1913年，玻尔在原子的核式结构模型的基础上，提出量子概念，使核式结构模型能够说明氢原子和类氢离子的谱线频率。52、射线的种类波长较短的电磁波叫射线。速度高、能量大的粒子流也叫射线。射线由射线源向四周发射的过程又称为辐射。非电离辐射：指能量很低，不足以引起物质发生电离的射线，如微波辐射、红外线等。电离辐射：指能够直接或间接引起物质电离的辐射。Page56直接电离辐射：如β射线、α射线和质子射线等。由于它们带有电荷，所以在与物质发生作用时，要受原子的库仑场的作用而发生偏转。同时，会以物质中原子激发、电离方式损失其能量，故其穿透本领较差，因而一般不直接利用这类射线进行无损检测。间接电离辐射：是不带电的粒子，如X射线、r射线及中子射线等。由于它们属于电中性，不会受到库仑场的影响而发生偏转，且贯穿物质的本领强，故广泛地被用于无损检测。Page6电离辐射可分为直接电离辐射和间接电离辐射73、X射线的性质X射线又名伦琴射线，于1895年发现。X射线是波长较短的电磁波，X射线谱的某些特征反映了原子内部结构的情况。X射线波长范围约在0.0006-100nm之间，在X射线检测中常用的波长范围约在0.001-0.1nm之间。X射线的硬度：工业上把波长较短的X射线称为硬X射线：其能量较高，穿透能力较大nm01.08Page83.1X射线的产生及其波长和强度的测量X射线的产生方式有多种形式，例如：真空管型低能X射线发生器，直线加速器与电子回旋加速器等高能X射线发生器。（1）低能X射线发生器真空管型X射线发生器的原理见图，阴极发射的电子流经高电位梯度电场聚焦与加速后，撞击阳极靶，其动能消耗于阳极材料原子的电离和激发，然后转变为热能，电子在原子核场中受到急剧阻止，可产生韧致X射线，即连续X射线。9Page9（2）X射线波长的测量、强度的测量布喇格公式：当一束射线射入晶体而发生衍射时，任何一组晶面上，出射方向对平面的倾角和入射射线的倾角相等的射线，如果满足下式：2sin(1,2,3,)ndn出射光线就会加强。已知晶体常数d，确定倾角θ，可测出X射线波长λ10Page10利用布喇格公式测量射线波长和强度的方法：X射线通过铅板上二窄缝S1和S2，形成扁而窄的一束，落在晶体C的一个面上，电离室I和晶体C可以各自绕着通过晶体的一个轴转动。电离室充以稀有气体，X射线射入，气体就会电离，电离电流的大小代表射线的强弱，可以做到电离电流与射线强度成正比。AI图：X射线测谱仪S1S2X射线测谱仪原理11Page11晶体和电离室的位置先与入射的射线成一直线，然后把晶体转一个小角度Δθ，电离室转二倍Δθ，记下刻度盘上的读数和电离电流，这样继续做下去，电离室的方向与射线入射的方向的夹角一直保持着等于晶体表面和射线入射方向的夹角二倍。当达到某一角度时，电离电流会突然增强，这就表示这时进入电离室的射线特别强，布拉格公式已满足。把这时的角度代入公式，波长可以算出，而电流的强度也就代表这个波长的射线的强度。A利用布喇格公式测量射线波长和强度的方法：123.2X射线谱不同波长的射线具有不同的穿透力，波长越短，射线越硬，穿透力越强X射线谱指的是X射线的强度I随波长变化的关系曲线（I－λ曲线）。X射线强度大小由单位时间内通过与X射线传播方向垂直的单位面积上的光量子数决定。实验表明，X射线管阳极靶发射出的X射线分为两类：连续X射线谱和特征X射线谱。13（1）连续X射线谱▲经典电动力学对连续X射线谱的解释若电子的初速度为v，电子从初速度v变到0经历的时间为△t，那么在电子停速时间△t内放射的总能量为：2232evE=3cΔt高速电子在阳极表面以不同的方式停速，所产生的电磁脉冲的波长应具有连续的数值。但经典电动力学不能解释最短波长的存在。14（1）连续X射线谱▲量子力学对连续X射线的解释21mv=hν+p2212mvXph式中：为电子的动能；为所产生的射线光子的能量；为消耗于阳极物质中的激发、电离能量；当p＝0时，可产生最大频率的X射线2maxmin1v2hchmmin1.24hceUU所以：式中：U为X射线管的管电压，单位为KV波长单位为nm，最短波长由U决定。15总之：连续X射线谱是由高速运动的电子被阳极靶突然阻止而产生的，它由某一短波限λmin开始直到波长等于无穷大λ∞的一系列波长组成，具有如下实验规律：（1）当增加X射线管压时，各种波长射线的相对强度一致增高，最大强度X射线的波长λImax和短波限λmin变小。（图b）（2）当管压保持恒定，增加管流时，各种波长X射线的相对强度一致增高，但λImax和λmin大小不变。（图a）（3）当改变阳极靶元素时，各种波长的相对强度随靶元素的原子序数增加。（图c）（1）连续X射线谱16Page16连续X射线的总强度连续X射线的总强度为连续区的积分值。2UIiZ总式中，α是实验常数（1.1-1.4×10-6），上式表明：连续谱的总强度与管电流i，靶的原子序数Z，以及管电压U的平方成正比。（1）连续X射线谱综合各种连续X射线强度分布的实验结果，可以得到在某一实验条件下发出的连续X射线的总强度：min()IId总＝克拉迈尔给出了波长小于5A的连续X射线强度近似表达式：2minI11()()cZI史蒂芬森给出了波长在8-14A波段的X射线强度近似表达式：5minI11()()cZI17Page17X射线管的效率η：定义为X射线强度与X射线管功率的比值，即：当用钨作阳极，Z＝74，管电压为100kv时，X射线管的效率为1%左右。这是由于X射线管中电子的能量绝大部分在和阳极靶碰撞时产生热能而损失。只有极少部分能量转化为X射线能，所以高能X射线发生器工作时必须以冷却水冲刷阳极，达到冷却阳极的目的。（1）连续X射线谱2αZiUηαZUiU18（2）X射线标识谱（特征谱）当管电压超过某一临界值时（如对铜靶超过20kv），强度分布曲线将产生显著的变化，即在连续X射线谱某几个特定波长的地方，强度突然显著地增加，由于它们的波长反映了靶材料的特征，因此称之为标识谱。Page1819Page19标识X射线的产生：由于内层电子跃迁的结果。标识X射线的结构：各元素的标识谱有相似的结构，清楚地分为几个线系，波长最短的一组线称为K线系，这个线系一般可以观察到三条谱线，称为，其中，线最强，它的波长最长，线最弱（光量子数少），它的波长最短。比K线系波长更长一些，谱线也较多的一组谱线称为L线系，波长更长的还有M线系、N线系等。如果N轨道电子跃迁到K轨道，则其辐射频率为：KKKKK,,（2）X射线标识谱（特征谱）NKNKEEh式中，EN和EK分别为电子处于N轨道和K轨道的能量。20（2）X射线标识谱（特征谱）任何电子跃迁到K层时产生的X射线统称为K系X射线；跃迁到L层产生的X射线统称为L系X射线；其他各系依此类推。在每一系（如K系）X射线里，凡从相临层（L到K层）跃迁产生的称谱线（即线），隔层（如M到K层跃迁产生的）称谱线（即）。同理产生，如下图所示。由于能级的分裂，谱线还可进一步分为等。原子的能级是不连续的，所以产生的X射线也是不连续的，我们把这种X射线成为标识X射线或线状X射线。KK,,,,,KLLLMM12,KK图1.5标识x射线能级图ONMLKK系L系M系21（2）X射线标识谱（特征谱）铑（Rh）制阳极靶产生X射线当管电压较低时，X射线管将产生连续X射线。随着X射线管电压的提高，连续X射线谱的曲线向短波方向移动，但其本质并为发生变化。但当电压超过23.2KV时，射线谱开始发生变化，标识谱和连续谱同时出现。图中可看出波长为0.537A、0.547A、0.612A和0.617A四条线。22综上所述，我们可以把产生标识X射线的条件和过程归纳如下：①为了产生任何系的X射线，必须供给外界能量（如高速飞行的自由电子），足以使重原子的内层电子跃迁到外层的轨道空位上。②当管电压小于K系激发电压而大于L系激发电压时，不产生K系X射线而产生L系射线，同时伴有M系、N系、O系…等系的X射线产生。③由于高速电子的轰击，靶材料在一秒钟之内有数量级的原子变成激发态，它们的K电子被打出来，受激原子回到正常状态的转变是按不同方式进行的；在一些原子中L电子跃迁到K层的空位；而另一些原子中M电子跃迁到K层的空位，因此K系的谱线是同时产生的，对于L、M、N线系也是一样。④处于同一壳层的不同电子具有不同的能量，因此同一系的不同谱线还要进一步分裂，如线将分裂为、线；线将分裂为、线等等。谱线的精细结构显示能级的精细结构。（2）X射线标识谱（特征谱）14161010KKK、、K1K2KK1K2K23