2008年技师培训-射线检测

2008年塔里木油田无损探伤技师培训射线检测祖强第一章射线检测的物理基础意义射线检测是以基本的物理原理为基础而发展起来的一门应用科学技术。这部分内容概念多，比较抽象，大家可能会觉得比较枯燥，但这部分内容很重要，希望大家能认真听，课后仔细复习，多下些功夫。内容原子和原子结构射线的种类和性质射线与物质的作用射线照相法的原理和特点一、元素与原子大家知道自然界的物质都是由元素构成的，但组成物质的元素并不多，迄今为止，已发现的元素有115种。物质的组成：元素第一节原子和原子结构原子原子核质子中子1、元素的定义：具有相同核电荷数（质子数）的同一类原子的总称。元素符号采用该元素的拉丁文名称第一个字母的大写或再附加一个小写字母来表示。如：氢-H铁-Fe2、原子的定义：原子是元素的具体存在，是体现元素性质的最小微粒。特性：在化学反应中，原子的种类和性质不会发生变化。3、原子结构：原子由一个带正电荷的原子核和若个核外电子组成。原子核位于原子的中心，电子围绕原子核高速运动。4、原子量的定义：原子的质量很小，通常采用相对质量表示原子的质量，即采用质量为1.9927×1026kg的碳原子质量的1/12为原子质量的单位，其他原子的质量与其相比，得到的数值即为这种原子的相对原子质量。5、原子的物理性质（1）原子呈电中性。（2）原子的质量极其微小，主要集中在原子核上。（3）原子核由质子和中子组成。中子不带电，质子带一个单位正电荷。质子数＝核电荷数＝核外电子数＝原子序数（4）原子量＝质子数+中子数中子数＝原子量-质子数=原子量-原子序数6、元素的表示方法通常将原子量标在元素符号的右上角，核电荷数标于左下角。某原子量为A、原子序数为Z的元素X则可记为:例如：钴-60原子量=60核电荷数=27质子数=27中子数=60-27=33XAZCo60277、同位素（1）定义：具有相同质子数，不同中子数（或不同质量数）同一元素的不同核素互为同位素。例如氢元素有三种原子：11H(氢）、21H(氘）、31H（氚），它们均含有1个电子，1个质子，但中子数分别为0、1、2，原子量分别为1、2、3。（2）分类：a）稳定同位素b）不稳定同位素——放射性同位素，它能自发地放出某些射线—α、β或γ射线，而变为另一种元素。放射性同位素又可分为天然的和人工制造的两类。一般原子序数Z≥83的许多元素及其化合物具有放射性。人工制造的最常用的获得方法是用高能粒子轰击稳定同位素的核，使其变为放射性同位素。射线检测所用的均为人工放射性同位素。二、核外电子运动规律人类对原子结构的认识历史：十九世纪初—美国道尔顿原子理论1898年—英国汤姆逊原子枣糕模型1911年—英国卢瑟福原子有核行星模型1913年—丹麦玻尔原子轨道和能级玻尔假设现代的电子云模型1、玻尔的原子理论假设(1)定态假设：原子只能处于一系列不连续的能量E1、E2、E3、…的稳定状态上（即能级）。处于稳定状态的原子不辐射能量（基态），只有在原子从一个稳定状态跃迁到另一个稳定状态时，它的能量才发生改变。这些稳定态对应的不连续的能量数值组成原子的能级。（2）动态假设（跃迁假设）：原子从能量为En的稳定态跃迁到能量为Em的稳定态时，将发射或吸收一个一定频率的光子，频率由下式决定——h光子的能量，——h是普朗克常数=6.626×10-34J·s，——是辐射频率，其单位符号是Hz，单位名称为赫兹，它是一个普适恒量。这些稳定态称为“定态”，能量最低的定态称为“基态”，其他定态均称为“激发态”。处于基态的自由原子相当稳定，处于激发态的原子均不稳定，在很短的时间后将释放能量回到基态。mnEEh（3）量子化假设：不同能量的电子运动状态不同，能量低的电子通常在核附近的区域运动，能量高的电子通常在离核较远的区域运动。原子的定态是不连续的，因此电子所处的可能轨道的分布也是不连续的。所谓量子化就是不连续。三、原子核结构原子核由质子和中子组成，不同原子的原子核含有的质子数和中子数不同。原子核的半径为10-14m，约为原子半径的万分之一，它的体积只占原子体积的几千亿分之一，可见在原子内部存在很大的空间，电子就在这个空间中围绕原子核运动。1、特性（1）原子核具有相同的密度，占有原子99%以上的质量。（2）原子核中的质子和中子也处于运动中。（3）原子核内存在核力（结合能）。结合能—即核子结合构成原子核时释放的能量。2、核力的性质（1）核力与电荷无关，质子和中子都受到核力的作用。（2）核力具有饱和性，只有在相邻核子之间发生作用。（3）核力是短程力，随着距离增大，作用力急剧减小。（4）核力比库仑力大100倍，是一种强作用力。（5）核力能促成粒子的成对结合以及对对结合。四、放射性衰变定义：不稳定的核素会自发蜕变，变成另一种核素，同时放出各种射线的现象。放射性衰变的主要方式：、、衰变衰变—放出带两个正电荷的氦原子核，衰变后形成的子核。它穿透物体的能力很小，在空气中也只能飞行几个厘米，但具有很强的电离能力。衰变—是指原子核放出粒子的衰变过程。粒子是负电子或正电子流，它具有较大的穿透能力，甚至可以穿透几毫米厚的铝，但电离作用较弱。衰变—放出波长很短的电磁辐射（射线）。衰变总是伴随着衰变或衰变而发生。射线是原子核由高能级跃迁到低能级而产生的。射线是波长很短的电磁波，穿透物体的能力很强，甚至可以穿透几个厘米厚的铅板，但它的电离作用却很小。第二节射线的种类和性质一、射线的种类我们通常所说的射线可以分为二类，一类是电磁辐射，另一类是粒子辐射。（1）电磁辐射—射线、射线。光子，无质量，带能量。（2）粒子辐射—粒子、粒子、质子、电子、中子射线等。粒子流，有质量，带能量。都能电离，产生离子辐射。二、射线的性质射线和射线的主要性质可以归纳为下列几个方面：（1）在真空中以光速沿直线传播，不受电场或磁场的影响。（2）在媒质介界面可以发生反射、折射，但其反射、折射与可见光有很大差别。（3）可以发生干涉、衍射现象，只能在非常小的光栅中才能观察到。（4）不可见的，能够穿透可见光不能穿透的物体。（5）在穿透物质过程中，会与物质发生复杂的物理和化学作用，如电离作用、荧光作用、热作用、光化学反应等。（6）具有辐射生物效应，能够杀伤生物细胞，损害生物组织。三、射线的产生及特点1、射线产生原理射线由射线管产生。射线管是具有阴极和阳极的真空管，阴极用钨丝制成，通电后可发射热电子，阳极（靶）用高熔点金属钨制成。用几万伏至几十万伏的高压加速电子，电子束轰击靶极，射线从靶极发出。高速运动的电子与阳极靶碰撞时，发生能量转换，电子的运动受阻失去动能，其中一小部分（1％左右）能量转变为射线，而绝大部分（99％左右）能量转变成热能。2、产生条件（1）产生自由电子；（2）使电子作定向的高速运动;（3）在其运动的路径上设置一个障碍物使电子突然减速或停止。3、射线产生原理图接变压器玻璃金属聚灯罩铍窗口金属靶冷却水电子射线（连续谱）射线（标识谱）X射线管剖面示意图X射线管剖面示意图四、射线谱在射线管中产生的射线，其强度随波长的分布如下图所示，这种强度随波长分布的关系称为射线谱。从图中可以看到，射线谱由两部分组成：连续射线谱和标识射线谱。（钨靶）（钼靶）钨靶与钼靶射线管的射线谱（35kV）1、连续射线谱（1）定义：射线中波长连续变化的部分称为连续射线谱。其波长只与外加电压有关。（2）产生机理：在一定加速电压下获得一定能量的大量电子，在靶面上的减速过程各不相同。极少量的电子在一次或很少次数的撞击过程损失了全部能量，多数电子需经过多次撞击过程逐渐损失掉全部能量，因此，辐射的光子能量将是各种各样，这样就形成了连续谱辐射。（3）最短波长式中e—电子的电荷c—光速V—管电压（kV）ν—电子运动速度λmin—最短波长（A）λm—最强波长（A）连续谱的最强波长与最短波长之间近似有下述关系（4）总强度式中i—管电流，mAZ—靶物质的原子序数V—管电压，kVα—比例系数（约为1.1～1.4×106）)(4.12minAVeVhc。minm232iZVI（5）连续谱射线的转换效率η式中Z—靶物质的原子序数V—管电压，kVα—比例系数（约为1.1～1.4×106）（6）特征a)当管电压↑→射线强度I↑；对应的λmin、λm↓b)当管压一定,管电流↑→射线强度↑;λmin、λm不变c)靶材Z↑→射线强度I↑d)当管电压↑→转换效率η↑e)管电压的高压波形越接近恒压→转换效率η↑ZV2、标识X射线谱（1）定义：具有一定波长的谱线，这种谱线的波长只与阳极靶的材料有关，而与所加管电压和管电流都无关，这种标志靶材特征的波谱叫标识X射线谱。（2）产生机理：在电子轰击阳极的过程中，当某个具有足够能量的电子将阳极靶原子的内层电子击出时，于是在低能级上出现空位，系统能量升高，处于不稳定激发态。较高能级上的电子向低能级上的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识X射线谱。（3）特征：标识X射线在X射线的强度中所占的分量很小，能量也很低，在工业探伤中不起什么作用。标识X射线对化学元素分析非常有用。图16-6标识X射线发生原理示意图五、γ射线的产生及特点1、γ射线产生机理射线是具有特定能量的光子流。简单地说，射线是由放射性同位素的原子核发生衰变过程中产生的，也就是在放射性衰变过程中产生的。2、特点（1）射线是在放射性衰变过程中所产生的处于激发态的核，在向低能级的激发态或基态跃迁过程中产生的辐射。（2）射线的产生过程不同于X射线的产生过程。（3）射线的能量是由放射性元素的种类所决定的。（4）射线的谱线为线状谱，只出现在特定波长的若干点上。3、放射性活度对于一个射线放射性源，描述它的放射性的是放射性活度。（1）定义：为放射性源在单位时间内（通常是1s）发生衰变的核的个数，单位名称是贝可（勒尔），单位符号是Bq。1Bq＝1/s（2）放射性衰变的专用单位符号是Ci，其单位名称为居里，1Ci＝3.7×1010/s它与贝可的关系是1Ci＝3.7×1010Bq（3）应注意的是:活度不等于射线强度。对于同一放射性元素，活度大的源其射线强度也大，但对不同的放射性元素，不一定存在这样的关系。4、放射性同位素衰变规律放射性同位素原子数目的减少服从指数规律。随着时间的增加，放射性原子的数目按几何级数减少，用公式表示为：N＝N0e-λt这里，N为经过t时间衰变后，剩下的放射性原子数目，Ｎ0为初始的放射性原子数目，λ为衰变常数，是与该种放射性同位素性质有关的常数，λ=y(t)＝e-0.693t/τ，其中τ指半衰期。放射性同位素不断地衰变，它在单位时间内发生衰变的原子数目叫做放射性强度。半衰期τ=0.693/λ第三节射线与物质的相互作用当射线、射线射入物体后，将与物质发生复杂的相互作用。这些作用从本质上说是光子与物质原子的相互作用，包括光子与原子、原子的电子及自由电子、原子核的相互作用。其中主要的作用是：光电效应、康普顿效应、电子对效应和瑞利散射。由于这些相互作用，一部分射线被物质吸收，一部分射线被散射，使得穿透物质的射线强度减弱。热能透射X射线衰减后的强度I0散射X射线电子荧光X射线相干的非相干的反冲电子俄歇电子光电子康普顿效应俄歇效应光电效应一、光电效应1、定义射线在物质中传播时，如果入射光子的能量大于轨道电子与原子核的结合能，入射光子与原子的轨道电子相互作用，把全部能量传递给这个轨道电子，获得能量的电子克服原子核的束缚成为自由电子，入射光子消失，这种作用过程称为光电效应。光电效应示意图在光电效应中，释放的自由电子称为光电子。2、特征（1）入射光子的能量小于轨道电子与原子核的结合能，不能发生光电效应。（2）光电效应的发生率随着入射光子能量增大而降低、随着物质原子序数增大而增大。（3）光电效应主要发生在低能射线情况（10-50Kv)。二、康普顿效应1、定义入射光子与受原子核束缚较小的外层轨道电子或自由电子发生的相互作用称为康普顿效应，也常称为康普顿散射。2、特征康