射线透过物质的衰减及规律

§1.12.1射线透过物质的衰减及规律射线检测的物理基础本节主要内容1.射线衰减的原因分析2.射线衰减在射线检测中的地位和作用3.有关射线的基本概念4.射线衰减的基本规律上节课回顾：射线与物质相互作用射线光子与物质原子相互作用，根据原子种类不同、光子能量不同，作用类型：光电效应：康普顿效应：电子对效应：瑞利散射：光子与轨道电子作用光子与自由电子(最外层轨道电子、轨道束缚弱)作用光子与原子核的库仑场作用光子与整个原子交互作用上节课回顾：射线与物质相互作用结果一次透射射线：未与物质作用，直接穿透的射线散射线：光子与物质作用方向改变的射线荧光X射线电子散射X射线瑞利散射电子对效应康普顿效应反冲电子俄歇电子光电子入射X射线一次透射射线0II热能00光电效应00'01.吸收和散射引起的射线强度衰减入射光子的能量除一次透射射线外，还包括散射：一部分转移到方向改变的光子包括康普顿散射、瑞利散射和电子对效应吸收：一部分转移到作用的电子或产生的电子,包括光电效应、热吸收+散射射线强度衰减(光子数的减少、光子方向发生变化)1.由传播几何因素引起的强度衰减平方反比定律:由射线源辐射的射线，以一定的辐射角度在空间沿直线传播，随着传播距离的增加，在以焦点为中心而半径不同的各球面上，X射线的强度与距离的平方成正比。20/LII2.射线衰减在射线检测中的地位和作用射线强度衰减导致射线强度分布不同胶片记录射线强度分布射线强度差异是底片产生对比度的根本原因，起决定性作用射线衰减在射线检测中的地位和作用小直径管椭圆成像3.射线基本概念按射线能量分为单色射线：多色射线：按是否考虑散射线分为窄束射线：宽束射线：单一波长射线连续波长射线一次透射射线一次透射射线+散射线窄束射线获取装置铅准直器吸收体散射光子探测器源铅准直器窄束射线获取装置吸收体探测器源铅准直器宽束射线获取装置4.射线强度衰减规律4.1单一均质材料均质材料中，在很小的厚度范围内强度的衰减量与入射射线强度和穿透物体的厚度成正比。负号表示射线强度减弱。0IIT均匀物质IITITTII射线强度衰减公式TIIdTIdICdTIdITIIT000,0IITT时0TIIe朗伯-比尔定律即射线衰减基本规律。意义：计算穿过物体后的透射射线强度。4.2线衰减系数μ物理意义：射线穿透单位厚度物质时，射线强度的相对衰减量或衰减百分比。dTIdI1TNIIRPCphRPCphRPCphNNNNN单位：cm-1线衰减系数μ的影响因素影响因素：同样能量的射线，穿过物质的原子序数越大，物质密度越大，射线在物体中受到的衰减也越大。不同能量的射线穿过同一种物体时，能量低的射线将受到更大的衰减。33kZ物质原子序数、密度、射线能量铁的线衰减系数R曲线是瑞利散射部分PE曲线是光电效应部分C曲线是康普顿效应部分PP曲线是电子对效应部分T曲线是总的线衰减系数铝的线衰减系数R曲线是瑞利散射部分PE曲线是光电效应部分C曲线是康普顿效应部分PP曲线是电子对效应部分T曲线是总的线衰减系数铅的线衰减系数R曲线是瑞利散射部分PE曲线是光电效应部分C曲线是康普顿效应部分PP曲线是电子对效应部分T曲线是总的线衰减系数几种材料的线衰减系数射线能量MeV水碳铝铁铜铅0.250.1210.260.290.800.912.70.500.0950.200.220.6650.701.81.00.0690.150.160.4690.500.81.50.0580.120.1320.3700.410.582.00.0500.100.1160.3130.350.5243.00.0410.830.1000.2700.2950.4825.00.0300.0670.0750.2440.2840.4947.00.0250.0610.0680.2330.2730.5310.00.0220.0540.0610.2140.2720.6上表分析相同条件下，密度越大，衰减越多。对多数材料，线衰减系数随能量升高下降，不利因素之一就是造成缺陷检测结果对比度下降。因此，在保证穿透情形下，尽量选用低能X射线。可以根据材料的线衰减系数选用屏蔽材料，比如”铅”。4.3质量衰减系数理论上常用质量衰减系数，即线衰减系数除以物质密度所得到的值，常记为优点：不受物质密度和物理状态的影响。例：水和水蒸气的值一样，但不同同样地，有上式表明，对同样能量的射线，物质的原子序数越大，物质的密度越大，射线在物体中受到的衰减也越大；对不同能量的射线，当穿过同一种物体时，能量低的射线将受到更大的衰减。m/mm33mkZ混合物或化学物的质量衰减系数若构成物体的各元素的百分比含量分别为W1、W2、W3、……，相应的各元素的质量衰减系数分别为，则物体的质量衰减系数可按下式计算123m1m2m3m12mm、、应用例如：三氧化二铝(Al2O3)对0.05MeV能量的射线可按下式计算其线衰减系数。从有关手册查到铝(Al)：相对原子质量A＝27质量衰减系数值μm＝0.357cm2/g氧(O)：相对原子质量A＝16质量衰减系数值μm＝0.211cm2/gAl2O3的密度：ρ＝3.90～4.10g/cm3取其值为3.95g/cm3用上述数据计算μm＝0.357×[2×27/(3×16＋2×27)]＋0.211×[3×16/(3×16＋2×27)]＝0.2833(cm2/g)＝μm/ρ＝0.2833×3.95＝1.139(cm1)即三氧化二铝(Al2O3)的线衰减系数为1.139cm1。吸收系数与波长及元素的关系元素的吸收系数是入射线的波长和吸收元素原子序数的函数。元素其质量吸收系数随着波长的变化有若干突变，发生突变的波长称为吸收限(或称吸收边)。在各个吸收限之间质量吸收系数随波长增加而增大。所以短波长的X射线(所谓硬X射线)穿透能力大，而长波长的X射线(所谓软X射线)则容易被物质吸收。质量吸收系数随着波长的变化有突变的原因，即元素特征光谱产生。质量衰减系数随能量变化曲线4.4半价层X射线强度在物质中被衰减为一半时的厚度称为该物质的半价层。同一物质对不同能量的射线，半价层不同，不同物质对同一能量的射线不同。002TIIIe12ln20.693T半价层的应用若已知半价层，射线穿透厚度T，有以下结论：hhTThTTTTTIeIeIeII/02ln02ln0021hTTII/021怎么来的？？？012nIIhT2lnhTTn例题已知某窄束单色射线穿过20mm的钢后，强度衰减到原来的20%，求钢的线衰减系数？解法1：按射线强度衰减基本定律求解0IImmT20cmTIIeIIT2%20/00解法2利用半价层定义2.0210IIn32.22lg5lgn)(86.032.222/1cmT)(80.0/693.012/1cmT4.5射线衰减公式延拓TII434.0lg0吸收体厚度强度强度吸收体厚度半对数坐标普通坐标单能窄束射线的衰减曲线指数衰减直线衰减0TIIe多种均质材料的衰减I0I123N1l2lNl1122112200=INNNNllllllIIeeee根据射线衰减基本规律及指数函数性质可得推广：ldleII)(0(一般非均匀性材料)4.6μ值的应用(拓展)计算机断层成像(CT)12341p2p3p4p5p6pldleII)(0ldlIIp)(ln0射线投影CT：根据一系列投影p，反求被积函数121p243p331p442p541p623p1234CT实例射线照相CT结果4.7连续谱射线的衰减规律单色、窄束射线衰减理论的不足工业检测中应用的射线，不可能是“单色、窄束”射线，到达探测器或胶片的射线中总是包含散射线。常是连续谱射线，所以必须考虑连续谱X射线的衰减规律。宽束射线“多色”射线“白色”射线结论：连续谱中不同能量的射线衰减的情况将不同，Beer定律不适用于宽束多色射线。4.7.1散射线和散射比散射线和散射比散射线主要来源于康普顿效应应用宽束射线时，到达胶片或探测器的射线包括一次透射射线和散射射线。其中称为散射比。散射比n的大小与射线能量、穿透物质种类、穿透厚度等因素有关。注意散射线和散射比的变化趋势区别DISIInIIIIIIIDDSDSD1/1DSIIn/4.7.2单色宽束射线的强度衰减规律对于宽束连续谱射线，这时透射射线强度应为一次射线和散射射线强度之和，即散乱射线入射射线穿透射线0ISIDIDsIII0TDIIesDInI0(1)TInIe散射比单色宽束射线的强度衰减规律常引入积累因子，常用符号B记，即DSIIB/1因此TeBII04.7.3多色、窄束射线衰减规律设一束多色射线的初始强度为，其中不同能量的光子束流强度分别为，在物质中的衰减系数分别为，一次透射射线的总强度为，不同能量射线的分强度为，0I,,0201II,,21I,,21II02010III21IIITeII1011TeII2022引入常数，以单色、窄束射线的衰减规律TeII0多色、窄束射线衰减规律多色射线的平均衰减系数计算结果等于按不同能量光子用各自得衰减系数分别计算得到的分强度之和。有效能量如果连续能谱或多色射线，在某一穿透厚度范围内的平均衰减系数值与某一单色射线的衰减系数值数值相等，则可用单能射线的能量来表示连续谱或多色射线的平均能量。4.7.4宽束、连续谱射线的强度衰减规律对宽束连续谱射线严格地处理非常复杂。连续谱射线包含各种波长，衰减程度各不相同，长波长先衰减。常引入等效波长或称平均波长，只要认为上式中的是对应于射线等效波长的线衰减系数，可以近似应用于宽束连续谱射线进行近似计算。TeInI014.8连续谱射线衰减分析连续谱X射线衰减特点对同一连续谱X射线，穿过的厚度不同时，对应的等效波长也会不同。简单地说，随着穿过物体厚度的增加，长波长先衰减掉，等效波长或称平均波长减小，平均能量提高，或等效能量提高，这种变化就称为连续谱射线的硬化。连续谱X射线衰减特点连续谱X射线的线衰减系数随穿透厚度的增大而减小。线衰减系数(曲线切线的斜率)随射线穿透物体厚度的增加而不断变化，即射线不断硬化，但当厚度达到一定值之后，线衰减系数就近似为一定值，此后变化很小，说明此时波长较长的成分被吸收掉，也就是连续谱射线近似成为单色射线。连续谱射线的硬化过程中，第一半价层小于第二半价层。连续谱X射线的有效能量上升。4.9吸收曲线定义：以吸收物质的厚度作为横坐标，射线相对强度作为纵坐标，可以得到射线相对强度衰减曲线。宽束连续谱射线吸收曲线吸收曲线线衰减系数曲线0lnIITII434.0lg0等效线衰减系数的计算宽束连续谱射线穿过一定厚度物体时的等效线衰减系数可如下求出。如图所示，在图中取距离很小的A、B两点，它们对应的厚度分别为T1和T2，对应的透射射线强度分别为I1和I2。记宽束连续谱射线在这一厚度的线衰减系数为，则按单色窄束射线的衰减规律有12e12TTII等效线衰减系数的计算两边取对数elglg1212TTII因此有1212/lg3.2TTII如果2/12II则T2与T1的厚度差将等于对应的半价层厚度。本节课小结射线衰减基本规律(重点)线衰减系数(难点)Beer定律仅适用于单色、窄束射