第3章 工业射线检测中的射线

3.2.4.2 特征谱及特征X射线
在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波 长的强度很大的线状谱线。 特征X射线谱的产生只依赖于阳极靶材料， 确切的说与靶的原子结构有关，波长位置 与管电压、管电流无关。
特征X射线的产生机理
原子壳层按其能量大小分为数层，通常用K 、L、M、N等字母代表它们的名称。 但当管电压达到或超过某一临界值时，则 阴极发出的电子在电场加速下，可以将靶 物质原子深层的电子击到能量较高的外部 壳层或击出原子外，使原子电离。
射线强度平方反比定律
平方反比定律：
I1 L2 2 2 I 2 L1
结论：空间任意一点的射线强度与该点到射线源的 距离平方成反比。 空间距离射线源F处的射线强度为
KiZV I连 2 F
2
实测剂量与管电流关系
24 22 20 18
剂 量 (cGy)
16 14 12 10 8 6 4 2 0 0
最大强度对应的波长
IM 1.5min
量子极限
假设高速电子撞击靶时，电子能量中有p部 分消耗于阳极各种不同过程的激发作用。
1 2 eV mv h p 2 c eV hvmax h
min
min
hc 12.4 1.24 8 10 cm nm (量子极限) VkV 1e V VkV
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X射线 ，同时伴随M系、N系等系X射线。
特征X射线的强度
特征X射线的强度随管电流和管电压变化， K系X射线强度为
I 标 iV - V激
n
n取值在1.5-2内，管电压不超过激发电压3-4倍。
谱线强度在某一电压下达到最大，然后下 降。当管电压高于激发电压10-20倍时，电 子深入阳极内部，产生的射线被阳极大量 吸收，特征谱强度下降。
第3章 工业射线检测中的射线
3.1 射线分类
按电离性质：从射线与物质的相互作用引起的电 离情况可分为(致)电离辐射和非(致)电离辐射。 电离辐射：任何与物质作用，直接作用或间接作 用可引起物质电离的辐射。包括直接致电离粒子 、间接致电离粒子。 直接致电离粒子如电子、β射线、质子、α粒子等 带电粒子； 间接致电离辐射如X射线和γ射线，与物质作用时 能释放直接致电离粒子或引起原子核变化。 非电离辐射：不能引起物质电离的辐射。 包括红外线、微波等，能量较低，不能引起物质 的电离。
强度与管电压、管电流和靶物质原子序数关系
X射线管的转换效率
X射线管的效率η ，是指电子流能量中用于产 生X射线的百分数， 即
连续X射线总强度 K i iZV 2 K i ZV X射线管功率 iV
随着原子序数Z的增加，X射线管的效率提高 ，但即使用原子序数大的钨靶，在管电压高 达100kv的情况下，X射线管的效率也仅有1﹪ 左右，99％的能量都转变为热能。
激发电压
如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电子被击 出L层，称L激发，其余各层依此类推。 产生K激发的能量为WK＝hυ K，阴极电子的能量必 须满足eV≥WK＝hυ K，才能产生K激发。其临界值 为eVK＝WK，VK称之临界激发电压。 当管电压(大于临界激发电压)增加时，连续谱和 特征谱强度都增加，而特征谱对应的波长保持不 变。
意义：解决了经典理论无法解释最短波长的困难。 上式可用来精确测定普朗克常数h。
连续X射线谱的总强度
X射线的强度是指垂直于X射线传播方向的单位面 积上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。 总强度的计算
I
经验公式
min
I d
IT Ki ZiV 2
其中 i-管电流，mA Z-靶物质的原子序数 V-管电压，kV Ki-系数 (1.1～1.4)×10-6
典型光谱图
（钨靶） （钼靶） 钨靶与钼靶射线管的射线谱
3.2.4.1 对连续X射线谱的解释
根据经典电动力学的理论，带电粒子在加
速(或减速)时必伴随着辐射。
电子到达靶材时，在靶核库仑场的作用下
电子的速度是连续变化的，因此辐射的X射
线具有连续谱的性质。 但经典电动力学无法解释最短波长现象。
特征谱所对应的波长与外加电压无关。 各元素的特征X射线谱有相似的结构，但各 元素的特征X射线的能量值(或波长)各不相 同。
每一谱线都有特定的波长，电子撞击的物 质不同，这些特定波长的值也不同。特征 谱只与靶元素有关，不同元素制成的靶具 有不同的线状谱。
特征谱的特点
特征谱可分为若干组，称为系，每一系的 谱线都有自己的特定结构和激发电压，只 有电子的加速电压超过激发电压时才能产 生该系的特征谱线。
X射线的波粒二象性
波动特性
衍射 干涉 反射
粒子特性
特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一
定的质量、能量Байду номын сангаас动量。
表现形式为在与物质相互作用时交换能量。如 光电效应；二次电子等。
X射线的本质
X射线是电磁波。 量子理论认为X射线是一种量子和光子组成的粒 子流。爱因斯坦认为光是光量子流，简称光子。
。
3.2.4 X射线光谱
X射线谱 描述X射线强度与波长的关系曲线 X射线光谱由二部分构成： 连续谱——是由波长连续变化的谱线构成。连续 谱所构成的X射线称为白色X射线(与电压有关)， 是由电子的动能直接转化而来。 线状谱(标识谱、特征谱)——是由谱线分立的线 状谱线构成。分立谱所构成的X射线称为特征X射 线(与靶金属材料有关)是由电子的动能间接转化 而来。
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X射线，
而绝大部分(99％左右)能量转变成热能使
物体温度升高。
产生条件
灯丝 产生自由电子
高压 加速电子,使电子作定向的高速运动
靶 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,产生X-射线
X射线的产生过程
X射线管的阴极灯丝通过电流，被加热到2000 C 以上后发射电子，这些电子聚集在灯丝附近。当 通过X射线管的阳极和阴极之间的空间后撞击到 阳极靶上。通过韧致辐射，电子的一部分动能转 化为X射线，从X射线窗口辐射出来。电子的大部 分动能传给了阳极靶，使它迅速升温。
连续谱的特点
连续谱线的强度随波长变化而变化，在某波长上 有一强度极大值。
存在短波波长极限，它与靶物质种类无关，仅与 加速电压有关。(量子力学)
当电压增大时各种波长的强度随之增大，曲线的 极大值向短波方向移动。(碰撞次数和辐射光子能 量增高)
管电压相同时，不同材料金属靶的连续谱线的强 度随其原子序数的增加而增强。
不同系射线
K系X射线：任何电子跳到K层时产生的X射线。 L系X射线：任何电子(外层)跳到L层时产生的X射 线。 …
在每一系(如K系)X射线里 谱线(即K 线)：凡从相邻层(L到K层)跳来的。
谱线(即K 线)：凡从隔层(M到K层)跳来的。 … 原子轨道能级不连续，产生的特征X射线也是不连 续。
3.2 X射线
3.2.1 X射线的发现
1895年德国物理学家伦琴研究阴极射线管中气体 放电时发现X射线(电子-玻璃壁) 1901年伦琴获诺贝尔物理奖 X射线波长在10－8cm左右
硬X射线：比0.1nm短的X射线
软X射线：比0.1nm长的X射线
3.2.2 X射线的性质
本身不带电，不受电场和磁场的影响 穿透性：射线光子的能量大，贯穿本领强。穿透 程度与射线的波长，吸收物质的性质有关。 电离作用：当射线照射到物质后，构成物质的原 子的最外层电子被光子冲击而脱离原子，使原子 成为阳离子。 感光作用：射线能使照相底片感光。 荧光作用：射线照射某些化学物质，如硫化锌等 ，可以发出黄绿色或蓝紫色光，停止照射，荧光 消失。 生物效应：生物体在射线照射下，能损害组织细 胞，抑制细胞生长，甚至使细胞坏死。
特征谱的产生机理解释
原子的电子按泡利不相容原理和能量最低 原理分布于各个能级。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。
特征谱的波长
按量子理论所释放的能量以光量子(X射线 或可见光)的形式辐射出去。若有一N轨道 电子跃迁到K轨道，则辐射波长
NK
ch EN EK
若 E N E K 比较小 辐射可见光(原子外层电子跃迁时发生)
E N E K 较大
辐射X射线(原子内层电子跃迁时发生)
不同系射线和谱线
无透 照 工件 累 计 时间 :1min
剂 量 (cGy)
14 12 10 8 6 4 2 0 100 120 140 160 180
0.5mA 1.0mA 2.0mA 3.0mA 4.0mA 5.0mA
管电压(kV)
实测剂量与管电压关系
4.5 4.0 3.5 3.0
设备 :CT射线 机
TL3000A 工件 :5mm钢 累 计 时间 :1min
X射线谱--特征X射线谱
钼靶X射线管当管电压等于或高于20KV时，则除连 续X射线谱外，位于一定波长处还叠加有少数强谱 线，它们即特征X射线谱。 钼靶X射线管在35KV电压下的谱线，其特征x射线 分别位于0.63Å和0.71Å处，后者的强度约为前者 强度的五倍。这两条谱线称钼的K系。
特征谱的特点
100kV 120kV 130kV 140kV 150kV 160kV 170kV 180kV
设备 :TL3000A CT射 线 机 无工件 累 计 时间 :1min
1
2
3
4
5
曝 光量 (mA.min)
实测剂量与管电流关系
5.0 4.5 4.0 3.5
设备 :TL3000A CT射线 机 材料:5mm厚钢 累 计 时间 :1min
射线分类
按带电性质：射线可分为带电粒子和中性辐射。 带电粒子又可分为快电子（包括核衰变中发射的 正或负β粒子，以及其他过程中产生的具有相当能 量的电子）和重带电粒子（如质子、核衰变中产 生的α粒子以及其他重带电离子，他们都具有一个 或多个原子质量单位并具有一定能量）。 中性辐射又可分为电磁辐射（包括韧致辐射，原 子的壳层电子跃迁过程中发射的特征X射线和核 能级跃迁中发生的γ射线）和中子辐射（通常在自 发裂变和核反应中产生）。
剂 量 (cGy)
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 100 120 140 160 180
0.5mA 1.0mA 1.5mA 2.0mA 2.5mA 3.0mA 3.5mA 4.0mA 4.5mA 5.0mA
管电压(kV)
提高总强度方法
提高管电流-单位时间撞击靶的电子数增多 提高管电压-电子加速后能量增大，碰撞时 能量转换过程增多 靶材料原子序数越高-核库仑场越强，韧致 辐射作用越强
特征谱的作用
注意：在工业射线检测中，标识谱不起作 用。 用途： 特征X射线可用来作为元素的标识，材料成 分分析，如X射线荧光光谱分析。
3.2.5 莫色莱定律
剂 量 (cGy)
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 1 2 3 4
100kV 120kV 130kV 140kV 150kV 160kV 170kV 180kV
5
曝 光 量 (mA.min)
实测剂量与管电压关系
24 22 20 18 16
设备 :CT射 线机
TL3000A
连续X射线强度的空间分布
薄靶周围X射线强度的角分布 当管电压升高时，X射线最大强度方向逐渐 趋向电子束的入射方向，X射线的强度分布 趋于集中。
连续X射线强度的空间分布
厚靶的X射线空间分布
―足跟”效应(阳极效应)：愈靠近阳极，沿管长轴 分布的X射线强度下降得愈多。 如射线B比阴极侧的射线A在阳极靶内穿越远，能 量与强度衰减更多。
E h h c

能量 动量
p
h

光子与一般基本粒子的本质区别：光子的静止质 量为0，运动时才有质量，速度越大质量越大。
3.2.3 X射线产生
韧致辐射
韧致辐射：带电粒子与原子(原子核库仑场)
相碰撞，发生骤然减速，伴随产生的辐射
。或称刹车辐射。
X射线的产生原理
高速运动的电子与金属靶材碰撞时，发生