第1章 射线检测技术

特征谱
K
K
加速电压超过临界值时产生特 征谱线。由电子跃迁导致 每一谱线都有特定波长， 电子撞击的物质不同， 特定波长的值也不同； 特征谱可以分成若干组， 分别命名为K、L、M等系 特征谱线。
相对 强度
12 10 8 6 4 2 0 0.02 0.04 0.06 0.08 35kV
λ/nm
1895年，伦琴发现X射线（德国）
1912年，库利吉研制出新型的X射线管—白炽阴极X射线管 （美国）
1922年，第一次工业射线照相（美国） 1930年代，射线照相检验技术开始进入正式工业应用 1940年代，射线照相检验底片的质量问题被首次提出。1962 年前后，建立了完整的、至今仍在指导常规射线照相检验技 术的基本理论。 1970年代以后，图像增强器射线实时成像检测技术、射线层 析检测技术（CT技术）、康普顿散射成像检测技术等发展迅 速。 1990年以后，射线检测技术进入了数字射线检测技术时代。
连
X射线功率 K1 ZV 2 X射线管效率 K1 ZV 电子流功率 iV
特征谱X射线
• 特点：是在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱 线，它和可见光中的单色相似，亦称单色X射线。 当电压达到临界电压时，标识谱线的波长不再变，强度随 电压增加。如钼靶K系标识X射线有两个强度高峰为Kα和 Kβ，波长分别为0.71A和0.63A.
1.1.2 射线检测主要方法
1.1.3 射线检测技术的特点、适用性与局限性
• 特点
(1) 对被检工件无特殊要求；
材料、表面、结构
(2) 检测结果显示直观； (3) 检测结果可以长期保存； (4) 检测工作质量可以自我监测。
1.1.3 射线检测技术的特点、适用性与局限性 • 适用性
(1) 探伤：铸造、焊接工艺缺陷检验，复合材料构件检 验等； (2) 测量：厚度在线实时测量，结构形状与尺寸测定； (3) 检查：机场、车站、海关安检， (4) 研究：弹道、爆炸、核技术、铸造工艺等动态过程 研究，考古研究，反求工程等。
12 10
K
相对 强度
K
50kV
钼靶的标识谱 叠加在连续谱上
8 6 4 2 0 0.02
40kV
35kV 30kV 20kV 0.04 0.06 0.08
λ/nm 1.00
1.2.1.2 X射线的产生及X射线谱
X射线谱
连续谱
高速带电粒子射到阳极时，受靶核库仑场作用而速度骤减 (连续变化)时产生的辐射。
短波
微波 （电视、雷达）
毫 米 波
红外
可 见 光
紫外
g
X射线
γ 射 线
频率（Hz）105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 1019 1020 1021 1022
特征谱X射线
莫塞莱定律
• 标识X射线谱的频率和波长只取决于阳极靶物质的原子能 级结构，是物质的固有特性。且存在如下关系： • 莫塞莱定律：标识X射线谱的波长λ与原子序数Z关系为：
1

标识X射线的强度特征
C Z
• K系标识X射线的强度与管电压、管电流的关系为：
I 标 K 2iV Vk
1.2 射线检测物理基础
• 1.2.1 射线的种类和性质 • 1.2.2 射线与物质的相互作用 • 1.2.3 射线衰减规律
1.2.1 射线的种类和性质
• 1.2.1.1 射线分类 • 1.2.1.2 X射线与g 射线的主要特点
• 1.2.1.3 X射线的产生及X射线谱
• 1.2.1.4 g 射线
1.1
射线检测技术概述
• 1.1.1 射线检测技术的发展概况
• 1.1.2 射线检测主要方法
• 1.1.3 射线检测技术的特点、适用性与局限性
1.1
射线检测技术
射线检测技术概述
利用材料成分、密度、厚度等对射线(电磁辐射 或粒子辐射)产生不同的吸收或散射特性，检测工件 的缺陷或物理特性的技术。
1.1.1 射线检测技术的发展概况
1.2.1.3 g射线的产生及特点
γ射线的能量与放射性源的元Fra bibliotek种类与活度有关。 放射性活度 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： Bq，贝可 Bq＝1/s
1.2.1.4 X射线与γ 射线的主要特点
广泛地应用于机械、兵器、造船、电子、航空、航天等工 业领域，其中应用最广泛的方面是铸件和焊接件的检验。
1.1.3 射线检测技术的特点、适用性与局限性
• 局限性
对人体可产生伤害
对裂纹类缺陷的方向性限制
检测成本高
第一章 射线检测技术
• • • • • • • 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 射线检测技术概述 射线检测物理基础 射线检测的基本原理和方法 射线照相检验设备与器材 射线检测缺陷分析 射线照相影像质量 射线的防护

0
• 式中e—电子电荷，等于 4.8031010 静电单位； V—电子通过两极时的电压降（静电单位）； h—普朗克常数，等于 6.6251034 j s
• 试计算用 50千伏操作时，X射线管中的电子在撞击靶时的速度和动能 ，所发射的X射线短波限为多少？
X射线的强度
• X 射线的强度是指垂直 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。 常用的单位是 J/cm2.s. • X射线的强度I是由光子能量 hv和它的数目n两个因素决定 的,即I=nhv.连续X射线强度最大值在1.5λ0,而不在λ0处。 • 连续X射线谱中每条曲线下的面积表示连续X射线的总强 度。也是阳极靶发射出的X射线的总能量。图1-7 • 实验证明， I与管电流、管电压、阳极靶的原子序数存在 如下关系：I K1iZV m 且X射线管的效率为:
– 连续谱的最短波长: min – 最强波长： – 总能量： – 转换效率：
大原子序数 高管电压
hc 量子 一个电子在电场中得到动能１eV, 当它到达靶核时动能全部转化为 解释 eV 辐射能,由此发出的光波长最短,
代入常数后即得：
3 m min 2
I iZV 2
ZV
第一篇 常规无损检测技术
• 第一章 射线检测技术 • 第二章 超声波检测技术 • 第三章 涡流检测技术
• 第四章 渗透检测技术
• 第五章 磁粉检测技术
第一章 射线检测技术
• • • • • • • 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 射线检测技术概述 射线检测物理基础 射线检测的基本原理和方法 射线照相检验设备与器材 射线检测缺陷分析 射线照相影像质量 射线的防护
＿
+
电场中被加速,从阴极飞向阳极(管电
流),最终以很大速度撞击在金属靶上, 失去所具有的动能,这些动能大部分 转换为热能,仅有极少一部分转换为 X射线向四周辐射.
1.2.1.2 X射线的产生及X射线谱
X射线谱
连续谱：加速电压不太高时,X射线的强度随波长连续变化. 线状谱：加速电压达一定值时,连续谱上叠加着某些尖峰. 称为特征谱 特征谱峰值对应的波长取 决于靶材，可用来识别元素。
硬X射线
0.01 1
软X射线
10(Å)
λ
X射线波长范围及其大致分类
硬X射线:波长较短,能量 较高,穿透力较强,适用于金 属的无损探伤及相关分析. 软X射线…
1.2.1.2 X射线的产生及X射线谱
X射线的产生
X射线可用高速电子流轰击阳极靶A而获得
阴极(灯丝)
X射线管:
K
A
X射线是在X射线管中产生的,X 阳极(靶) 射线管是一个具有阴阳两极的真空 管,阴极是钨丝,阳极是金属制成的靶. 在阴阳两极之间加有很高的直流电 压(管电压),当阴极加热到白炽状态 时释放出大量电子,这些电子在高压
• 产生机理：标识X射线谱的产生机理与阳极物质的原子内 部结构紧密相关的。原子系统内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，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。
X射线
• 波动性 • 在晶体作衍射光栅观察到的 X射线的衍射现象即证明了 X射线的波动性。 • 粒子性 • 特征表现为以光子形式辐射和吸收时具有的一定的质 量、能量和动量。 • 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射线的频率ν、波长λ以及其光子的能量ε、动量p之 间存在如下关系： hc h h p • 式中h—普朗克常数，= 6.625×10-34 J.s; c--X射线的速度，=2.998× 1010 cm/s.
n
• 当I标/I连最大，工作电压为K系激发电压的3~5倍时，连续 谱造成的衍射背影最小。
1.2.1.3 g射线的产生及特点
g射线是放射性同位素经过衰变或衰变后，从激发态 向稳定态过渡的过程中从原子核内发出的，这一过程称为g
衰变，又称g跃迁．它是核内能级之间的跃迁，与原子的核
外电子的跃迁一样，都可以放出光子，光子的能量等于跃 迁前后能级能值之差．不同的是原子的核外电子跃迁发出 的光子能量在几电子伏到千电子伏之间．而核内能级的跃 迁放出的g光子能量在几千电子伏到几十兆电子伏之间．
1.00
连续谱
• 特点：具有连续波长的 X射线，构成连续 X射线谱，它和可 见光相似，亦称多色X射线。
• 产生机理：能量为eV的电子与阳极靶的原子碰撞时，电子 失去自己的能量，其中部分以光子的形式辐射，碰撞一次 产生一个能量为hv的光子，这样的光子流即为X射线。单 位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数 电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射，因此出 现连续X射线谱。