第一章 射线检测的物理基础

第一章射线检测的物理基础一、原子与原子结构1、元素与原子原子指在化学反应中不可分割的最小微粒。

原子由核外电子和原子核组成。

原子核由中子和质子组成。

电子的质量极轻，为9.109×10-28克。

电子带1个单位负电荷（1个单位负电荷=1.602×10-19库仑）。

质子的质量为1.6726×10-24克，中子的质量为1.6749×10-24克，两者质量几乎相等。

中子不带电，质子带1个单位正电荷。

1个原子中，核外电子数=核内质子数原子量=质子数+中子数原子序数=1个原子的质子数元素是具有相同核电荷数（质子数）的同一类原子的总称。

同一元素中的原子具有相同的核电荷数，即核内质子数相同、中子数不同的几种原子互称同为数。

如1H（氢）、21H（氘）、31H（氚）。

12、核外电子运动规律核外电子围绕原子核运动。

电子的运动轨迹各不相同，不同的轨迹具有不同的能量，称为能级。

电子轨迹呈云状分布，称作电子云。

根据电子轨道和电子云的参数，用于确定原子的电子层数和轨道能级，分别用K、L|、M、N·····表示。

当核外电子受激发时，会从低能级轨道跃迁到高能级轨道，高能级轨道的电子不稳定，会从高能级轨道跃迁回低能级轨道。

当电子高能级轨道跃迁回低能级轨道时，多余的能量会会以光能的形式释放，即ν=−'''h E E式中h------普朗克常数，6.626196×10-34J·s，ν------光子的频率。

3、原子核结构原子核由质子和中子构成，原子核的稳定与质子数、中子数分布有关系。

对于较轻的原子核，当质子数等于中子数时，原子核稳定。

对于重核，中子数必须大于质子数才能稳定。

偶数质子和偶数中子的同位素（偶偶核）最稳定，偶奇核和奇偶核都不及偶偶核稳定，最不稳定为奇奇核。

当质子数过多时，过多的质子放射正电子而转变为中子；中子数过多时，过多的中子将放射电子转变为质子。

原子核内部粒子的结合能分为体积能、表面能、对称能、库仑能和奇偶能。

二、原子核的衰变具有不稳定原子核结构的同位素自发地放出射线而转变为其他元素，这些同位素称为放射同位素。

放射同位素放出的射线是由原子核放出的，实际上是核的转变，因此称为原子核的衰变。

有的放射性同位素放出α射线（α衰变），有的放出β射线（β衰变），有的放出α射线或β射线的同时还放出γ射线。

这三种射线的基本性质简述如下：α射线是（42He ）原子核，它有很强的电离作用，但贯穿本领很小，在磁场中要发生偏转。

β射线是电子，它的电离作用较小，但有较大的贯穿本领。

在磁场中也要发生偏转，但偏转方向与α粒子的相反。

γ射线是光子，电离作用小，但贯穿本领大，在磁场中不发生偏转。

1. 放射性衰变规律不管是人工的还是自然的放射性同位素，其衰变都遵从指数规律，即0t N e N λ−=式中N 为时刻t 尚未部分的原子核个数，0N 为当t=0时的未部分的原子核个数，λ为衰变常数，每一种放射同位素各有它自己的λ值。

半衰期T ：是指放射同位素原子核数量衰变到一半所需要的时间，即T 001N N 21ln 2ln 20.693e T T λλλλ−==−== 2. 放射性强度一个放射源在单位时间内发生的衰变次数dN dt ，称为该放射源的强度I ，即00=t t dN I N e N dtI e I λλλλ−−=== 可见，放射源的强度按指数规律随时间减弱。

放射性强度通常用“居里”作单位，“居里”的定义是：每秒能产生3.7×1010次核衰变得放射源，其放射强度即为1居里。

二、射线检测用射线种类和性质1.X 射线X 射线是由阴极射线管产生的，当电子管的电子在大于100000伏的管电压加速下撞击阳极，阳极就会释放出X 射线。

a. 连续射线连续X 射线由于高速电子受原子核库伦场作用而产生的光子（电磁波），也称韧致辐射。

当某个电子动能全部转换为光子时，发射的光子频率由212CmV eU h h νλ=== 式中计算出的光子频率及为某一管电压下，电子管（X 射线管）发射的最高频率的Ｘ射线频率，即X 射线管发射的X 射线最高频率与管电压有关，与阳极靶材料无关。

b. 标识谱当X射线管的管电压超过某个临界值Ｕk时，阴极发射的电子可以获得足够的能量，它与阳极碰撞时，可以把原子能级低的内层电子逐出到能级高的轨道上，电子在高能级轨道不稳定，又跃回低能级轨道，发射特定的频率的光子，光子的频率为ν=−'''h E E可见标识谱是线状谱，不是连续谱。

标识辐射（也叫特征辐射）的光子频率与X射线管阳极靶的材料有关，与管电压无关。

c.X射线连续谱的曲线和总强度Ｘ射线波长与管电流曲线：Ｘ射线波长与管电压曲线：连续Ｘ射线总强度T I 与管电流ｉ（mA ）,管电压Ｕ（ＫＶ）、靶材料原子序数Ｚ有以下关系：2i T iZU I K =式中，i K 为比例常数，i K ≈1.1～1.4×10-6X 射线的产生效率η等于连续X 射线的总强度与T I 与管电压U 和管电流i 的乘积之比，即2T i i iZU I K ZU K Ui Ui η=== 2.γ射线γ射线是放射同位素在α衰变或β衰变过程中，原子核发射的一种光子，光子频率是线状的，它的频率大小与数量取决于原子核内能级的结构，与放射同位素种类有关。

工业探伤常用放射性同位素衰变公式；（1） Co60（钴）5960272760602728(1.172,1.33)Co n Co Co Ni MeV MeV γβγ+→+→++半衰期5.3年（2） Cs137(铯)13713755583(1.18,0.523,0.661)Cs Ba MeV MeV MeV βγ→++半衰期33年（3） Ir192(铱)191192777719219277761921927778Q ()()()(0.206,0.484,0.201,0.283)(0.670,0.840,0.240,0.5950.880,0.589,0.283,0.604,0.308,0.1360.415Ir n Ir Ir s e K MeV MeV MeV MeV Ir Pt MeV MeV MeV MeVMeV MeV MeV MeV MeV MeVM γγβγ+→+→+++→++锇俘获,0.468,0.172,0.612,0.295,0.316)eV MeV MeV MeV MeV MeV 半衰期74天（4） Tm(铥)16917069691701706970()(0.968,0.886,0.084)Tm n Tm Tm Yb MeV MeV MeV γβγ+→+→++镱半衰期129天（5） Se757475343475753433()(e)(K )(0.066,0.097,0.121,0.136,0.199,0.265,0.280,0.304,0.401)Se n Se Se As MeV MeV MeV MeV MeV MeV MeV MeV MeV γγ+→+→+++砷俘获半衰期120.4天3.中子射线中子射线是通过核反应堆或高能加速器获得，工业上不常用。

4.工业射线检测用射线性质虽然X射线、γ射线产生的机制不同, 能量也可以不同, 但它们的量子都是光量子(光子) ,都是电磁辐射。

而α粒子、β电子、中子和质子等都是粒子辐射。

由于α粒子、β电子、质子都带有电荷，容易使物质发生电离，穿透能力特别弱，不能用来进行工业探伤。

中子射线不带电，穿透能力，可用于固体导弹、火箭的检测，但由于设备庞大、防护条件要求高，不能用于民用工业探伤。

X射线、γ射线是超高频电磁波，有较好的穿透能力，防护也方便，是工业探伤常用的射线。

X射线、γ射线是电磁波，探伤符合波的基本物理规律，具有波粒二象性。

三、射线与物质的相互作用 射线照射物质时，会与物质发生光电效应、康普顿效应、电子对效应、瑞利散射四种现象。

1． 光电效应当低能量射线照射物质时，光子的全部能量转移给原子核外电子，使电子脱离原子核约束，变成自由电子（也称光电子），光子消失。

这种现象称为光电效应。

光电子能量 e E 与入射光子能量h ν以及电子所在轨道色逸出能i E 有如下关系：e i E h E ν=−光电效应发生的概率与射线能量和原子序数有关，它随着射线（光子）能量增大而减小，随着原子序数Z的增大而增大。

2.康普顿效应当中等能量射线照射物质时，光子与原子外层电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移电子，使电子成为反冲电子，而光子能量和传播方向发生改变。

这种现象称为康普顿效应。

康普顿效应总是发生在自由电子或束缚力最小的原子的最外层电子上。

康普顿效应发生概率大致与物质原子序数成正比，与光子能量成反比。

3. 电子对效应当光子从原子核旁经过时，在原子核库伦场的作用下，光子转化为1个正电子和1个负电子，这种现象称为电子对效。

h e e ν−+=+根据质量守恒定律，入射光子必须大于2个电子的静止能量202m c ，即大于1.02MeV时，才能发生电子对效应。

4. 瑞利散射当射线照射物质时，光子能量刚好等于原子内层电子轨道能级差，低能级轨道电子获得光子能量后跃迁到高能级，电子在高能级轨道上不稳定又反跳回原来低能级轨道，同时释放1个光子，释放的光子能量与入射光子能量相同，但传播方向已发生改变。

这种现象称为瑞利散射。

5．各种相互作用发生的概率及在射线检测上的应用a.对于低能量射线和原子序数高的物质，光电效应占优势。

b.对于中等能量射线和原子序数低的物质，康普顿效应占优势。

c.对于高能量射线和原子序数高的物质，电子对效应占优势。

在射线检测工作中，光电效应和电子对效应引起的射线吸收有利于提高照相对比度，而康普顿效应产生的散射线会降低照相对比度。

四、射线照相的衰减规律及照相原理射线在照射物质时会发生光电效应、康普顿效应、电子对效应、瑞利散射，穿透的射线强度会减弱，射线强度的衰减规律符合指数规律。

1.窄束、单色射线的强度衰减规律窄束射线：指传播方向均平行或接近平行的射线束。

单色射线：指由单一频率电磁波组成的射线，或者说，由相同能量光子组成的辐射流。

窄束、单色射线：由单一频率电磁波组成的平行射线束。

强度为I窄束、单色射线穿透一定厚度T的物质后，穿透的平行射线强度I为0TI I eμ−=式中μ为线衰减系数，与射线能量、物质的原子系数、物质的密度有关。

在实际应用中，常使用半价层表示某种能量射线穿透某种物质的能力，即1200121ln 122ln 20.69312T e I I T T μμμμ−==−== 2. 宽束、多色射线的强度衰减规律实际工作中应用的射线不可能是理想的窄束、单色射线，而是发散、包含几个或无数个频率的射线，射线的衰减规律比较复杂。