第二章-射线检测
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
X射线通常是将高速运动的电子作用到金属靶(一般是重
金属)上而产生的,见教材p47。图2-2是在35 kV的电压下操作
时，钨靶与钼靶产生的典型的X射线谱。钨靶发射的是连续光
谱，而钼靶除发射连续光谱之外还叠加了两条特征光谱，称
为标识X射线，即Kα线和Kβ线。若要得到钨的Kα线和Kβ线，
则电压必须加到70 kV以上。
一个具有足够能量的光子释放出它的全部动能而形成具 有同样能量的一个负电子和一个正电子，这样的过程称为电 子对的产生。 产生电子对所需的最小能量为0.51 MeV，所以 光子能量hv必须大于等于1.02 MeV，如图2-6所示。
图2-6Байду номын сангаас电子对的产生和消失
光子的能量一部分用于产生电子对，一部分传递给电子 和正电子作为动能，另一部分能量传给原子核。在物质中负 电子和正电子都是通过原子的电离而损失动能，在消失过程 中正电子和物质中的负电子相作用成为能量各为0.51 MeV的 两个光子，它们在物质中又可以通过光电效应和康普顿效应 进一步相互作用。
图2-2 钨与钼的X射线谱
1） 连续X
根据电动力学理论，具有加速度的带电粒子将产生电磁辐
射。在X射线管中，高压电场加速了阴极电子，当具有很大动
能的电子达到阳极表面时，由于猝然停止，它所具有的动能必 定转变为电磁波辐射出去。由于电子被停止的时间和条件不同， 所以辐射的电磁波具有连续变化的波长。
在任何X射线管中，只要电压达到一定数值，连续X射线总 是存在的。连续X射线具有以下特点：
(1) 连续X射线的波长与阳极的材料无关。
(2) 连续X射线的波长在长波方向，
λ=∞；而在短波方向，实验证明具有最短波长λmin(见图2-2)， 且有
m in
1.24 U
(nm)
（2-1）
式中：U为X射线管的管电压，单位为kV。
（3） X射线管的效率为
P ZIU2 ZU
P0 IU
（2-2）
图2-4 光电效应
（2） 康普顿效应。在康普顿效应(见图2-5)中，一个光子撞 击一个电子时只释放出它的一部分能量，结果光子的能量减弱 并在和射线初始方向成θ角的方向上散射，而电子则在和初始 方向成φ角的方向上散射。这一过程同样服从能量守恒定律， 即电子所具有的动能为入射光子和散射光子的能量之差， 最 后电子在物质中因电离原子而损失其能量。
第二章 射线检测
2.1 射线检测的物理基础
一、 射线的种类和频谱
在射线检测中应用的射线主要是X射线、γ射线和中子射线。 X射线和γ射线属于电磁辐射，而中子射线是中子束流。
1) X X射线又称伦琴射线，是射线检测领域中应用最广泛的一 种射线，波长范围约为0.0006～100 nm(见图2-1)。 在X射线检 测中常用的波长范围为0.001～0.1 nm。X射线的频率范围约为 3×109～5×1014 MHz。
三、 射线的特性
1 具有穿透物质的能力 2 不带电荷、不受电磁场的作用 3 具有波动性、粒子性，即所谓的二象性 4 能使某些物质起光化学作用 5 能使气体电离和杀死有生命的细胞
四、 射线通过物质的衰减定律
1）
射线与物质的相互作用主要有三种过程：光电效应、康普 顿效应和电子对的产生。 这三种过程的共同点是都产生电子， 然后电离或激发物质中的其他原子；此外，还有少量的汤姆森 效应。光电效应和康普顿效应随射线能量的增加而减少，电子 对的产生则随射线能量的增加而增加，四种效应的共同结果是 使射线在透过物质时能量产生衰减。
3）
中子是构成原子核的基本粒子。中子射线是由某些物质 的原子在裂变过程中逸出高速中子所产生的。工业上常用人 工同位素、加速器、反应堆来产生中子射线。在无损检测中 中子射线常被用来对某些特殊部件(如放射性核燃料元件)进行 射线照相。
二、 X
X射线是一种波长比紫外线还短的电磁波，它具有光的特
性，例如具有反射、折射、干涉、衍射、散射和偏振等现象。 它能使一些结晶物体发生荧光、气体电离和胶片感光。
图2-1 射线的波长分布
2) γ射线
γ射线是一种波长比X射线更短的射线，波长范围约为
0.0003 ～ 0.1 nm （
2-1 ） ， 频 率 范 围 约 为 3×1012 ～
1×1015MHz。
工业上广泛采用人工同位素产生γ射线。由于γ射线的 波长比X射线更短，所以具有更大的穿透力。在无损检测中γ 射线常被用来对厚度较大和大型整体工件进行射线照相。
在绝大多数的轻金属中，射线的能量大约在0.2～3 MeV 范围时，康普顿效应是极为重要的效应。 康普顿效应随着射 线能量的增加而减小，其大小也取决于物质中原子的电子数。 在中等原子序数的物质中，射线的衰减主要是由康普顿效应引 起， 在射线防护时主要侧重于康普顿效应。
图2-5 康普顿效应
（3） 电子对的产生。
（1） 光电效应。
在普朗克概念中每束射线都具有能量为E=hv的光子。光
子运动时保持着它的全部动能。 光子能够撞击物质中原子轨 道上的电子，若撞击时光子释放出全部能量，并将原子电离， 则称为光电效应(见图2-4)。光子的一部分能量把电子从原子 中逐出去，剩余的能量则作为电子的动能被带走，于是该电子 可能又在物质中引起新的电离。 当光子的能量低于1 MeV时， 光电效应是极为重要的过程。另外，光电效应更容易在原子序 数高的物质中产生，如在铅(Z＝82)中产生光电效应的程度比 在铜(Z=29)中大得多。
式中：P=αZIU2为连续X射线的总功率；P0=IU为输入功率；Z 为阳极的原子序数；U为管电压，单位为kV；α为常数，约等 于1.5×10-6。
(4) X射线管的 管电压愈高，其连续
X射线的强度愈大，
而且其最短波长λmin 愈向短波方向移动， 如图2-3所示。
图2-3 不同管电压下钨靶连续X射线
2） 标识X
根据原子结构理论，原子吸收能量后将处于受激状态， 受 激状态原子是不稳定的，当它回复到原来的状态时，将以发射 谱线的形式放出能量。在X射线管内，高速运动的电子到达阳 极靶时将产生连续X射线。如果电子的动能达到相当的数值， 可足以打出靶原子(通常是重金属原子)内壳层上的一个电子， 该电子或者处于游离状态，或者被打到外壳层的某一个位置上。 于是原子的内壳层上有了一个空位，邻近壳层上的电子便来填 空，这样就发生相邻壳层之间的电子跃迁。这种跃迁将发射出 线状的X射线。显然，这种X射线与靶金属原子的结构有关， 因此称其为标识X射线或特征X射线。标识X射线通常频率很高， 波长很短。
金属)上而产生的,见教材p47。图2-2是在35 kV的电压下操作
时，钨靶与钼靶产生的典型的X射线谱。钨靶发射的是连续光
谱，而钼靶除发射连续光谱之外还叠加了两条特征光谱，称
为标识X射线，即Kα线和Kβ线。若要得到钨的Kα线和Kβ线，
则电压必须加到70 kV以上。
一个具有足够能量的光子释放出它的全部动能而形成具 有同样能量的一个负电子和一个正电子，这样的过程称为电 子对的产生。 产生电子对所需的最小能量为0.51 MeV，所以 光子能量hv必须大于等于1.02 MeV，如图2-6所示。
图2-6Байду номын сангаас电子对的产生和消失
光子的能量一部分用于产生电子对，一部分传递给电子 和正电子作为动能，另一部分能量传给原子核。在物质中负 电子和正电子都是通过原子的电离而损失动能，在消失过程 中正电子和物质中的负电子相作用成为能量各为0.51 MeV的 两个光子，它们在物质中又可以通过光电效应和康普顿效应 进一步相互作用。
图2-2 钨与钼的X射线谱
1） 连续X
根据电动力学理论，具有加速度的带电粒子将产生电磁辐
射。在X射线管中，高压电场加速了阴极电子，当具有很大动
能的电子达到阳极表面时，由于猝然停止，它所具有的动能必 定转变为电磁波辐射出去。由于电子被停止的时间和条件不同， 所以辐射的电磁波具有连续变化的波长。
在任何X射线管中，只要电压达到一定数值，连续X射线总 是存在的。连续X射线具有以下特点：
(1) 连续X射线的波长与阳极的材料无关。
(2) 连续X射线的波长在长波方向，
λ=∞；而在短波方向，实验证明具有最短波长λmin(见图2-2)， 且有
m in
1.24 U
(nm)
（2-1）
式中：U为X射线管的管电压，单位为kV。
（3） X射线管的效率为
P ZIU2 ZU
P0 IU
（2-2）
图2-4 光电效应
（2） 康普顿效应。在康普顿效应(见图2-5)中，一个光子撞 击一个电子时只释放出它的一部分能量，结果光子的能量减弱 并在和射线初始方向成θ角的方向上散射，而电子则在和初始 方向成φ角的方向上散射。这一过程同样服从能量守恒定律， 即电子所具有的动能为入射光子和散射光子的能量之差， 最 后电子在物质中因电离原子而损失其能量。
第二章 射线检测
2.1 射线检测的物理基础
一、 射线的种类和频谱
在射线检测中应用的射线主要是X射线、γ射线和中子射线。 X射线和γ射线属于电磁辐射，而中子射线是中子束流。
1) X X射线又称伦琴射线，是射线检测领域中应用最广泛的一 种射线，波长范围约为0.0006～100 nm(见图2-1)。 在X射线检 测中常用的波长范围为0.001～0.1 nm。X射线的频率范围约为 3×109～5×1014 MHz。
三、 射线的特性
1 具有穿透物质的能力 2 不带电荷、不受电磁场的作用 3 具有波动性、粒子性，即所谓的二象性 4 能使某些物质起光化学作用 5 能使气体电离和杀死有生命的细胞
四、 射线通过物质的衰减定律
1）
射线与物质的相互作用主要有三种过程：光电效应、康普 顿效应和电子对的产生。 这三种过程的共同点是都产生电子， 然后电离或激发物质中的其他原子；此外，还有少量的汤姆森 效应。光电效应和康普顿效应随射线能量的增加而减少，电子 对的产生则随射线能量的增加而增加，四种效应的共同结果是 使射线在透过物质时能量产生衰减。
3）
中子是构成原子核的基本粒子。中子射线是由某些物质 的原子在裂变过程中逸出高速中子所产生的。工业上常用人 工同位素、加速器、反应堆来产生中子射线。在无损检测中 中子射线常被用来对某些特殊部件(如放射性核燃料元件)进行 射线照相。
二、 X
X射线是一种波长比紫外线还短的电磁波，它具有光的特
性，例如具有反射、折射、干涉、衍射、散射和偏振等现象。 它能使一些结晶物体发生荧光、气体电离和胶片感光。
图2-1 射线的波长分布
2) γ射线
γ射线是一种波长比X射线更短的射线，波长范围约为
0.0003 ～ 0.1 nm （
2-1 ） ， 频 率 范 围 约 为 3×1012 ～
1×1015MHz。
工业上广泛采用人工同位素产生γ射线。由于γ射线的 波长比X射线更短，所以具有更大的穿透力。在无损检测中γ 射线常被用来对厚度较大和大型整体工件进行射线照相。
在绝大多数的轻金属中，射线的能量大约在0.2～3 MeV 范围时，康普顿效应是极为重要的效应。 康普顿效应随着射 线能量的增加而减小，其大小也取决于物质中原子的电子数。 在中等原子序数的物质中，射线的衰减主要是由康普顿效应引 起， 在射线防护时主要侧重于康普顿效应。
图2-5 康普顿效应
（3） 电子对的产生。
（1） 光电效应。
在普朗克概念中每束射线都具有能量为E=hv的光子。光
子运动时保持着它的全部动能。 光子能够撞击物质中原子轨 道上的电子，若撞击时光子释放出全部能量，并将原子电离， 则称为光电效应(见图2-4)。光子的一部分能量把电子从原子 中逐出去，剩余的能量则作为电子的动能被带走，于是该电子 可能又在物质中引起新的电离。 当光子的能量低于1 MeV时， 光电效应是极为重要的过程。另外，光电效应更容易在原子序 数高的物质中产生，如在铅(Z＝82)中产生光电效应的程度比 在铜(Z=29)中大得多。
式中：P=αZIU2为连续X射线的总功率；P0=IU为输入功率；Z 为阳极的原子序数；U为管电压，单位为kV；α为常数，约等 于1.5×10-6。
(4) X射线管的 管电压愈高，其连续
X射线的强度愈大，
而且其最短波长λmin 愈向短波方向移动， 如图2-3所示。
图2-3 不同管电压下钨靶连续X射线
2） 标识X
根据原子结构理论，原子吸收能量后将处于受激状态， 受 激状态原子是不稳定的，当它回复到原来的状态时，将以发射 谱线的形式放出能量。在X射线管内，高速运动的电子到达阳 极靶时将产生连续X射线。如果电子的动能达到相当的数值， 可足以打出靶原子(通常是重金属原子)内壳层上的一个电子， 该电子或者处于游离状态，或者被打到外壳层的某一个位置上。 于是原子的内壳层上有了一个空位，邻近壳层上的电子便来填 空，这样就发生相邻壳层之间的电子跃迁。这种跃迁将发射出 线状的X射线。显然，这种X射线与靶金属原子的结构有关， 因此称其为标识X射线或特征X射线。标识X射线通常频率很高， 波长很短。