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1、第二章射线检测 第一节射线检测的物理基础知识第二节X射线检测的基本原理和方法第三节X射线照相检测技术第四节常见缺陷及其在底片上的影像特征第五节 射线探伤和中子射线检测简介第六节射线的防护 第二章射线检测 第二章射线检测 射线检测是利用各种射线对材料的透射性能及不同材料对射线的吸收 衰减程度的不同 使底片感光成黑度不同的图像来观察的 是一种行之有效而又不可缺少的检测材料或零件内部缺陷的手段 在工业上广泛应用 这是因为它具有以下优点 1 适用于几乎所有的材料 对零件几何形状及表面粗糙度均无严格要求 目前射线检测主要应用于对铸件和焊件的检测 2 射线检测能直观地显示缺陷影像 便于对缺陷进行定性 定量
2、和定位 3 射线底片能长期存档备查 便于分析事故原因 第二章射线检测 射线检测对气孔 夹渣 疏松等体积型缺陷的检测灵敏度较高 对平面缺陷的检测灵敏度较低 如当射线方向与平面缺陷 如裂纹 垂直时很难检测出来 只有当裂纹与射线方向平行时才能够对其进行有效检测 另外 射线对人体有害 需要有保护措施 第二章射线检测 射线检测的缺点 超声波探伤与X射线探伤的比较 超声波探伤 是利用超声能透入金属材料的深处 并由一截面进入另一截面时 在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法 当超声波束自零件表面由探头通至金属内部 遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来 在萤光屏上形成脉冲波形 根据这些脉冲波形来判
3、断缺陷位置和大小 超声波探伤比X射线探伤具有较高的探伤灵敏度 周期短 成本低 灵活方便 效率高 对人体无害等优点 缺点是对工作表面要求平滑 要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类 对缺陷没有直观性 超声波探伤适合于厚度较大的零件检验 超声波探伤与射线探伤都属于物理探伤 一 射线的种类和频谱 波长较短的电磁波叫射线 速度高 能量大的粒子流也叫射线 第一节射线检测的物理基础 第二章射线检测 带电离子贯穿物质的本领较差 不带电离子电中性贯穿物质的本领较强广泛用于无损检测 辐射 射线由射线源向外发射的过程 在射线检测中应用的射线主要是X射线 射线和中子射线 X射线和 射线属于电磁辐射 中子射线是中子束
4、流 由于他们属电中性 不会受到库伦场的影响而发生偏转 且贯穿物质的本领较强 被广泛应用于无损检测 1 X射线 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 是由原子的内层电子跃迁释放能量而发射出的一种电磁波 波长范围约为0 0006 100nm 在X射线检测中常用的波长范围为0 001 0 1nm X射线的频率范围约为3 109 5 1014MHz 第二章射线检测 射线的波长分布 第二章射线检测 X射线波长范围约为0 0006 100nm X射线检测中常用的波长范围为0 001 0 1nm 2 射线 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 1nm 频率范围约
5、为3 1012 1 1015MHz 工业上广泛采用人工同位素产生 射线 由于 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 射线常被用来对厚度较大和大型整体工件进行射线照相 第二章射线检测 3 中子射线 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 第二章射线检测 原子核位于原子中心 由带正电的质子和不带电的中子组成 质子和中子均具有质量 质子的电量与电子电荷相等 二 射线的产生 一 X射线的产生 X射线是一种
6、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 第二章射线检测 钨与钼的X射线谱 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 X射线源即X射线发生器主要由三部分组成 发射电子的灯丝 阴极 受电子轰击的阳极靶面 电子加速装置 高压发生器 图为在35kV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K 线和K 线 若要得到钨的K 线和K 线 则电压必须加到70kV以上 第二章射线检测 1 连续X射
7、线 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 电子的能量和波长不同 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 第二章射线检测 2 连续X射线的波长在长波方向 理论上可以扩展到 而在短波方向 实验证明具有最短波长 min 且有 式中 U为X射线管的管电压 单位为kV 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 第二章射线检测 3 X射线管的效率为 式中
8、P ZIU2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 钨靶为74 U为管电压 单位为kV 为常数 约等于1 5 10 6 第二章射线检测 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 min愈向短波方向移动 如图所示 不同管电压下钨靶连续X射线 第二章射线检测 2 标识X射线 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
9、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 低能级处 有了一个空位 邻近高能级壳层上的电子便来填空 这样就发生相邻壳层之间一系列电子的跃迁 外层高能级上的电子向内层低能级跃迁时将释放出多余能量 从而发射出X射线 显然 这种X射线与靶金属原子的结构有关 其能量或波长是确定的 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 在工业探伤中所获得的X射线谱中既有连续谱 也有标识谱 标识射线与连续射线能量相比要小得多 所以起主要作用的是连续谱 第二章射线检测 第二章射线检测 二 射线的产生 射线是一种电磁波 可以从天然放射性原子核中产生 也可以从人工放射性原子核中
10、产生 它是由放射性同位素的核反应 核衰变或裂变放射出的 射线探伤中使用的射线源是由核反应制成的人工放射线源 应用较广的有钴 60 射线与X射线的一个重要不同点是 射线源无论使用与否 其能量都在自然地逐渐减弱 可由半衰期来反映 三 中子射线的产生 中子是通过原子核反应产生的 对原子施加强大作用 当给与原子核的能量大于种子的结合能时 种子就释放出来 三 射线的特性 X射线 射线 中子射线都可用于固体材料的无损检测 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 即二象性 在做衍射试验的时候 粒子流和光束一样 都可以产生衍射波纹 同时在局部区域 光的衍射图案也如同粒子
11、的衍射图案一样 出现单个粒子形成的点 这个试验得出的结论就是 在微观粒子运动的时候 既有波动效应 也有粒子效应 这就是波粒二象性 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 第二章射线检测 四 射线通过物质的衰减 射线穿过物质时 与物质中的原子发生撞击 产生能量转换 引发能量的衰减和以下种种物理效应 一 X射线 射线通过物质时的衰减1 X射线 射线与物质的相互作用 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 还有少量的汤姆逊效应 光电效应和康普顿效应随射线能量的增加而减少 电
12、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 第二章射线检测 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 将所有能量传给电子 使其脱离原子而成为自由电子 光子本身消失 这种现象称为光电效应 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1MeV时 光电效应是极为重要的过程 第二章射线检测 1 光电效应 2 康普顿效应在康普顿效应中 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
13、量减弱并在和射线初始方向成 角的方向上散射 而电子则在和初始方向成 角的方向上散射 这种现象称为康普顿效应 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 在绝大多数的轻金属中 射线的能量大约在0 2 3MeV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 第二章射线检测 3 电子对的产生在原子核场的作用下 一个具有足够能量的光子释放出它的全部动能而转化具有同
14、样能量的一对正负电子 光子则完全消失 这样的过程称为电子对的产生 产生电子所需的最小能量为0 51MeV 所以光子能量hv必须大于等于1 02MeV 电子对的产生和消失 第二章射线检测 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 由于产生电子对的能量条件要求不小于1 02MeV 所以电子对的产生只有在高能射线中才是重要的过程 该过程正比于吸收体的原子序数的平方 所以高原子序数的物质电子对的产生也是重要的过程 第二章射线检测 电子对的产生和消失 汤姆逊效应 4 汤姆逊效应射线与物质中带电粒子相互作用 产生与入射射线波长相同的散射线的现象叫做汤姆逊效应
15、 这种散射线可以产生干涉 能量衰减十分微小 第二章射线检测 2 射线的衰减定律和衰减曲线 射线的衰减是由于射线光子与物体相互作用产生光电效应 康普顿效应 汤姆逊效应或电子对的产生 使射线被吸收和散射而引起的 由此可知 物质愈厚 则射线穿透时的衰减程度也愈大 射线衰减的程度不仅与透过物质的厚度有关 而且还与射线的性质 波长 物体的性质 密度和原子序数 有关 一般来讲 射线的波长愈小 衰减愈小 物质的密度及原子序数愈大 衰减也愈大 但它们之间的关系并不是简单的直线关系 而是成指数关系的衰减 第二章射线检测 设入射线的初始强度为I0 通过物质的厚度为d 射线能量的线衰减系数为 那么射线在透过物质以后
16、的强度I为 由于射线束是锥形 修正后为 第二章射线检测 宽束射线的衰减曲线 H 物体表面至射线源的距离 中子是电中性的粒子流 不是电磁波 具有巨大的速度和贯穿能力 中子射线在被测物质中的衰减主要取决于材料中对中子的捕获能力 设入射线的初始强度为I0 通过物质的厚度为d 射线能量的线衰减系数为 那么射线在透过物质以后的强度I为 第二章射线检测 二 中子射线通过物质时的衰减 一 射线检测的基本原理 射线检测是利用 射线通过物质衰减程度与被通过部位的材质 厚度和缺陷的性质有关的特性 使胶片感光成黑度不同的图像来实现的 检测原理 当射线通过被检物体时 有缺陷部位与无缺陷部位对射线的吸收能力不同 一般情况是通过有缺陷部位的射线强度高于无缺陷部位的射线强度 因此可以通过检测透过被检物体后射线强度的差异来判断被检物体中是否有缺陷存在 第二节 射线检测的基本原理和方法 第二章射线检测 当一束强度为I0的 射线平行通过被检测试件 厚度为d 后 其强度Id为 若被测试件表面有高度为h的凸起时 则 射线强度将衰减为 第二章射线检测 X射线检测原理图 如在被测试件内 有一个厚度为x 吸收系数为 的某种缺陷 则
