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1、73 X 射线检测本节主要介绍 X 射线检测的基本知识、基本原理、常用设备和检测方法,重点介绍提高检 测灵敏度的措施。731 X 射线的基础知识一、定义入=(0.0150)nm, f = 3X10i620 Hz的电磁波。1895年伦琴在阴极管放电 实验中,发现高速电子流射到一些固体表面,产生一种特殊的射线,它可以穿 透可见光不能穿透的物质,使得感光片感光。伦琴称之为X射线。电磁波理论认为下列波都属于电磁波:只是波长和频率不同而已。表1X射线的波长和频率名称无线电波红外线可见光紫外线X射线Y 射线波长入3X1012 (7.7 4)4X10-610-9(cm)1063.9 XX10-510-5 1
2、0-10以下10-210136X10-7频率103 X 10 -(3.97.5 X3X3 Xf(Hz)3X10122 7.77.5)X10141016 201019X10-510145 X以上1016X射线是由波动着的微粒组成,微粒称为X射线光子;每个光子的能量为:E=hf式中:E光子的能量;尔格.秒h普朗克常数,6624X 1027尔格.秒;cmf 频率。通常,在X射线探伤中,使用的x射线的波长用下式计算:2=12.35/V式中:A波长(埃),1埃等于10-7 cm;V 管电压( KV );由于软 X 射线的吸收系数较大,射线穿透工件后,由于衰减造成的强弱分布 明显,能够得到的衬度对比分明的
3、底片。二、X射线的发生X 射线管就是一个热阴极高压二极管。从下图可见,当阴极灯丝被加热后, 并在阴、阳极之间加高压电(几万几十万伏)后,阴极就会释放出电子,并 在高压电场作用下,以相当大的速度撞击阳极;这时大部分能量以热能的形式 释放,只有一小部分能量转变为X射线。三、X 射线的分类按照波长的大小,将其分为两类连续X射线和标识X射线。1、连续 X 射线波长在(0.0020.01)nm之间,连续变化的X射线。X探伤就是采用这种 X 射线。研究发现,当e撞击阳极时,大致是多次撞击;即第一次撞击后,e能量 处于中级状态,其失去的能量转化为一定波长的光量子;第二次撞击,失去 的能量又会转化为一定波长的
4、光量子;依此类推,若干次的撞击,每次都会 产生一定波长的X射线。像这样,大量的电子撞击阳极靶,每种光量子的波长就会是任意值;从 而使得X射线的波长显示为连续数值。用数学式子表示: max=eV=hC/入 +hC/入 +hC/入 + +hC/入 n123式中:8 max阴极射出粒子带有的最高能量;e粒子带有的电荷;C光速度;V管电压;图1是不同管电压辐射的连续X射线谱。从图中可见:(一所书P182图6 3) 其一、不同的管电压,辐射的X射线谱线不同;管电压愈大,谱线的位置愈高; 说明其强度愈大;其二、同一管电压时,强度按照谱线按照波长的大小连续分布,并有一个极大值; 还可见波长较小,强度较高。有
5、一个半经验公式,描述出连续X射线的总强度:J=KZiV2式中:J连续X射线的总强度;K由实验确定的常数;Z 阳极靶材料的元素序数;i 管电流;V 管电压。从式中可见,当X射线机选定后,X射线的总强度与管电压平方、管电流呈正比。2、标识X射线在X射线的波谱中,有几个特殊的波长,强度特别大,它的波长数值与管电压无关,而与阳极靶的元素种类有关。通常称之为元素的标识 X 射线。图 3 是Mo的标识X射线和连续X射线的波谱与强度的关系图。作此图时,管电压是35KV,其中波长为063、071埃,分别是MoK、MqKr线系,其实,每种元素都有多条 aP标识X射线。其示意图见P183图64。图 6 4 标识
6、X 射线示意图( 1 所书 P183 图 6 4 )K 表示由核外第一层电子中被激发到第二层后,又回到第一层时,释放的光 a量子;K 表示由核外第一层电子中被激发到第三层后,又回到第一层时,释放的光P量子;由于每种元素的原子结构不同,所以从每层电子层中,被激发后,又回到原来层 的电子,释放的 X 射线也不同;从而可以鉴别出阳极材料的元素。它是材料成 分分析时的重要手段。四、X射线的性质(与探伤有关的性质)1、不可见、以直线传播、不带电、不受电场和磁场的影响;与可见光一样,可 以反射、折射、透射、干涉、绕射等。但是反射是漫散射;折射也不像可见光 那样能观察到。2、穿透能力强,课穿透肌肉、骨骼、金
7、属;被吸收后能产生热量;3、能感光、能是某些物质产生荧光作用;4、能引起生物效应,杀死和伤害细胞。732 X 射线探伤的原理可见光不能透射一张黑纸,而X射线可以透射钢板。可见其透射能力之强。 但是它透射后要损失一部分能量,称为衰减。研究发现,X射线透射能力与被透 射物质种类(原子序数)和厚度有关。一、衰减X 射线透射物质后,失去部分能量的现象,称为衰减。研究发现引起衰减的 因素有两条吸收和散射。1、吸收 X 射线穿透物质时,部分能量变成热能的现象。吸收是由于光电效应 和电子对形成引起的。1)光电效应(i) 定义光子与核外电子的效应,称为光电效应。它是X射线的光子,在穿透物质时, 打在物质的轨道
8、电子上,电子吸收了光子的能量而飞出来,形成光电子;此时, 光子消失。这种现象即为光电效应。(ii) 光电效应的数学表达式光电效应的数学表达式即为:T=hf -Be式中:T光电子的能量;hfX 射线光子的能量;Be物质中轨道电子的结合能。X 射线发生光电效应后,本身被物质所吸收;而释放出来的光电子主要是 K 层 的电子(也有L层和其它层的电子)。发生光电效应后,主要是K层(也有L层 和其它层)电子轨道出现电子的空位,就会有较远的轨道上的电子来补充这些 空位;当补充电子后,就会释放出标识X射线。通常,称之为二次标识X射线。 这种标识 X 射线向各个方向辐射。(iii)影响光电效应的因素其一、光电子
9、的发射方向与光量子的能量hf有关;该值愈小,二者方向垂直; 该值愈大,二者方向一致。其二、光量子的吸收和物质的原子序数Z有关,Z愈大,光量子被吸收的几率T 愈高;即:T =0 0089p Z4.I入 n/A式中:T光量子被吸收的概率;P吸收物质的密度;z吸收物质的原子序数;入一一光量子的波长;A吸收物质的原子质量;n常数;当Z = 56时,n = 3.05;当 Z = 11 26 时,n=2.85;从上式可见,n是影响吸收几率T的主要因素。其三、光电效应的强弱与 Z2/ (hf) 3成比例;即原子序数 Z 愈大, X 射线光子 的能量愈小,光电效应愈强,X射线被吸收的就愈多。其四、光电效应同时
10、会产生标识X射线。2)电子对的形成光子与原子核的效应,称为电子对的形成。发生这种效应时,光子被原子核 吸收,但同时释放一对电子。当电子对形成时,光子消失。研究发现,当能量102MeV (兆电子伏)的射线光子,接近被照射物质的原 子核时,光子立即消失,形成一对电子(一个正电子和一个负电子),并飞出来。 通常,称之为电子对形成。需要指出的是,在一般 X 射线探伤时,不会发生电 子对形成的现象,只有高能X射线探伤和较硬的丫射线探伤中才会有这种效应 出现。图5是电子对形成示意图(1所书P192图6 6) 影响电子对形成的因素:其一、光子的能量要足够大,即能量102MeV。 其二、电子对出现在原子核附近
11、; 其三、电子对的几率正比于原子序数,原子序数愈大,该现象愈重要。2、散射光子与自由电子相碰撞,改变运动方向,称为散射。通常将散射又细分为两种康普顿散射、汤姆逊散射和瑞利散射。 (1)康普顿散射图 6 7 是康普顿散射示意图。从图中可见,能量为 hf 的入射光子,与原 子外层轨道电子碰撞后,一部分动能传递给电子,使得电子从原来轨道飞出, 形成反冲电子;同时入射光子变为散射光子;图中的角少和e表示它们与入射 光子运动方向的夹角;e为散射角。研究发现少和e角的大小和hf有关,后者 愈大,这两个角愈小。研究发现,康普顿散射的发生与光子能量大小和物质原子序数有关;当光子 具有中等能量,它入射各种元素的
12、原子时,都主要发生这种散射。(2)汤姆逊散射当入射的光子能量很低,并与自由电子碰撞后,光子的能量不变,仅仅改 变运动方向,这种散射,称为弹性散射,亦称汤姆逊散射。(3)瑞利散射图 68 是瑞利散射示意图,从图中可见,一个轨道电子吸收光子后跃迁 到高能级,随机又释放出一个散射光子,后者的能量约等于入射光子的能量。 图中e为散射角。因此瑞利散射是光子与内层电子的碰撞后形成的散射。研 究发现,在入射能量较低(0.5200keV)时,必须注意这种散射。图 6 10P200 是光子与物质相互作用是三种效应的示意图。从中可见,当入 射光子的能量与物质的原子序数不同时,它们各自的作用范围不同。表 61 对其
13、作用结果作出了比较。二、衰减 射线穿过物质后强度减少的现象,称为衰减。衰减的原因有两条主要由于吸收,此外还有散射。射线衰减的规律称为 衰减律。其计算公式为:Jd=J。e-“d式中:JdX射线穿过物质后的强度;J0X 射线未穿过物质时的强度;M 衰减系数,由X射线穿透1cm物质后,强度的衰减程度表示。研究发现:M =t +6 ;式中T吸收系数;5散射系数; d物质的厚度; e自然对数的底;通常,为了使用的方便,人们用物质半衰减层厶(亦称半价层)表示入射射线 的衰减程度,即能使射线强度衰减一半时物质的厚度。即:Jd = J0/2 = J0 缶并对上式取对数,求出值,得到厶= 2/m =0.693/
14、p 下表列出常用材料的半价层数值。三种材料的半价层的数值(mm)光量子冃能量(keV)AlFeCu404.60.240.168012.81.471.0230024.78.07.050030.410.59.3从表中可见,光量子能量f,半价层的数值f;并可见物质密度愈大,半价 层的数值愈小。三、X射线探伤的基本原理X 射线穿透材料时,遇到缺陷,由于缺陷和材料的吸收、散射能力不同, 透射后的射线强度就不同;感光底片反映出这种差异,就可以检测出缺陷的尺 寸、形状;结合经验并能判断出缺陷的性质。如工件内部有裂纹,感光后底片 接受的穿透 X 射线就多,曝光量就大,暗室处理后,该处呈黑色的裂纹影像; 无缺陷处则呈白色。733 胶片与辅助设备和暗室技术胶片是 X 射线探伤必须的器材;为了提高底片感光质量的器材和用具统称 为辅助设备。此处同时介绍它们的应用方法和技术。一、 胶片此处主要介绍胶片的构造和应用。1、胶片的构造胶片通常称为底片。它由片基、结合层、感光乳剂层和保护层4 部分组成。 图 5 16P225 教材是 X 射线探伤用胶片构造示意图。从图中可见,片基是用醋酸纤维素制成的,它是胶片的骨架。结合层由明胶、水、润湿剂等组成,用于粘结片基和感光乳剂层;感光乳剂层又称感光药膜,它主要由AgBr微粒和明胶