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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
