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1、第第3章章 工業(yè)射線檢測中的射線工業(yè)射線檢測中的射線3.1 射線分類射線分類 按電離性質(zhì)：從射線與物質(zhì)的相互作用引起的電離情況可分為(致)電離輻射和非(致)電離輻射。p電離輻射：任何與物質(zhì)作用，直接作用或間接作用可引起物質(zhì)電離的輻射。包括直接致電離粒子、間接致電離粒子。p直接致電離粒子如電子、射線、質(zhì)子、粒子等帶電粒子；p間接致電離輻射如X射線和射線，與物質(zhì)作用時(shí)能釋放直接致電離粒子或引起原子核變化。p非電離輻射：不能引起物質(zhì)電離的輻射。p 包括紅外線、微波等，能量較低，不能引起物質(zhì)的電離。射線分類射線分類按帶電性質(zhì)：射線可分為帶電粒子和中性輻射。p帶電粒子又可分為快電子（包括核衰變中發(fā)射的正

2、或負(fù)粒子，以及其他過程中產(chǎn)生的具有相當(dāng)能量的電子）和重帶電粒子（如質(zhì)子、核衰變中產(chǎn)生的粒子以及其他重帶電離子，他們都具有一個(gè)或多個(gè)原子質(zhì)量單位并具有一定能量）。p中性輻射又可分為電磁輻射（包括韌致輻射，原子的殼層電子躍遷過程中發(fā)射的特征X射線和核能級躍遷中發(fā)生的射線）和中子輻射（通常在自發(fā)裂變和核反應(yīng)中產(chǎn)生）。3.2 X射線射線3.2.1 X射線的發(fā)現(xiàn)射線的發(fā)現(xiàn)p1895年德國物理學(xué)家倫琴研究陰極射線管中氣體放電時(shí)發(fā)現(xiàn)X射線(電子-玻璃壁)p1901年倫琴獲諾貝爾物理獎(jiǎng)pX射線波長在108cm左右p硬X射線：比0.1nm短的X射線p 軟X射線：比0.1nm長的X射線3.2.2 X3.2.2 X

3、射線的性質(zhì)射線的性質(zhì)p本身不帶電，不受電場和磁場的影響p穿透性：射線光子的能量大，貫穿本領(lǐng)強(qiáng)。穿透程度與射線的波長，吸收物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。p電離作用電離作用：當(dāng)射線照射到物質(zhì)后，構(gòu)成物質(zhì)的原子的最外層電子被光子沖擊而脫離原子，使原子成為陽離子。p感光作用感光作用：射線能使照相底片感光。p熒光作用熒光作用：射線照射某些化學(xué)物質(zhì)，如硫化鋅等，可以發(fā)出黃綠色或藍(lán)紫色光，停止照射，熒光消失。p生物效應(yīng)生物效應(yīng)：生物體在射線照射下，能損害組織細(xì)胞，抑制細(xì)胞生長，甚至使細(xì)胞壞死。X射線的波粒二象性射線的波粒二象性p波動(dòng)特性n衍射n干涉n反射p粒子特性n特征表現(xiàn)為以光子形式輻射和吸收時(shí)具有的一定的質(zhì)量、能量和

4、動(dòng)量。n表現(xiàn)形式為在與物質(zhì)相互作用時(shí)交換能量。如光電效應(yīng)；二次電子等。X射線的本質(zhì)射線的本質(zhì)pX射線是電磁波。p量子理論認(rèn)為X射線是一種量子和光子組成的粒子流。愛因斯坦認(rèn)為光是光量子流，簡稱光子愛因斯坦認(rèn)為光是光量子流，簡稱光子。p光子與一般基本粒子的本質(zhì)區(qū)別光子與一般基本粒子的本質(zhì)區(qū)別：光子的靜止質(zhì)光子的靜止質(zhì)量為量為0，運(yùn)動(dòng)時(shí)才有質(zhì)量，速度越大質(zhì)量越大。能量動(dòng)量3.2.3 X射線射線產(chǎn)生產(chǎn)生韌致輻射韌致輻射p韌致輻射：帶電粒子與原子(原子核庫侖場)相碰撞，發(fā)生驟然減速，伴隨產(chǎn)生的輻射。或稱剎車輻射。X射線的產(chǎn)生原理射線的產(chǎn)生原理p高速運(yùn)動(dòng)的電子與金屬靶材碰撞時(shí)，發(fā)生能量轉(zhuǎn)換，電子的運(yùn)動(dòng)受阻

5、失去動(dòng)能，其中一小部分(1左右)能量轉(zhuǎn)變?yōu)閄射線，而絕大部分(99左右)能量轉(zhuǎn)變成熱能使物體溫度升高。產(chǎn)生條件產(chǎn)生條件p燈絲 產(chǎn)生自由電子p高壓 加速電子,使電子作定向的高速運(yùn)動(dòng)p靶 在其運(yùn)動(dòng)的路徑上設(shè)置一個(gè)障礙物使電子突然減速或停止,產(chǎn)生X-射線X射線的產(chǎn)生過程射線的產(chǎn)生過程pX射線管的陰極燈絲通過電流，被加熱到2000。C以上后發(fā)射電子，這些電子聚集在燈絲附近。當(dāng)通過X射線管的陽極和陰極之間的空間后撞擊到陽極靶上。通過韌致輻射，電子的一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為X射線，從X射線窗口輻射出來。電子的大部分動(dòng)能傳給了陽極靶，使它迅速升溫。3.2.4 X射線光譜射線光譜pX射線譜p描述X射線強(qiáng)度與波長的關(guān)系

6、曲線pX射線光譜由二部分構(gòu)成：p連續(xù)譜連續(xù)譜是由波長連續(xù)變化的譜線構(gòu)成。連續(xù)譜所構(gòu)成的X射線稱為白色X射線(與電壓有關(guān))，是由電子的動(dòng)能直接直接轉(zhuǎn)化而來。p線狀譜線狀譜(標(biāo)識(shí)譜、特征譜)是由譜線分立的線狀譜線構(gòu)成。分立譜所構(gòu)成的X射線稱為特征X射線(與靶金屬材料有關(guān))是由電子的動(dòng)能間接間接轉(zhuǎn)化而來。典型光譜圖典型光譜圖 （鎢靶）（鉬靶）鎢靶與鉬靶射線管的射線譜3.2.4.1 對連續(xù)對連續(xù)X X射線譜的解釋射線譜的解釋p根據(jù)經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的理論，帶電粒子在加速(或減速)時(shí)必伴隨著輻射。p電子到達(dá)靶材時(shí)，在靶核庫侖場的作用下電子的速度是連續(xù)變化的，因此輻射的X射線具有連續(xù)譜的性質(zhì)。p但經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)無

7、法解釋最短波長現(xiàn)象。連續(xù)譜的特點(diǎn)連續(xù)譜的特點(diǎn)p連續(xù)譜線的強(qiáng)度隨波長變化而變化，在某波長上有一強(qiáng)度極大值。p存在短波波長極限，它與靶物質(zhì)種類無關(guān)，僅與加速電壓有關(guān)。(量子力學(xué))p當(dāng)電壓增大時(shí)各種波長的強(qiáng)度隨之增大，曲線的極大值向短波方向移動(dòng)。(碰撞次數(shù)和輻射光子能量增高)p管電壓相同時(shí)，不同材料金屬靶的連續(xù)譜線的強(qiáng)度隨其原子序數(shù)的增加而增強(qiáng)。p最大強(qiáng)度對應(yīng)的波長量子極限量子極限p假設(shè)高速電子撞擊靶時(shí)，電子能量中有p部分消耗于陽極各種不同過程的激發(fā)作用。(量子極限)意義：解決了經(jīng)典理論無法解釋最短波長的困難。意義：解決了經(jīng)典理論無法解釋最短波長的困難。上式可用來精確測定普朗克常數(shù)h。連續(xù)連續(xù)X X

8、射線譜的總強(qiáng)度射線譜的總強(qiáng)度pX射線的強(qiáng)度是指垂直于X射線傳播方向的單位面積上在單位時(shí)間內(nèi)所通過的光子數(shù)目的能量總和。p總強(qiáng)度的計(jì)算總強(qiáng)度的計(jì)算p經(jīng)驗(yàn)公式經(jīng)驗(yàn)公式 其中 i-管電流，mA Z-靶物質(zhì)的原子序數(shù) V-管電壓，kV Ki-系數(shù)(1.11.4)10-6射線強(qiáng)度平方反比定律射線強(qiáng)度平方反比定律 結(jié)論：空間任意一點(diǎn)的射線強(qiáng)度與該點(diǎn)到射線源的距離平方成反比?？臻g距離射線源F處的射線強(qiáng)度為平方反比定律平方反比定律：實(shí)測劑量與管電流關(guān)系實(shí)測劑量與管電流關(guān)系實(shí)測劑量與管電流關(guān)系實(shí)測劑量與管電流關(guān)系實(shí)測劑量與管電壓關(guān)系實(shí)測劑量與管電壓關(guān)系實(shí)測劑量與管電壓關(guān)系實(shí)測劑量與管電壓關(guān)系提高總強(qiáng)度方法提高總

9、強(qiáng)度方法p提高管電流提高管電流-單位時(shí)間撞擊靶的電子數(shù)增多p提高管電壓提高管電壓-電子加速后能量增大，碰撞時(shí)能量轉(zhuǎn)換過程增多p靶材料原子序數(shù)越高靶材料原子序數(shù)越高-核庫侖場越強(qiáng)，韌致輻射作用越強(qiáng)強(qiáng)度與管電壓、管電流和靶物質(zhì)原子序數(shù)關(guān)系強(qiáng)度與管電壓、管電流和靶物質(zhì)原子序數(shù)關(guān)系 X X射線管的轉(zhuǎn)換效率射線管的轉(zhuǎn)換效率 X射線管的效率，是指電子流能量中用于產(chǎn)生X射線的百分?jǐn)?shù)，即隨著原子序數(shù)隨著原子序數(shù)Z Z的增加，的增加，X X射線管的效率提高，射線管的效率提高，但即使用原子序數(shù)大的鎢靶，在管但即使用原子序數(shù)大的鎢靶，在管電電壓高達(dá)壓高達(dá)100kv100kv的情況下，的情況下，X X射線管的效率也僅

10、有射線管的效率也僅有11左左右，右，9999的能量都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。的能量都轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。連續(xù)連續(xù)X射線強(qiáng)度的空間分布射線強(qiáng)度的空間分布p薄靶周圍X射線強(qiáng)度的角分布p當(dāng)管電壓升高時(shí)，X射線最大強(qiáng)度方向逐漸趨向電子束的入射方向，X射線的強(qiáng)度分布趨于集中。連續(xù)連續(xù)X射線強(qiáng)度的空間分布射線強(qiáng)度的空間分布p厚靶的X射線空間分布p“足跟”效應(yīng)(陽極效應(yīng))：愈靠近陽極，沿管長軸分布的X射線強(qiáng)度下降得愈多。p 如射線B比陰極側(cè)的射線A在陽極靶內(nèi)穿越遠(yuǎn)，能量與強(qiáng)度衰減更多。3.2.4.2 特征譜及特征特征譜及特征X X射線射線p在連續(xù)譜的基礎(chǔ)上疊加若干條具有一定波長的強(qiáng)度很大的線狀譜線。p特征X射線譜的產(chǎn)生只依賴于

11、陽極靶材料只依賴于陽極靶材料，確切的說與靶的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)確切的說與靶的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，波長位置與管電壓、管電流無關(guān)。特征特征X X射線的產(chǎn)生機(jī)理射線的產(chǎn)生機(jī)理p原子殼層按其能量大小分為數(shù)層，通常用K、L、M、N等字母代表它們的名稱。p但當(dāng)管電壓達(dá)到或超過某一臨界值時(shí)，則陰極發(fā)出的電子在電場加速下，可以將靶物質(zhì)原子深層的電子擊到能量較高的外部殼層或擊出原子外，使原子電離。特征譜的產(chǎn)生機(jī)理解釋特征譜的產(chǎn)生機(jī)理解釋p原子的電子按泡利不相容原理和能量最低原理分布于各個(gè)能級。在電子轟擊陽極的過程中，當(dāng)某個(gè)具有足夠能量的電子將陽極靶原子的內(nèi)層電子擊出時(shí)，于是在低能級上出現(xiàn)空位，系統(tǒng)能量升高，處于不穩(wěn)定激發(fā)態(tài)

12、。較高能級上的電子向低能級上的空位躍遷，并以光子的形式輻射出標(biāo)識(shí)pX射線譜。激發(fā)電壓激發(fā)電壓p如果K層電子被擊出K層，稱K激發(fā)，L層電子被擊出L層，稱L激發(fā)，其余各層依此類推。p產(chǎn)生K激發(fā)的能量為WKhK，陰極電子的能量必須滿足eVWKhK，才能產(chǎn)生K激發(fā)。其臨界值為eVKWK，VK稱之臨界激發(fā)電壓。p 當(dāng)管電壓(大于臨界激發(fā)電壓)增加時(shí)，連續(xù)譜和特征譜強(qiáng)度都增加，而特征譜對應(yīng)的波長保持不變。特征譜的波長特征譜的波長p按量子理論所釋放的能量以光量子(X射線或可見光)的形式輻射出去。若有一N軌道電子躍遷到K軌道，則輻射波長若 比較小 輻射可見光(原子外層電子躍遷時(shí)發(fā)生)較大 輻射X射線(原子內(nèi)層

13、電子躍遷時(shí)發(fā)生)不同系射線和譜線不同系射線和譜線p不同系射線不同系射線pK系X射線：任何電子跳到K層時(shí)產(chǎn)生的X射線。L系X射線：任何電子(外層)跳到L層時(shí)產(chǎn)生的X射線。p在每一系(如K系)X射線里 譜線(即 線)：凡從相鄰層(L到K層)跳來的。譜線(即 線)：凡從隔層(M到K層)跳來的。原子軌道能級不連續(xù)，產(chǎn)生的特征X射線也是不連續(xù)。X X射線譜射線譜-特征特征X X射線譜射線譜p鉬靶X射線管當(dāng)管電壓等于或高于20KV時(shí)，則除連 續(xù)X射線譜外，位于一定波長處還疊加有少數(shù)強(qiáng)譜線，它們即特征X射線譜。p鉬靶X射線管在35KV電壓下的譜線，其特征x射線分別位于0.63和0.71處，后者的強(qiáng)度約為前者

14、強(qiáng)度的五倍。這兩條譜線稱鉬的K系。特征譜的特點(diǎn)特征譜的特點(diǎn)p特征譜所對應(yīng)的波長與外加電壓無關(guān)。p各元素的特征X射線譜有相似的結(jié)構(gòu)，但各元素的特征X射線的能量值(或波長)各不相同。p每一譜線都有特定的波長，電子撞擊的物質(zhì)不同，這些特定波長的值也不同。特征譜只與靶元素有關(guān)，不同元素制成的靶具有不同的線狀譜。特征譜的特點(diǎn)特征譜的特點(diǎn)p特征譜可分為若干組，稱為系，每一系的譜線都有自己的特定結(jié)構(gòu)和激發(fā)電壓，只有電子的加速電壓超過激發(fā)電壓時(shí)才能產(chǎn)生該系的特征譜線。p當(dāng)管電壓小于K系激發(fā)電壓而大于L系激發(fā)電壓時(shí)，不產(chǎn)生K系X射線而產(chǎn)生L系X射線，同時(shí)伴隨M系、N系等系X射線。特征特征X射線的強(qiáng)度射線的強(qiáng)度p

15、特征X射線的強(qiáng)度隨管電流和管電壓變化，K系X射線強(qiáng)度為p譜線強(qiáng)度在某一電壓下達(dá)到最大，然后下降。當(dāng)管電壓高于激發(fā)電壓10-20倍時(shí)，電子深入陽極內(nèi)部，產(chǎn)生的射線被陽極大量吸收，特征譜強(qiáng)度下降。n取值在1.5-2內(nèi)，管電壓不超過激發(fā)電壓3-4倍。特征譜的作用特征譜的作用p注意注意：在工業(yè)射線檢測中，標(biāo)識(shí)譜不起作用。p用途用途：p特征X射線可用來作為元素的標(biāo)識(shí)，材料成分分析，如X射線熒光光譜分析。3.2.5 莫色萊定律莫色萊定律p特征X射線譜的頻率(或波長)只與陽極靶物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)有關(guān)，而與其他外界因素?zé)o關(guān)，是物質(zhì)的固有特性。19131914年莫色萊發(fā)現(xiàn)物質(zhì)發(fā)出的特征譜波長與它本身的原子序數(shù)間存在

16、以下關(guān)系 p根據(jù)莫色萊定律，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得到的未知元素的特征X射線譜線波長，與已知的元素波長相比較，可以確定它是何元素。它是X射線光譜分析的基本依據(jù)。3.2.6 俄歇效應(yīng)俄歇效應(yīng)(Auger effect)p當(dāng)X射線或射線輻射到物體上時(shí)，由于光子能量很高，使原子內(nèi)殼層上的束縛電子發(fā)射出來產(chǎn)生空穴，而原子外殼層上高能級的電子可能躍遷到這空位上，同時(shí)釋放能量。通常能量以發(fā)射光子的形式釋放，但也可以通過發(fā)射原子中的一個(gè)電子來釋放。第二個(gè)被發(fā)射的電子叫做俄歇電子俄歇電子。p不僅僅指X射線或射線p該效應(yīng)的機(jī)制是無輻射躍遷。例例：假如在K層有一個(gè)空穴(光電效應(yīng))，當(dāng)L層的一個(gè)電子躍遷到K層時(shí)，多余的能量可以釋放X射線(特征X射線)，也可以不釋放X射線，而把能量傳遞給另一層(M層)中的一個(gè)電子，這個(gè)電子就可以脫離原子，稱為俄歇電子。對輕元素，發(fā)射俄歇電子的概率較大對輕元素，發(fā)射俄歇電子的概率較大對重元素，發(fā)射特征對重元素，發(fā)射特征X射線的概率較大。射線的概率較大。3.2.7 電子躍遷誘發(fā)原子核激發(fā)電子躍遷誘發(fā)原子核激發(fā)1973年，日本大阪大學(xué)森田正人提出一種新的能量轉(zhuǎn)移機(jī)制：當(dāng)電子填充空穴時(shí)把能量傳