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1、第4章 射線檢測(cè),4-1 射線探傷基本原理,一、射線的性質(zhì)1. 射線的種類和頻譜在射線檢測(cè)中應(yīng)用的射線主要是X射線、射線和中子射線。X射線和射線屬于電磁輻射，而中子射線是中子束流。 1) X射線 X射線又稱倫琴射線，是射線檢測(cè)領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的一種射線，波長(zhǎng)范圍約為0.0006100 nm。 在X射線檢測(cè)中常用的波長(zhǎng)范圍為0.0010.1 nm。X射線的頻率范圍約為310951014 MHz。,射線的波長(zhǎng)分布,2) 射線射線是一種波長(zhǎng)比X射線更短的射線，波長(zhǎng)范圍約為0.00030.1 nm，頻率范圍約為3101211015MHz。工業(yè)上廣泛采用人工同位素產(chǎn)生射線。由于射線的波長(zhǎng)比X射線更短，所

2、以具有更大的穿透力。在無(wú)損檢測(cè)中射線常被用來(lái)對(duì)厚度較大和大型整體工件進(jìn)行射線照相。,3） 中子射線中子是構(gòu)成原子核的基本粒子。中子射線是由某些物質(zhì)的原子在裂變過(guò)程中逸出高速中子所產(chǎn)生的。工業(yè)上常用人工同位素、加速器、反應(yīng)堆來(lái)產(chǎn)生中子射線。在無(wú)損檢測(cè)中中子射線常被用來(lái)對(duì)某些特殊部件(如放射性核燃料元件)進(jìn)行射線照相。,2. X射線的產(chǎn)生X射線是一種波長(zhǎng)比紫外線還短的電磁波，它具有光的特性，例如具有反射、折射、干涉、衍射、散射和偏振等現(xiàn)象。 它能使一些結(jié)晶物體發(fā)生熒光、氣體電離和膠片感光。X射線通常是將高速運(yùn)動(dòng)的電子作用到金屬靶(一般是重金屬)上而產(chǎn)生的。在35 kV的電壓下操作時(shí)，鎢靶與鉬靶產(chǎn)生

3、的典型的X射線譜。鎢靶發(fā)射的是連續(xù)光譜，而鉬靶除發(fā)射連續(xù)光譜之外還疊加了兩條特征光譜，稱為標(biāo)識(shí)X射線，即K線和K線。若要得到鎢的K線和K線，則電壓必須加到70 kV以上。,（1） 連續(xù)X射線根據(jù)電動(dòng)力學(xué)理論，具有加速度的帶電粒子將產(chǎn)生電磁輻射。在X射線管中，高壓電場(chǎng)加速了陰極電子，當(dāng)具有很大動(dòng)能的電子達(dá)到陽(yáng)極表面時(shí)，由于猝然停止，它所具有的動(dòng)能必定轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪ㄝ椛涑鋈?。由于電子被停止的時(shí)間和條件不同， 所以輻射的電磁波具有連續(xù)變化的波長(zhǎng)。在任何X射線管中，只要電壓達(dá)到一定數(shù)值，連續(xù)X射線總是存在的。連續(xù)X射線具有以下特點(diǎn)： 1) 連續(xù)X射線的波長(zhǎng)與陽(yáng)極的材料無(wú)關(guān)。,2) 連續(xù)X射線的波長(zhǎng)在長(zhǎng)波

4、方向，理論上可以擴(kuò)展到=；而在短波方向，實(shí)驗(yàn)證明具有最短波長(zhǎng)min， 且有,式中：U為X射線管的管電壓，單位為kV。,3） X射線管的效率為,式中：P=ZIU2為連續(xù)X射線的總功率；P0=IU為輸入功率；Z為陽(yáng)極的原子序數(shù)；U為管電壓，單位為kV；為常數(shù)，約等于1.510-6。,4) X射線管的管電壓愈高，其連續(xù)X射線的強(qiáng)度愈大， 而且其最短波長(zhǎng)min愈向短波方向移動(dòng)。,不同管電壓下鎢靶連續(xù)X射線,（2） 標(biāo)識(shí)X射線根據(jù)原子結(jié)構(gòu)理論，原子吸收能量后將處于受激狀態(tài)， 受激狀態(tài)原子是不穩(wěn)定的，當(dāng)它回復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)時(shí)，將以發(fā)射譜線的形式放出能量。在X射線管內(nèi)，高速運(yùn)動(dòng)的電子到達(dá)陽(yáng)極靶時(shí)將產(chǎn)生連續(xù)X射

5、線。如果電子的動(dòng)能達(dá)到相當(dāng)?shù)臄?shù)值， 可足以打出靶原子(通常是重金屬原子)內(nèi)殼層上的一個(gè)電子， 該電子或者處于游離狀態(tài)，或者被打到外殼層的某一個(gè)位置上。 于是原子的內(nèi)殼層上有了一個(gè)空位，鄰近殼層上的電子便來(lái)填空，這樣就發(fā)生相鄰殼層之間的電子躍遷。這種躍遷將發(fā)射出線狀的X射線。顯然，這種X射線與靶金屬原子的結(jié)構(gòu)有關(guān)， 因此稱其為標(biāo)識(shí)X射線或特征X射線。標(biāo)識(shí)X射線通常頻率很高， 波長(zhǎng)很短。,3.X射線和射線具有的性質(zhì)（1）不可見(jiàn)，以光速直線傳播（2）不帶電，不受電場(chǎng)和磁場(chǎng)的影響（3）具有可透視物質(zhì)和在物質(zhì)中有衰減的特性（4）可使物質(zhì)電離，能使膠片感光，亦能使某些物質(zhì)產(chǎn)生熒光（5）能對(duì)生物細(xì)胞起作用（

6、生物效應(yīng)）,二、射線與物質(zhì)的相互作用 射線與物質(zhì)的相互作用主要有三種過(guò)程：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)的產(chǎn)生。 這三種過(guò)程的共同點(diǎn)是都產(chǎn)生電子， 然后電離或激發(fā)物質(zhì)中的其他原子；此外，還有少量的湯姆遜效應(yīng)。光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)隨射線能量的增加而減少，電子對(duì)的產(chǎn)生則隨射線能量的增加而增加，四種效應(yīng)的共同結(jié)果是使射線在透過(guò)物質(zhì)時(shí)能量產(chǎn)生衰減。,1. 光電效應(yīng)。 在普朗克概念中每束射線都具有能量為E=hv的光子。光子運(yùn)動(dòng)時(shí)保持著它的全部動(dòng)能。 光子能夠撞擊物質(zhì)中原子軌道上的電子，若撞擊時(shí)光子釋放出全部能量，并將原子電離， 則稱為光電效應(yīng)(下圖)。光子的一部分能量把電子從原子中逐出去，剩余的能量則作為

7、電子的動(dòng)能被帶走，于是該電子可能又在物質(zhì)中引起新的電離。 當(dāng)光子的能量低于1 MeV時(shí)， 光電效應(yīng)是極為重要的過(guò)程。另外，光電效應(yīng)更容易在原子序數(shù)高的物質(zhì)中產(chǎn)生，如在鉛(Z82)中產(chǎn)生光電效應(yīng)的程度比在銅(Z=29)中大得多。,光電效應(yīng),2.康普頓效應(yīng)。在康普頓效應(yīng)(見(jiàn)下圖)中，一個(gè)光子撞擊一個(gè)電子時(shí)只釋放出它的一部分能量，結(jié)果光子的能量減弱并在和射線初始方向成角的方向上散射，而電子則在和初始方向成角的方向上散射。這一過(guò)程同樣服從能量守恒定律，即電子所具有的動(dòng)能為入射光子和散射光子的能量之差，最后電子在物質(zhì)中因電離原子而損失其能量。在絕大多數(shù)的輕金屬中，射線的能量大約在0.23 MeV范圍時(shí)，

8、康普頓效應(yīng)是極為重要的效應(yīng)。 康普頓效應(yīng)隨著射線能量的增加而減小，其大小也取決于物質(zhì)中原子的電子數(shù)。在中等原子序數(shù)的物質(zhì)中，射線的衰減主要是由康普頓效應(yīng)引起， 在射線防護(hù)時(shí)主要側(cè)重于康普頓效應(yīng)。,康普頓效應(yīng),3. 電子對(duì)的產(chǎn)生。 一個(gè)具有足夠能量的光子釋放出它的全部動(dòng)能而形成具有同樣能量的一個(gè)電子和一個(gè)正電子，這樣的過(guò)程稱為電子對(duì)的產(chǎn)生。 產(chǎn)生電子對(duì)所需的最小能量為0.51 MeV，所以光子能量hv必須大于等于1.02 MeV，如下圖所示。,電子對(duì)的產(chǎn)生和消失,光子的能量一部分用于產(chǎn)生電子對(duì)，一部分傳遞給電子和正電子作為動(dòng)能，另一部分能量傳給原子核。在物質(zhì)中電子和正電子都是通過(guò)原子的電離而損失

9、動(dòng)能，在消失過(guò)程中正電子和物質(zhì)中的電子相作用成為能量各為0.51 MeV的兩個(gè)光子，它們?cè)谖镔|(zhì)中又可以通過(guò)光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)進(jìn)一步相互作用。 由于產(chǎn)生電子對(duì)的能量條件要求不小于1.02 MeV， 所以電子對(duì)的產(chǎn)生只有在高能射線中才是重要的過(guò)程。 該過(guò)程正比于吸收體的原子序數(shù)的平方，所以高原子序數(shù)的物質(zhì)電子對(duì)的產(chǎn)生也是重要的過(guò)程。,4. 湯姆遜效應(yīng)。 射線與物質(zhì)中帶電粒子相互作用，產(chǎn)生與入射波長(zhǎng)相同的散射線的現(xiàn)象叫做湯姆遜效應(yīng)。這種散射線可以產(chǎn)生干涉， 能量衰減十分微小， 如下圖所示。,湯姆遜效應(yīng),5. 射線的衰減定律和衰減曲線射線的衰減是由于射線光子與物體相互作用產(chǎn)生光電效應(yīng)、 康普頓效應(yīng)、

10、湯姆遜效應(yīng)或電子對(duì)的產(chǎn)生，使射線被吸收和散射而引起的。由此可知，物質(zhì)愈厚，則射線穿透時(shí)的衰減程度也愈大。射線衰減的程度不僅與透過(guò)物質(zhì)的厚度有關(guān)，而且還與射線的性質(zhì)(波長(zhǎng))、物體的性質(zhì)(密度和原子序數(shù))有關(guān)。一般來(lái)講，射線的波長(zhǎng)愈小，衰減愈??；物質(zhì)的密度及原子序數(shù)愈大， 衰減也愈大。但它們之間的關(guān)系并不是簡(jiǎn)單的直線關(guān)系， 而是成指數(shù)關(guān)系的衰減。,寬束射線的衰減曲線,設(shè)入射線的初始強(qiáng)度為I0，通過(guò)物質(zhì)的厚度為d，射線能量的線衰減系數(shù)為，那么射線在透過(guò)物質(zhì)以后的強(qiáng)度Id為,因?yàn)樯渚€的衰減包括吸收和散射，所以射線的衰減系數(shù)是吸收系數(shù)和散射系數(shù)之和，即=+。由于物質(zhì)密度愈大，射線在物質(zhì)中傳播時(shí)碰到的原子

11、也愈多，因而射線衰減也愈大。為便于比較起見(jiàn)，通常采用質(zhì)量衰減系數(shù)，即,式中：為物質(zhì)的密度； 為質(zhì)量吸收系數(shù)；/為質(zhì)量散射系數(shù)。,射線的質(zhì)量吸收系數(shù)和散射系數(shù)表示如下：,式中： C為常數(shù)；A為元素的原子數(shù)； Z為元素的原子序數(shù)； 為射線的波長(zhǎng)。,當(dāng)?shù)湍苌渚€透過(guò)重元素(輕元素和波長(zhǎng)很短的射線除外)物質(zhì)時(shí)，射線的衰減主要表現(xiàn)為吸收，由射線散射所引起的衰減可忽略不計(jì)， 則,三、探傷的基本原理 射線探傷的實(shí)質(zhì)是根據(jù)被檢工件與其內(nèi)部缺陷對(duì)射線能量衰減程度不同，而引起射線透過(guò)工件后的強(qiáng)度差異，使缺陷能在射線底片或X光電視屏幕上顯示出來(lái)。 當(dāng)一束強(qiáng)度為I0的射線平行通過(guò)被檢測(cè)試件(厚度為d)后，其強(qiáng)度Id由式

12、（6-31）表示。 若被測(cè)試件表面有高度為h的凸起時(shí)，則射線強(qiáng)度將衰減為,（1）當(dāng)IX。射線底片上呈現(xiàn)黑色影像，屏幕上出現(xiàn)灰白色影像。（2）當(dāng) 時(shí)，IIX。射線底片上缺陷呈現(xiàn)白色影像，屏幕上出現(xiàn)黑色影像。（3）當(dāng) 時(shí)，I IX。強(qiáng)度無(wú)差異。,X射線檢測(cè)原理,3-2 射線探傷設(shè)備,一、X射線機(jī)1.X射線機(jī)的分類和用途,按結(jié)構(gòu)形式分,攜帶式,移動(dòng)式,固定式,體積小、重量輕，適于現(xiàn)場(chǎng)和野外,適于實(shí)驗(yàn)室或車間測(cè)中厚板焊件,靠移動(dòng)焊件進(jìn)行探傷,按輻射方向分,定向輻射,軸向輻射,2.X射線管（1）結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 陰極構(gòu)件：陰極、燈絲和聚焦罩組成 陽(yáng)極構(gòu)件: 陽(yáng)極和靶塊 套管,（2）工作原理 燈絲通電（低壓），加

13、熱至白熾，形成電子云；陰陽(yáng)兩極間施加高電壓，使電子加速，并轟擊陽(yáng)極靶，部分能量轉(zhuǎn)化成X射線。（3）焦點(diǎn)實(shí)際焦點(diǎn)：靶塊被電子轟擊的部分，也叫幾何焦點(diǎn)有效焦點(diǎn)：實(shí)際焦點(diǎn)在垂直于射線束軸線的投影有效焦點(diǎn)一般為實(shí)際焦點(diǎn)的1/3 焦點(diǎn)的尺寸主要取決于燈絲形狀和大小，管電壓和管電流也有一定影響,3.X射線機(jī)線路分析,（1）準(zhǔn)備階段（2）透照工作（3）幾點(diǎn)說(shuō)明 1)過(guò)壓保護(hù) 2）過(guò)流保護(hù) 3）零位保護(hù) 4）油溫控制 5）逆電壓降低器 6）網(wǎng)壓波動(dòng)的補(bǔ)償4.X射線機(jī)主要性能,二、射線機(jī)特點(diǎn)：1.穿透力強(qiáng)，300mm鋼材； 2.透照過(guò)程不用水和電，適于野外作業(yè) 3.設(shè)備輕巧、簡(jiǎn)單、操作方便 4.可在狹小部位工作

14、。缺點(diǎn)：1.半衰期短的源更換頻繁 2.要求嚴(yán)格的射線防護(hù) 3.對(duì)缺陷的靈敏度低于X射線。,分類： 攜帶式：多用Ir192作射線源，探較薄的試件 移動(dòng)式：多用Co60作射線源，探較厚的試件 爬動(dòng)式：用于野外管線的探傷。 組成：本體(見(jiàn)圖3-6)與附件 源的焦點(diǎn)尺寸： 源封裝活性區(qū)尺寸，它直接影響成像質(zhì)量中的幾何不清晰度。,三、加速器 帶電粒子加速器的簡(jiǎn)稱。主要電子感應(yīng)式，電子直線式和電子回旋式三種。,四、射線探傷設(shè)備的初步選擇 考慮因素：材料厚度、顯像質(zhì)量、曝光時(shí)間、裝置對(duì)位及移動(dòng)的難易程度。,3-3 射線照相法探傷,一、探傷系統(tǒng)基本組成,1.射線源 X射線機(jī)、射線機(jī)、加速器 2.射線膠片 保護(hù)

15、層：主要成分為明膠，保護(hù)乳劑層不受損傷 乳劑層：明膠、溴化銀和微量碘化銀，具有增感作用和使鹵化銀顆粒均勻懸浮、固定其中。 結(jié)合層：樹(shù)脂，使乳劑層牢固粘附在片基上。 片基:滌綸或三醋酸纖維，起支撐全部涂層的作用。,3.增感屏 前屏：先于膠片接受射線照射者 后屏：后于膠片接受射線照射者由于X射線和射線波長(zhǎng)短、硬度大，對(duì)膠片的感光效應(yīng)差，一般透過(guò)膠片的射線，大約只有1能使膠片中的銀鹽微粒感光。為了增加膠片的感光速度，利用某些增感物質(zhì)在射線作用下能激發(fā)出熒光或產(chǎn)生次級(jí)射線，從而加強(qiáng)對(duì)膠片的感光作用。在射線透視照相中，所用的增感物質(zhì)稱為增感屏， 其增感系數(shù)為,1） 熒光增感屏熒光增感屏是利用熒光物質(zhì)被射

16、線激發(fā)產(chǎn)生熒光實(shí)現(xiàn)增感作用的，其結(jié)構(gòu)如下圖所示。它是將熒光物質(zhì)均勻地涂布在質(zhì)地均勻而光滑的支撐物(硬紙或塑料薄板等)上，再覆蓋一層薄薄的透明保護(hù)層組合而成的。,2） 金屬增感屏金屬增感屏在受射線照射時(shí)產(chǎn)生射線和二次標(biāo)識(shí)X射線對(duì)膠片起感光作用。其增感較小，一般只有27倍。金屬屏的增感特性通常是， 原子序數(shù)增加，增感系數(shù)上升，輻射波長(zhǎng)愈短，增感作用越顯著。但是原子序數(shù)越大，激發(fā)能量也要相應(yīng)提高，如果射線能量不能使金屬屏的原子電離或激發(fā)， 則不起增感作用，相反還會(huì)吸收一部分軟射線。如鉛增感屏， 當(dāng)管電壓低于80 kV時(shí)，則基本上無(wú)增感作用。 在生產(chǎn)實(shí)踐中，多采用鉛、錫等原子序數(shù)較高的材料作金屬增感屏，因?yàn)殂U的壓延性好，吸收散射線的能力強(qiáng)。,3） 金屬熒光增感屏金屬熒光增感屏是在鉛箔上涂一層熒光物質(zhì)組合而成的， 其結(jié)構(gòu)如下圖所示。它具有熒光增感的高增感系數(shù)，又有吸收散射線的作用。,4.像質(zhì)計(jì) 是用來(lái)定量評(píng)價(jià)射線底片影像質(zhì)量的工具。 在透視照相中，要評(píng)定缺陷的實(shí)際尺寸是困難的，因此， 要用透度計(jì)來(lái)做參考比較。同時(shí)，還可以用透度計(jì)來(lái)鑒定照片的質(zhì)量和作為改進(jìn)透照工藝的依據(jù)。透度計(jì)要用與被透照工件材質(zhì)