X射线检测要点.pdf

7 73 X3 X 射线检测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7 73 31 1 X X 射线的基础知识射线的基础知识一、定义一、定义(0.0150)nm，f3101620 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 1 X 射线的波长和频率名称无 线 电 红外线可见光波波 长 3 10123.91013310(3.92紫外线X 射线线射(7.7 4)4 10-610-9（cm）106102频率 1031012 10-510-5610-7 7.5 1014 5 101610-10以下 33f(Hz)7.7 7.5)10141016201019以上10-51X 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 Ehfhf式中：E光子的能量；尔格.秒 h普朗克常数，66241027尔格.秒；cm f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：12.35/V12.35/V式中：波长（埃）,1 埃等于 107 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底片。

二、二、X X 射线的发生射线的发生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、三、X X 射线的分类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21 1、连续连续 X X 射线射线波长在(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：maxmaxeVeVhC/hC/1 1hC/hC/2 2hC/hC/3 3hC/hC/n n式中：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 63）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3有一个半经验公式，描述出连续 X 射线的总强度：JKZiVKZiV2 2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、MoK线系，其实，每种元素都有多条标识 X 射线其示意图见 P183 图 64图 64 标识 X 射线示意图（1 所书 P183 图 64）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，释放的光量子；4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、四、X X 射线的性质（与探伤有关的性质）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57 73 32 2X X 射线探伤的原理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（）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光电效应的数学表达式光电效应的数学表达式即为：T Thf-Behf-Be式中：T光电子的能量；hfhfX 射线光子的能量；6 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影响光电效应的因素其一、其一、光电子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、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愈高；即：0.00890.0089 Z Z4.14.1 n n/A/A式中：光量子被吸收的概率；吸收物质的密度；Z吸收物质的原子序数；光量子的波长；A吸收物质的原子质量；n常数；当 Z56 时，n3.05；当 Z1126 时，n2.85；7从上式可见，n 是影响吸收几率 的主要因素其三、其三、光电效应的强弱与Z Z/(hf)/(hf)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，光电效应愈强，X X 射线被吸收的就愈多射线被吸收的就愈多其四、其四、光电效应同时会产生标识 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 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 66）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；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 2、散射、散射2 2 3 38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 1）康康普顿散射普顿散射图 67 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 和 表示它们与入射光子运动方向的夹角；为散射角。

研究发现 和 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 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9图 610P200 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对其作用结果作出了比较二、衰减二、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：J Jd dJ J0 0 e e-d d式中：J Jd dX 射线穿过物质后的强度；J J0 0X 射线未穿过物质时的强度；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：；式中 吸收系数；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半衰减层（亦称半价层半价层）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：JdJ0/2J0 e-并对上式取对数，求出值，得到 2/2/0.693/0.693/下表列出常用材料的半价层数值10三种材料的半价层的数值（mm）光量子能量（keV）Al4080300500从表中可见，光量子能量，半价层的数值；并可见物质密度愈大，半价层的数值愈小4.612.824.730.4Fe0.241.478.010.5Cu0.161.027.09.3三、三、X X 射线探伤的基本原理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117 73 33 3 胶片与辅助设备和暗室技术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、一、胶片胶片此处主要介绍胶片的构造和应用1 1、胶片的构造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 516P225 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 微粒和明胶混合制成；感光的原理为：AgBrAgBrBrhfBreAgeAg感光程度愈强，Ag 还原的愈多，并在底片上形成黑色的影像，通常称之为潜像潜像是由带有 Ag 的溴化银微粒组成的像，此时这种像尚不可见保护层由明胶等组成，主要是防止感光药膜污损和磨损2 2、胶片的使用、胶片的使用12胶片的使用包括 X 射线探伤时的放置、暗室冲洗等1 1）探探伤时的放置伤时的放置在实施探伤时，胶片要紧贴工件放置2 2）胶胶片的暗室处理技术片的暗室处理技术胶片曝光后，要在暗室进行处理显影、停影、定影、水洗、干燥和检查质量显影显影在显影液里进行，目的是获得显影显影时带有 Ag 的溴化银微粒和显影剂作用，被还原为金属银；溴离子则与显影剂中的有关成分生成可溶性物质，并被溶解。

黑色的金属银微粒，就显。