第04章 《焊接质量检测》射线检测1

1第四章射线检测2第三章射线检测§4.1射线检测的物理基础§4.1.1射线检测的特点§4.1.2原子和原子结构§4.1.3Ｘ射线和γ射线§4.1.4射线与物质的作用3射线检测是利用射线可穿透物质和在物质中有衰减的特性来发现缺陷的一种探伤方法。第三章射线检测技术特点：z检测结果直观z检测结果可记录、能保存z对裂纹不敏感z需要防护、对人体有害z设备、操作、成象较复杂z检测周期长，成本高§4.1.1射线检测的特点4第三章射线检测应用范围：z适用于检测与射线束方向平行的异常部分¾平面型缺陷，如裂纹¾体积型缺陷，如气孔、夹杂z适用于任何材料¾金属，如各种材料的铸件与焊缝¾非金属材料，如塑料、蜂窝结构、碳纤维材料z了解封闭物体的内部结构5第三章射线检测原子：组成单质和化合物分子的最小微粒，由原子核和核外电子所构成。数量关系：原子量=质子数+中子数A=Z+N例：60钴60=27+33质子数Z=核的正电荷数=电子数=原子序数某相对质量数为A、原子序数为Z的原子（元素）X则可记为XAZ§4.1.2原子和原子结构6第三章射线检测z汤姆森假设（1903年）：核子与电子在原子内均匀分布z卢瑟福模型（1911年）：行星分布z玻尔模型（1913年）：玻尔模型的要点：¾原子只能存在一些不连续的定态，这些定态各有一定的能量E1、E2、E3.....En。处于稳定状态中运动的电子虽然有加速度，但不发生能量辐射。¾原子从一个能量为En的稳定状态过度到能量为Em的稳定状态时，它发射（或吸收）单色的辐射。mnEEh−=νhν---光子的能量h---是普朗克常数，其值为6.626×10−34J·sν---是辐射频率，其单位是Hz7第三章射线检测玻尔模型涉及的概念：z基态：原子处于最低能量的状态z激发态：电子获得能量从低能级轨道进入高能级轨道，该过程称为激发；此时原子处于高能量状态，称为激发态z原子的状态特性：任何不稳定状态的原子必将自动回到稳定状态即回到基态z跃迁：电子从一个轨道向另一个轨道的运动z能级：用平行线表示核外电子所处的能量级别称为能级8第三章射线检测同位素和放射性同位素元素：具有相同核电荷的一类原子称为元素。同位素：质子数相同而质量数不同的元素称为同位素。稳定同位素不稳定(放射性)同位素自然人造9第三章射线检测衰变：在无外界作用下，不稳定原子核自发释放出中子和质子，转变为另一种元素的原子核的现象α衰变：原子核释放出α粒子β衰变：释放出β粒子γ衰变(辐射)：释放出γ光子放射性衰变方式10第三章射线检测电磁波谱§4.1.3X射线和γ射线11第三章射线检测X射线又称伦琴射线，1895年11月8日，伦琴发现z频率范围约：3×109～5×1014MHzz波长范围约：0.0006～100nmz检测用波长范围：0.001～0.1nmz硬X射线：λ0.1nmz软X射线：λ0.1nm一、X射线的产生12第三章射线检测z真空管：真空度小于1.33x10-4帕z阴极：旁热式热阴极发出电子z高压：阳极和阴极之间加高压，在几万到几十万伏z阳极：是一种金属板，一般用钨、钼、铂等金属制成13第三章射线检测z能量转换–1％的能量转换为X射线，99％为热能–冷却，短时间使用zX射线的强度–∝发射的电子数量（管电流）–∝管电压的平方–∝阳极材料的原子序数14第三章射线检测连续X射线标识X射线二、X射线的种类连续X射线的产生机理：z单位时间内到达阳极靶面的电子数目是极大量的，绝大多数电子要经历多次碰撞，产生能量各不相同的辐射；z加在射线管的高压波形不同，电子受遏制的情况不同；z阴极发射电子方向差异，能量损失随机15第三章射线检测(2)连续X射线的波长在长波方向，理论上可以扩展到λ=∞；而在短波方向，实验证明具有最短波长λmin，且有min12.4(nm)Uλ=式中：U为X射线管的管电压，单位为kV。连续X射线的性质：(1)连续X射线的波长与阳极的材料无关16第三章射线检测(3)X射线管的效率为ZUIUZIUPPααη===20式中：P=αZIU2为连续X射线的总功率P0=IU为输入功率Z为阳极的原子序数U为管电压，单位为kVα为常数，约等于1.5×10-617第三章射线检测(4)X射线管的管电压愈高，其连续X射线的强度愈大，而且其最短波长λmin愈向短波方向移动不同管电压下钨靶连续X射线18第三章射线检测19第三章射线检测标识X射线：在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波长的谱线，亦称单色X射线z电子的动能达到相当的数值，足以打出靶原子内壳层上的一个电子z原子的内壳层上有了一个空位z发生相邻壳层之间的电子跃迁标识X射线的产生机理：20第三章射线检测标识Ｘ射线的特点：z与靶金属原子的结构有关z只有管电压超过激发电压时才能产生z原子序数越大，需要的激发电压越高z标识X射线通常频率很高，波长很短z每个标识X射线均对应着确定的波长钨与钼的X射线谱21第三章射线检测特点：z波长范围约为0.0003～0.1nmz频率范围约为3×1012～1×1015MHz　z工业上广泛采用人工同位素产生γ射线z用来对厚度较大和大型整体工件进行射线照相三、γ射线产生原理：放射性同位素产生α或β衰变之后，若仍处于高能级的激发状态，必定要释放多余的能量回到低能级的稳定状态（基态），这时发射γ射线22第三章射线检测NNtλΔ=−ΔNNtλΔ=−Δ衰变系数：单位时间内发生衰变的原子核与原子核总数的比值衰变规律：一段时间内发生衰变的原子核个数和时间间隔成正比，和初始原子核总数成正比指数衰变规律：0tNNeλ−=半衰期：1/2ln20.693tTλλ===23第三章射线检测射线源钴60Co镭236Ra铯137Cs铱192Ir铥170Tm射线源能量(MeV)1.251.220.660.350.072相当于射线能量(MV)2~31~20.6~1.50.15~0.80.03~0.15半衰期5.3y1622y33y75d130d穿透深度钢(cm)2.5~182.5~142.5~80.6~70~1.524第三章射线检测无损检测对γ射线源的要求：z适当的半衰期z释放射线能量大z穿透力足够大z稳定性好z价格低廉25第三章射线检测四、X、γ射线的性质：z共同点：¾不可见，在真空中以光速传播；¾不带电，不受电场和磁场的影响；¾具有某些光学特性：反射，折射，干涉和衍射¾具有极大的能量，能穿透物体；¾能使物质电离，能产生热效应和光化作用；¾能杀伤生物细胞，破坏生物组织，具有辐射生物效应26第三章射线检测z不同点：¾产生方式不同¾能量不同：X--可控，可调，取决于管电压γ--不可控，不可调，取决于源的性质¾强度不同：X--可控，可调，取决于U，i，Zγ--随时间变化¾波谱形式不同27第三章射线检测热能透射X射线衰减后的强度I0散射X射线电子荧光X射线相干的非相干的反冲电子俄歇电子光电子康普顿效应俄歇效应光电效应§4.1.４射线与物质的作用28第三章射线检测光电效应光子撞击物质中原子轨道上的电子时光子释放出全部能量，并将原子电离z光子的一部分能量把电子从原子中逐出去，剩余的能量则作为电子的动能被带走，于是该电子可能又在物质中引起新的电离z当光子的能量低于1MeV时，光电效应是极为重要的过程z光电效应更容易在原子序数高的物质中产生，如在铅(Z＝82)中产生光电效应的程度比在铜(Z=29)中大得多光电效应29第三章射线检测康普顿效应一个光子撞击一个电子时只释放出它的一部分能量z在绝大多数的轻金属中，射线的能量大约在0.2～3MeV范围时，康普顿效应是极为重要的效应z康普顿效应随着射线能量的增加而减小，其大小也取决于物质中原子的电子数z在中等原子序数物质中，射线的衰减主要是由康普顿效应引起。康普顿效应30第三章射线检测电子对的产生一个具有足够能量的光子释放出它的全部动能而形成具有同样能量的一个电子和一个正电子z产生电子对所需的最小能量为0.51MeVz所以光子能量hv必须大于等于1.02MeVz该过程正比于吸收体的原子序数的平方电子对的产生和消失31第三章射线检测汤姆逊效应射线与物质中带电粒子相互作用，产生与入射波长相同的散射线的现象叫做汤姆逊效应。z可以产生干涉z能量衰减十分微小汤姆逊效应32第三章射线检测33第三章射线检测问题一：光电效应和康普顿效应都包含电子与光子的相互作用，试问这两个过程有什么不同？答:光电效应和康普顿效应，虽然都包含电子和光子的相互作用，在这种相互作用中都遵守能量守恒定律，但这两种过程是有差别的。第一个差别是光电效应是指金属内电子吸收了光子全部能量而脱出金属表面。这是当电子处于原子中的束缚态时产生的现象，遵守能量守恒定律；而康普顿效应则是光子与自由电子的弹性碰撞，因此，同时遵守能量守恒定律与动量守恒定律。第二个差别是入射光光子能量不同．当光子能量与电子的束缚能是同数量级时，主要表现为光电效应；当光子的能量远远大于电子的束缚能时，主要表现为康普顿效应。问题二：简述射线的性质和射线检测的特点。