第3章 工业射线检测中的射线

最大强度对应的波长
IM 1.5min
量子极限
假设高速电子撞击靶时，电子能量中有p部 分消耗于阳极各种不同过程的激发作用。
1 2 eV mv h p 2 c eV hvmax h
min
min
hc 12.4 1.24 8 10 cm nm (量子极限) VkV 1e V VkV
射线强度平方反比定律
平方反比定律：
I1 L2 2 2 I 2 L1
结论：空间任意一点的射线强度与该点到射线源的 距离平方成反比。 空间距离射线源F处的射线强度为
KiZV I连 2 F
2
实测剂量与管电流关系
24 22 20 18
剂 量 (cGy)
16 14 12 10 8 6 4 2 0 0
特征谱的产生机理解释
原子的电子按泡利不相容原理和能量最低 原理分布于各个能级。在电子轰击阳极的 过程中，当某个具有足够能量的电子将阳 极靶原子的内层电子击出时，于是在低能 级上出现空位，系统能量升高，处于不稳 定激发态。较高能级上的电子向低能级上 的空位跃迁，并以光子的形式辐射出标识 X射线谱。
激发电压
如果K层电子被击出K层，称K激发，L层电子被击 出L层，称L激发，其余各层依此类推。 产生K激发的能量为WK＝hυ K，阴极电子的能量必 须满足eV≥WK＝hυ K，才能产生K激发。其临界值 为eVK＝WK，VK称之临界激发电压。 当管电压(大于临界激发电压)增加时，连续谱和 特征谱强度都增加，而特征谱对应的波长保持不 变。
特征谱的作用
注意：在工业射线检测中，标识谱不起作 用。 用途： 特征X射线可用来作为元素的标识，材料成 分分析，如X射线荧光光谱分析。
3.2.5 莫色莱定律
强度与管电压、管电流和靶物质原子序数关系
X射线管的转换效率
X射线管的效率η ，是指电子流能量中用于产 生X射线的百分数， 即
连续X射线总强度 K i iZV 2 K i ZV X射线管功率 iV
随着原子序数Z的增加，X射线管的效率提高 ，但即使用原子序数大的钨靶，在管电压高 达100kv的情况下，X射线管的效率也仅有1﹪ 左右，99％的能量都转变为热能。
特征谱的波长
按量子理论所释放的能量以光量子(X射线 或可见光)的形式辐射出去。若有一N轨道 电子跃迁到K轨道，则辐射波长
NK
ch EN EK
若 E N E K 比较小 辐射可见光(原子外层电子跃迁时发生)
E N E K 较大
辐射X射线(原子内层电子跃迁时发生)
不同系射线和谱线
不同系射线
K系X射线：任何电子跳到K层时产生的X射线。 L系X射线：任何电子(外层)跳到L层时产生的X射 线。 …
在每一系(如K系)X射线里 谱线(即K 线)：凡从相邻层(L到K层)跳来的。
谱线(即K 线)：凡从隔层(M到K层)跳来的。 … 原子轨道能级不连续，产生的特征X射线也是不连 续。
剂 量 (cGy)
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 100 120 140 160 180
0.5mA 1.0mA 1.5mA 2.0mA 2.5mA 3.0mA 3.5mA 4.0mA 4.5mA 5.0mA
管电压(kV)
提高总强度方法
提高管电流-单位时间撞击靶的电子数增多 提高管电压-电子加速后能量增大，碰撞时 能量转换过程增多 靶材料原子序数越高-核库仑场越强，韧致 辐射作用越强
无透 照 工件 累 计 时间 :1min
剂 量 (cGy)
14 12 10 8 6 4 2 0 100 120 140 160 180
0.5mA 1.0mA 2.0mA 3.0mA 4.0mA 5.0mA
管电压(kV)
实测剂量与管电压关系
4.5 4.0 3.5 3.0
设备 :CT射线 机
TL3000A 工件 :5mm钢 累 计 时间 :1min
100kV 120kV 130kV 140kV 150kV 160kV 170kV 180kV
设备 :TL3000A CT射 线 机 无工件 累 计 时间 :1min
1
2
3
4
5
曝 光量 (mA.min)
实测剂量与管电流关系
5.0 4.5 4.0 3.5
设备 :TL3000A CT射线 机 材料:5mm厚钢 累 计 时间 :1min
意义：解决了经典理论无法解释最短波长的困难。 上式可用来精确测定普朗克常数h。
连续X射线谱的总强度
X射线的强度是指垂直于X射线传播方向的单位面 积上在单位时间内所通过的光子数目的能量总和。 总强度的计算
I
经验公式
min
I d
IT Ki ZiV 2
其中 i-管电流，mA Z-靶物质的原子序数 V-管电压，kV Ki-系数 (1.1～1.4)×10-6
射线分类
按带电性质：射线可分为带电粒子和中性辐射。 带电粒子又可分为快电子（包括核衰变中发射的 正或负β粒子，以及其他过程中产生的具有相当能 量的电子）和重带电粒子（如质子、核衰变中产 生的α粒子以及其他重带电离子，他们都具有一个 或多个原子质量单位并具有一定能量）。 中性辐射又可分为电磁辐射（包括韧致辐射，原 子的壳层电子跃迁过程中发射的特征X射线和核 能级跃迁中发生的γ射线）和中子辐射（通常在自 发裂变和核反应中产生）。
剂 量 (cGy)
3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 0 1 2 3 4
100kV 120kV 130kV 140kV 150kV 160kV 170kV 180kV
5
曝 光 量 (mA.min)
实测剂量与管电压关系
24 22 20 18 16
设备 :CT射 线机
TL3000A
3.2.4.2 特征谱及特征X射线
在连续谱的基础上叠加若干条具有一定波 长的强度很大的线状谱线。 特征X射线谱的产生只依赖于阳极靶材料， 确切的说与靶的原子结构有关，波长位置 与管电压、管电流无关。
特征X射线的产生机理
原子壳层按称。 但当管电压达到或超过某一临界值时，则 阴极发出的电子在电场加速下，可以将靶 物质原子深层的电子击到能量较高的外部 壳层或击出原子外，使原子电离。
当管电压小于K系激发电压而大于L系激发 电压时，不产生K系X射线而产生L系X射线 ，同时伴随M系、N系等系X射线。
特征X射线的强度
特征X射线的强度随管电流和管电压变化， K系X射线强度为
I 标 iV - V激
n
n取值在1.5-2内，管电压不超过激发电压3-4倍。
谱线强度在某一电压下达到最大，然后下 降。当管电压高于激发电压10-20倍时，电 子深入阳极内部，产生的射线被阳极大量 吸收，特征谱强度下降。
能量转换，电子的运动受阻失去动能，其
中一小部分(1％左右)能量转变为X射线，
而绝大部分(99％左右)能量转变成热能使
物体温度升高。
产生条件
灯丝 产生自由电子
高压 加速电子,使电子作定向的高速运动
靶 在其运动的路径上设置一个障碍物
使电子突然减速或停止,产生X-射线
X射线的产生过程
X射线管的阴极灯丝通过电流，被加热到2000 C 以上后发射电子，这些电子聚集在灯丝附近。当 通过X射线管的阳极和阴极之间的空间后撞击到 阳极靶上。通过韧致辐射，电子的一部分动能转 化为X射线，从X射线窗口辐射出来。电子的大部 分动能传给了阳极靶，使它迅速升温。
连续X射线强度的空间分布
薄靶周围X射线强度的角分布 当管电压升高时，X射线最大强度方向逐渐 趋向电子束的入射方向，X射线的强度分布 趋于集中。
连续X射线强度的空间分布
厚靶的X射线空间分布
―足跟”效应(阳极效应)：愈靠近阳极，沿管长轴 分布的X射线强度下降得愈多。 如射线B比阴极侧的射线A在阳极靶内穿越远，能 量与强度衰减更多。
E h h c

能量 动量
p
h

光子与一般基本粒子的本质区别：光子的静止质 量为0，运动时才有质量，速度越大质量越大。
3.2.3 X射线产生
韧致辐射
韧致辐射：带电粒子与原子(原子核库仑场)
相碰撞，发生骤然减速，伴随产生的辐射
。或称刹车辐射。
X射线的产生原理
高速运动的电子与金属靶材碰撞时，发生
X射线谱--特征X射线谱
钼靶X射线管当管电压等于或高于20KV时，则除连 续X射线谱外，位于一定波长处还叠加有少数强谱 线，它们即特征X射线谱。 钼靶X射线管在35KV电压下的谱线，其特征x射线 分别位于0.63Å和0.71Å处，后者的强度约为前者 强度的五倍。这两条谱线称钼的K系。
特征谱的特点
典型光谱图
（钨靶） （钼靶） 钨靶与钼靶射线管的射线谱
3.2.4.1 对连续X射线谱的解释
根据经典电动力学的理论，带电粒子在加
速(或减速)时必伴随着辐射。
电子到达靶材时，在靶核库仑场的作用下
电子的速度是连续变化的，因此辐射的X射
线具有连续谱的性质。 但经典电动力学无法解释最短波长现象。
连续谱的特点
连续谱线的强度随波长变化而变化，在某波长上 有一强度极大值。
存在短波波长极限，它与靶物质种类无关，仅与 加速电压有关。(量子力学)
当电压增大时各种波长的强度随之增大，曲线的 极大值向短波方向移动。(碰撞次数和辐射光子能 量增高)
管电压相同时，不同材料金属靶的连续谱线的强 度随其原子序数的增加而增强。
。
3.2.4 X射线光谱
X射线谱 描述X射线强度与波长的关系曲线 X射线光谱由二部分构成： 连续谱——是由波长连续变化的谱线构成。连续 谱所构成的X射线称为白色X射线(与电压有关)， 是由电子的动能直接转化而来。 线状谱(标识谱、特征谱)——是由谱线分立的线 状谱线构成。分立谱所构成的X射线称为特征X射 线(与靶金属材料有关)是由电子的动能间接转化 而来。