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利用放射性辐射特性的无损检测技术 §2.3 利用放射性辐射特性的无损检测技术 放射线对材料性质的影响主要可从两个方面来阐述： (1)射线的吸收与散射 1)X射线或γ射线通过物质时，其强度将会逐渐减弱，可以表达为：I=I0·e-μx，式中：I-透过厚度为x的物质后射线的强度;I0-初始入射的射线强度;x-物质厚度;μ-由波长和物质决定的常数，特别是与物质的密度，亦即物质的原子序数有关。 对于X射线与γ射线的吸收大致上有以下几个主要原因： ①由光电效应引起的吸收 X射线或γ射线的光子入射到物质中，与物质的原子发生碰撞，沧州欧谱将会把与该原子结合在一起的电子驱逐出来，而光子则在物质中消失(亦即被吸收)，与原子核结合越紧密的电子发生光电效应的概率越大，它主要发生在波长较长的X射线情况下，并能诱发出荧光X射线。 ②由散射引起的吸收 X 射线或γ射线都是电磁波，他们入射到物质中时，由于电场分量的作用，使物质内部的电子产生频率与入射电磁波相同的振动，于是将以该电子为振动源，向各个方向放射出频率与入射射线相同的散射线(这种现象称为汤姆逊散射，是一种弹性散射)，由于原子中有许多电子，由这些电子放射出频率与入射射线相同的散射线将会发生干涉，形成干涉性散射，我们可以用原子散射因子来表示，即把所有电子散射线振幅叠加来进行计算。 另一种散射是康普顿散射(非弹性散射)，这是在X射线或γ射线入射到物质中时，光子与电子碰撞，使电子飞出，而光子因为能量减小而改变了原来的前进方向，因而出现了散射线。这种现象主要出现在射线波长较短的情况，而且入射射线的波长越短，产生散射线的波长越长，但是由于散射线有波长的变化，因此不会发生干涉，即不会形成干涉性散射。只有在入射射线的能量大于产生光电效应的射线能量，亦即波长短的射线入射情况下才会产生这种非干涉性散射。 ③电子偶(电子对)的生成 在光子能量很大的情况下，光子将会在物质的原子核周围消失并形成正负电子偶，正电子又会以极快的速度与负电子结合而消失并放射出新的光子。电子偶的生成概率随射线能量的增大而显著加大，并且与物质的原子序数的平方成正比。 由上可见，入射到物质中的X射线或γ射线会被物质吸收，其能量转变成电子的动能或者荧光X射线能，这正是射线检测所应用的物理基础，还有一部分不能从该物质中向外逸出的能量则转变为热能。 2)除了X射线与γ射线外，还有β射线，其在物质中的被吸收同样与物质的密度有关，物质密度越大，对射线的吸收越强。但是对于中子射线来说，中子射线在物质中的被吸收与上述射线有不同，轻元素物质对中子射线的吸收反而比重元素物质要大，而且即便是对X射线与γ射线吸收能力相同的物质(元素)，对中子射线的吸收能力也很不一样。 中子射线的入射强度I0与透射强度I的关系可表达为：I=I0·e-N·бt·x，式中：N-吸收材料中每单位体积(cm3)内的原子数;бt-总反应截面积(单位为靶恩-核的有效截面积单位，1靶恩=10-24cm2);x-吸收材料的厚度(cm)。 (2)射线与物质的其他相互作用 放射线能使物质的中性原子或分子形成离子(正离子和负离子)，这种现象称为电离，沧州欧谱我们把这种能够在通过物质时能间接或直接地诱生离子的粒子或电磁辐射的辐射，称作电离辐射(或致电离辐射)。 辐射作用于生物体时能造成电离辐射，这种电离作用能造成生物体的细胞、组织、器官等损伤，引起病理反应，称为辐射生物效应。电离辐射产生的各种生物效应对人体造成的损伤称为辐射损伤，因此在应用射线检测中必须特别注意辐射防护安全。 一些材料与电离辐射相互作用后能发射出可见光光子，即射线与物质相互作用所激发的能量有一部分会作为可见光的形式释放，表现为闪烁现象-这些光的光子显现闪光或火花，因而这些材料被称为闪烁材料。利用这类闪烁材料能够实现X射线实时成像检测以及在辐射安全防护中测量射线的存在与强弱。 射线检测的几种常见方法包括有：X射线照相检测、γ射线照相检测、中子射线照相检测、中子活化分析、荧光X射线检测、射线的计算机辅助层析扫描检测技术(工业CT)、X射线实时成像检测(包括X射线工业电视检测)、放射性气体吸附检测等。 §2.3.1 射线照相检测(Radiography Testing，简称RT) 常规的射线照相检测是指使用X射线(由X射线发生器产生)和γ射线(通常由放射性同位素如钴60、铱192等产生)辐照工件时，透过的射线强度(能量)在试件内密度变化区域被不同程度地吸收，放置在试件背面的对射线敏感的照相胶片(记录介质)能记录透射的射线能量差异构成潜像，经处理后转变成具有可见黑度差的图像，从而能够显示试件中缺陷的平面投影图像以供评定。 在射线照相检测中最常用的是X射线，这是一种波长很短的电磁波，容易穿透试件。沧州欧谱在穿透试件的过程中，由于受到吸收和散射，使穿透后的强度低于穿透前的强度，强度衰减大小取决于物体材料、厚度和射线的种类(X射线可按波长的长短分类为线质软和硬的X射线)。利用强度均匀的X射线辐照试件，当试件为均匀时，在整个透照面上X射线强度的减少也是基本均匀的，若试件中存在有对X射线吸收较大(例如高原子序数成分或高密度夹杂物，或者试件厚度截面变大)，或者吸收较小(例如气孔、疏松、裂纹、夹渣与非金属夹杂物、空气缝隙或者试件厚度截面变小)的区域时，透过试件的X射线强度将在一定面积上呈现不均匀分布，利用紧贴在试件背面放置的照相胶片对透射的X射线感光，再把感光后的胶片经过显影-停显-定影-水洗-干燥的暗室处理程序，就可得到具有与试件结构和内部缺陷相对应，以不同黑度显示的图像-射线照相底片(也称射线照片)。通过对底片上图像的观察，可以评定试件中缺陷的种类、大小、形状和分布状况等等，从而对试件质量做出判断。参见右图所示。 X射线照相检测最普通应用的是工业X射线发生器(普通X射线机)产生千伏级(KeV)的X射线，但是还有高能X射线，这是指能量在1兆电子伏特(1MeV)以上的X射线，它是由电子感应加速器、电子回旋加速器、电子直线加速器产生 X射线照相检测原理示意图 的。高能X射线设备的主要原理是利用超高压、强磁场、微波等技术对射线管的电子进行加速，从而获得能量强大的电子束，轰击靶面而获得高能X射线。高能X射线与一般X射线相比，它具有穿透能力极强(例如可穿透达500mm厚的钢)、焦点小、能量转换效率高、散射线少、清晰度高、透照幅度宽等特点。 工业用的普通X射线机一般由控制系统(电源、控制电路、变压器等)，X射线管(一种特殊的真空二极管，能激发出X射线)以及冷却系统(X射线管在发出X射线的同时伴随有高热产生，必须给予有效的冷却)三大部分组成。 控制系统中的变压器包括低压变压器(向X射线管的灯丝提供低压电流，使灯丝白炽并发射出大量的电子)和高压变压器(在X射线管的阴极与阳极之间建立高压电场，使灯丝发出的电子流以极大的动能撞击阳极上的钨靶而激发出X射线从X射线管窗口射出)，由于电子流高速撞击钨靶时，有很大一部分动能转变为热能，因此对X射线管的冷却是一个不可忽视的问题。阳极靶上受电子流撞击的部分称为X射线管的实际焦点，激发出X射线束的横截面即称作X射线的有效焦点，该焦点的尺寸大小和形状对X射线的辐射场以及照相检测的清晰度(分辨率)有很大关系。 X射线照相检测的基本操作工艺程序为： (1)试件的放置：X射线照相检测是利用射线能量的衰减在照相胶片上形成感光程度的差异(图像)，通过底片上的对比度差异而显示出来，因此应该尽量使射线的投射方向与试件中缺陷的延伸方向平行，使得射线有最长的衰减路径以提高射线能量衰减的差异，在这点上正好与超声脉冲反射法的要求相差90°。沧州欧谱试件距离X射线焦点的位置一般应使紧贴在试件背面的胶片落在X射线束的焦距上，以获得适当的几何不清晰度，保证胶片上获得清晰的影像。 X射线照相检测时试件的放置方法示例见右面图左，几何不清晰度见图右所示。 (2)照相胶片的放置：在暗室中将未感光的X射线照相胶片装入暗带或暗盒，或者直接用黑纸包裹(不能漏光)，为了提高照相的感光度和成像清晰度，常常需要在胶片单面或双面紧贴放置增感屏(最常用的是铅箔增感屏)，然后把包装好的胶片紧贴试件背面放置，为了防止透射X射线的背散射对胶片影像形成干扰，往往还需要在胶片背后铺设薄铅板 X射线照相检测时试件的放置方法示例 X射线照相检测中几何不清晰度示意图 作为被衬。 (3)X射线照相检测规范的确定： a.胶片种类(型号)的确定：不同型号的胶片具有不同的银粒粗细，有不同的感光速度，所形成的影像对比度和分辨率也不同，适用于不同的应用需求，因此要根据被检试件的具体情况和检测要求选择适当型号的射线照相胶片。 b. 曝光曲线的绘制与曝光条件的确定：照相胶片上的曝光量主要与X射线机的管电压和管电流以及曝光时间有关，当然也与焦距的大小有关，并且在相同的曝光条件下，不同材料所能获得的曝光量也不相同。因此，一般需要首先通过实际试验绘制对应某种材料的曝光曲线(在一定的焦距和一定的暗室处理工艺下，以一定的底片黑度为标准，管电压、曝光时间与管电流以及穿透厚度之间的关系曲线)，然后在实际检测中根据试件的具体尺寸和形状，按照曝光曲线选择最佳的曝光条件(管电压、管电流与曝光时间)，以获得符合质量要求的底片。 c.透度计(像质指示器)的放置：透度计是用不同直径的与被检试件材料相同的金属丝，沧州欧谱或者用与被检试件材料相同的金属阶梯试块(含有不同直径的柱孔)等方式制成，一般放置在被检试件的射线源侧，与试件同时经受射线辐照(曝光)，根据底片上透度计的可识别程度来判断射线照相检测的灵敏度。 (4)实施曝光：按照既定的射线照相检测规范的工艺参数对被检试件实施曝光。 (5)胶片处理：按照既定的射线照相检测规范的工艺参数对试件实施曝光后，把胶片在暗室中按照规定的程序进行显影、停显、定影、水洗、干燥，可以是手工洗片，也可以是使用专门的胶片自动处理机进行自动洗片，得到可供观察评定的射线照相底片。 (6)评片：将底片置于专用的底片观察灯上观察，根据底片上黑度变化的影像情况判断存在的缺陷种类、大小、形状、数量、在试件中的平面位置、分布状态等，并按检验标准分类评级。最新型的底片评定已经能通过专用扫描仪将底片影像扫描输入电脑，然后运用专门的评定软件在电脑中进行分析评定。 工业射线照相检测中常用的另一类射线是γ射线，通常由放射性同位素产生(这是在元素周期表上占据相同位置，具有不稳定性的元素，它能自发蜕变成另一种原子核并同时放射出γ射线，即某个放射性元素其原子核内的质子数相同，而中子数不同，例如钴60、铱192、铯137等)，沧州欧谱工业γ射线照相检测使用的是同位素γ射线探伤机，γ射线探伤装置主要包括γ射源、保护罐(用铅或贫化铀制成)、操作机构和支撑装置。 γ射线照相检测的程序与X射线照相检测基本相同，所不同的是X射线是由X射线发生装置(X射线机)产生，其能级可以调节并且中断高压电场也就中止了X射线的发生，而γ射线是由放射性同位素产生，其初始能级是一定的，但是会随着时间的推移，其能量有衰变(以半衰期来衡量)，γ射线源始终不断地在放射γ射线，因此对其辐射的防护要较X射线麻烦很多。 射线照相检测适用于铸件、焊缝以及小而薄且形状复杂的锻件、电子组件、非金属、固体燃料、金属硬度计http://www.jinshuyingduji.com 复合材料等探测内部缺陷及组织结构的变化，例如疏松、夹杂、夹渣、气孔、裂纹、未熔合、未焊透、偏析、脱粘，以及试件几何形状、结构及密度的变化等等。优点是有永久性的比较直观的记录结果(照相底片)，无需耦合剂，对试件表面光洁度要求不高，但是对试件中的密度变化敏感(适宜探测体积型缺陷)。缺点是X射线检测设备价格较高，而且在检测过程中需要消耗大量的照相胶片和处理药品等，以及需要较多的辅助器材(暗室设备、洗片机、干燥机、评片灯以及现场拍片的辅助工具等等)，从而使得检测成本较高。 |
