3.7　射線通過物質(zhì)的衰減規(guī)律

3.7.1　射線與物質(zhì)的相互作用

強(qiáng)度均勻的射線照射被檢的物體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生能量的衰減，其衰減程度與射線的能量（波長），被穿透物體的質(zhì)量、厚度及密度有關(guān)。如果被照物體是均勻的，射線穿過物體衰減后的能量只與其厚度有關(guān)。當(dāng)物體內(nèi)有缺陷時(shí)，在缺陷內(nèi)部穿過射線的衰減程度則不同，最終得到不同強(qiáng)度的射線，如圖3-9所示。

3.7.1.1　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)（見圖3-10）。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1MeV時(shí)，光電效應(yīng)是極為重要的過程。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（Z=82）中產(chǎn)生光電效應(yīng)的程度比在銅（Z=29）中大得多。

3.7.1.2　康普頓效應(yīng)

在康普頓效應(yīng)（圖3-11）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θ角的方向上散射，而電子則在和初始方向成φ角的方向上散射。這一過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0.2～3MeV范圍時(shí)，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)。

3.7.1.3　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)負(fù)電子和一個(gè)正電子，這樣的過程稱為電子對(duì)的產(chǎn)生。產(chǎn)生電子對(duì)所需的最小能量為0.51MeV，所以光子能量hν必須大于等于1.02MeV，如圖3-12所示。

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)中負(fù)電子和正電子都是通過原子的電離而損失動(dòng)能，在消失過程中正電子和物質(zhì)中的負(fù)電子相作用成為能量各為0.51MeV的兩個(gè)光子，它們?cè)谖镔|(zhì)中又可以通過光電效應(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1.02MeV，所以電子對(duì)的產(chǎn)生只有在高能射線中才是重要的過程。該過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)生也是重要的過程。

3.7.1.4　湯姆森效應(yīng)

射線與物質(zhì)中帶電粒子相互作用，產(chǎn)生與入射波長相同的散射線的現(xiàn)象叫作湯姆森效應(yīng)。這種散射線可以產(chǎn)生干涉，能量衰減十分微小，如圖3-13所示。

3.7.2　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)、湯姆森效應(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物質(zhì)的厚度有關(guān)，而且還與射線的性質(zhì)（波長）、物體的性質(zhì)（密度和原子序數(shù)）有關(guān)。一般來講，射線的波長愈小，衰減愈小；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，而是呈指數(shù)關(guān)系的衰減。

設(shè)入射線的初始強(qiáng)度為I₀，通過物質(zhì)的厚度為d，射線能量的線衰減系數(shù)為μ，那么射線在透過物質(zhì)以后的強(qiáng)度I_d為

　　（3-3）

因?yàn)樯渚€的衰減包括吸收和散射，所以射線的衰減系數(shù)μ是吸收系數(shù)τ和散射系數(shù)σ之和，即μ=τ+σ。

由于物質(zhì)密度愈大，射線在物質(zhì)中傳播時(shí)碰到的原子也愈多，因而射線衰減也愈大。為便于比較起見，通常采用質(zhì)量衰減系數(shù)，即

　　（3-4）

式中，ρ為物質(zhì)的密度；τ/ρ為質(zhì)量吸收系數(shù)；σ/ρ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

　　（3-5）

　　（3-6）

式中，C為常數(shù)；A為元素的質(zhì)量數(shù)；Z為元素的原子序數(shù)；λ為射線的波長。

3.7.3　X射線檢測(cè)的基本原理

Χ射線檢測(cè)是利用Χ射線通過物質(zhì)衰減程度與被通過部位的材質(zhì)、厚度和缺陷的性質(zhì)有關(guān)的特性，使膠片感光成黑度不同的圖像來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)一束強(qiáng)度為I₀的Χ射線平行通過被檢測(cè)試件（厚度為d）后，被測(cè)試件表面有高度為h的凸起時(shí)，則X射線強(qiáng)度將衰減為

　　（3-7）

如果在被測(cè)試件內(nèi)，有一個(gè)厚度為x、吸收系數(shù)為μ'的某種缺陷，則射線通過后，強(qiáng)度衰減為

　　（3-8）

若缺陷的吸收系數(shù)小于被測(cè)試件本身的線吸收系數(shù)，則I_x＞I_d＞I_h，于是，在被檢測(cè)試件的另一面就形成一幅射線強(qiáng)度不均勻的分布圖。通過一定方式將這種不均勻的射線強(qiáng)度進(jìn)行照相或轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)指示、記錄或顯示，就可以評(píng)定被檢測(cè)試件的內(nèi)部質(zhì)量，達(dá)到無損檢測(cè)的目的。