Семенов А.П. Конспект лекций. Радиационная дефектоскопия промышленных изделий
Подождите немного. Документ загружается.
9
нов
с
анодом
их
кинетическая
энергия
частично
превращается
в
лучистую
энергию
квантов рентгеновского
излучения
,
а
частично идет
на
нагревание
процессов
,
протекающих
в
возбужденных
ускоренны
ми
электронами
атомах
ма
-
'----'---------~
л.
J
анода.
Полученное
таким
образом
рентгеновское
излучение
характеризуется
двумя
самостоятельными
энергетическими
спектрами
-
непрерывным
и дис
кретным.
Излучение
с
непрерывным
спектром
(тормозное
излучение)
возника
ет
в
результате
резкого
изменения
скорости
движения
электронов
(торможение
Характерис
тиче
ское
электронов
на
аноде).
Дис-
излучение
кретный
спектр
(характе-
ристическое
излучение)
возникает
в
результате
териала
анода
и
сопровож
дающихся
энергетическими
переходами.
Характеристическое
рентгеновское
излучение
проявляется
в
энергетическом
спектре
в
виде
острых
выбросов
,
на
кладывающихся
на
непрерывный
спектр.
Длины
волн
в
дискретном
спектре
возникающего
характеристического
рентгеновского
излучения
зависят
от
мате
риала анода
и
определенного
потенциала
возбуждения.
Непрерывный
спектр определяется
разностью
потенциалов,
приложенной
к
электродам
рентгеновской
трубки
,
и не
зависит
от
вещества
.
Энергия
электрона
:
Е
э
=
е-
и
Энергия
кванта
излучения
:
Е
к
=h·V,
где е
-
заряд
электрона;
и
-
разность
потенциалов;
h -
постоянная
План-
ка;
v-
час
тота.
Если
Е
~E
то
э
к'
h·c
е'U=-
А,'
Отсюда
A,=h·c.~
е
И
Таким
образом
длину
волны
рентгеновского
излучения
можно
записать
как
:
10
12,4
и
(кВ)
в
соответствии
с
этим,
зависимости
интенсивности
рентгеновского
излу
чения
при
постоянном
токе
накала
i
H
и
постоянном
ускоряющем
напряжении
U
y
представлены
ниже.
J
U
y
=const
л...
J
i..= const
2.2.
Основные
свойства
рентгеновского
и
у-излучения
большая
проникающая
способность;
фотохимическое
действие;
световозбуждающее
действие;
ионизирующее
действие
;
способность
изменять
проводимость
полупроводников;
биохимическое
действие.
2.3.
Дозы
излучения
2.3.1.
Поглощенная
доза
излучения
Для
оценки
величины
поглощенной
энергии
при
взаимодействии
ионизи
-
,
;;.
рующего
излучения
с
веществом
вводят
понятие
поглощенная
доза
излучения.
Это
основная
универсальная физическая
величина,
принятая
в
дозиметрии
для
оценки
меры
действия
ионизирующего
излучения
в
среде.
11
Погпошенная
доза
излучения
представляет
собой
энергию
любого
иони-
зирующего
излучения
Е,
рассчитанную
на
единицу
массы
любого
облучен-
ного
вещества
и
поглощенную
в
нем.
д
=
Е
[Гр]
т
Единица
измерения
поглощенной
дозы
излучения
в
СИ
-
Грей
[Гр],
вне
системная
единица
-
рад
(1
Гр
= 100
рад)
.
Грей
-
поглощенная
доза
излучения,
измеряемая
энергией
в
1
Дж
любого
вида
ионизирующего
излучения,
передан
ная
облученному
веществу
массой
1
кг.
Мощность
поглощенной
дозы
-
доза
излучения,
поглощенная
за
единицу
времени.
д
Е
р=
-=
-
_
.
_
-
!
т-л
::.3.2.•
Экспозииионная
доза
Количественная
характеристика
рентгеновского
и
у-излучения,
основан
ная
на их
ионизирующем
действии
и
выраженная
суммарным
электрическим
зарядом
Q
ионов
одного
знака
,
образованных
в
единице
массы
сухого
воздуха
при
нормальных
условиях.
•
[:
]
Внесистемная
единица
измерения
-
рентген
[Р]
(1
Р
= 2,58·10-4
Кл/кг)
.
Мощность
экспозиционной
дозы:
Х
=
х
=
~
!
т
ч
2.3.3.
Эквивалентная
доза
Эквивалентная
доза
-
это
произведение
поглощенной
дозы
излучения
Д
на
коэффициент
качества
Q,
отражающий
способность
излучения
повреждать
ткани
организма
.
12
д
э
к
в
=
Д.Q
[3в]
Единица
измерения
эквивалентной
дозы
в
си
-
Зиверт
[3в],
внесистемная
единица'
-
бэр
(1
3в
= 100
?эр)
.
3иверт
-
единица
поглощенной
дозы
излучения,
у
м
н о
ж
е
н
н
ая
.
на
коэффиц
иент
качества
,
учитывающий
неоцинаковую
радиаци
онную
опасность для
организма
ионизирующего
излучения
различного
вида.
1
3в.
соответствует
поглощенной
энергии
в
1
Дж
для
рентгеновского,
у-
и
~
излучений.
Вид
излучения
Коэффициент
качес
тва
(Q)
ре
нтгеновское
,
у-
и
~-излучение
1
п-тепловые
нейтроны
10
а-излучение
20
2.4;
Ослабление
рентгеновского
и
у-излучения
веществом
При
взаимодействии
рентгеновского
и
у-излучения
с
в~ществом
различа
ют
три
основных
процесса.
2.4.1.
Фотоэффект
Фотоэффект
-
процесс
вырывания
электронов
из
атомов
поглощающего
вещества
и
сообщение
им
кинетической
энергии.
При
этом
рентгеновский
или
у-
квант
передает
всю свою
энергию
h·V
е
е
вырванному
электрону.
Условие
фотоэффекта:
h
·v~A
, .
вы
х
m·,92
п-м
ь
А
+- -
вых
2
где
А.
ых
-
работа
,
которую
необходимо
про
извести
для
вырывания
электрона
с
орбиты
.
Фотоэффект
-
эффект
малых
энергий
и
больших
z.
lЗ
Величина,
характеризующая
относительное
уменьшение
потока
рентге
новского
или
у-
излучения на
единице
пути
в
веществе,
обусловленное
фото
электрическим
поглощением,
называется
линейным
коэффициентом
ослабле-
, I
ния
фотоэффекта
't
[см"]
,
Другими
словами,
't
указывает на
долю
от первона-
чальной
интенсивности
излучения,
поглощенной
в
поглотителе
толщиной
в
1
см.
400
РЬ
Си
AI
1000
Как
видно
из
графика,
линейный
коэффициент
ослабления
't
увеличивается
при
увеличениии
Z
(энергия
излучения
Е
= const)
и
при
уменьшении
энергии
излучения
Е
(Z = const).
С
увеличением
энергии
квантов
излучения
вероятность
фотоэффекта
уменьшается
и
Е,кэВ
для
легких
элементов
при
Е
= 100
...
150
кэВ
становиться
диаграмму
Эванса).
2.4.2.
Комптон
-
эффект
очень
малой
(см.
далее
Комптоновское
рассеяние
-
такое
взаимодействие
кванта
рентгеновского
или
у-излучения
с
атомами
вещества,
при
котором
квант
передает
электрону
не
всю
энергию,
а
только
ее
часть,
отклоняясь
при
этом
от
своего
первоначального
направления
на
некоторый
угол
.
В
результате
появляется
рассеяный
квант
из-
лучения
с
меньшей
энергией
и
h'v=A
вых
h·v
электрон
отдачи.
Условие
Комптон
-
эффекта:
h·v>A
B
ыx
I
m·f)2
+h
·v+--
2
14
Величина
,
характеризующая
относительное
уменьшение
потока
рен
тге
новского
или
у-
излучения
на
единице
пути
в
веществе
за
счет
процесса
ком
птоновского
рассеяния,
называется
линейным
коэффициентом
комптоновского
рассеяния
а
[CM
-
1].
Комптоновское
рассеяние
является
основным
механизмом
взаимодейст
вия
квантов
излучения
с
веществом
в
широком
энергетическом
ин
тервале
..
(РЬ
~
0,6
...
5
МэБ
;
·
А1
~
0,05
...
15
МэБ)
.
.2.4.3.
Эффект
образования
нар
При
жестком
рентгеновском
или
у-
излучении
(IJ·У
>1,02
М
эВ)
м
о
жет
возникнуть
новый
вид
взаимодействия
квантов
излучения
с
вещес
твом,
а
имен
но:
вблизи
атомного
ядра
в
сильном
электрическом
поле
происходи
т
ио
гп
още
ние
кванта
с
образованием
пары
заряженных
частиц
позитрон
-
электрон
.
п-»:>
1,02
МэН
Условие
возникновения
эффекта
образования
пар:
е
+
е
h·v
Впоследствии
электрон
т
е
ря
е
т
свою
э
н
е
р
г
и
ю
в
процессе
ионизации
,
а
позитрон
существует
короткое
вр
емя,
аннигилируя
с
одним
из
электронов
среды,
что
сопровождается
излучением
двух
квантов
с
энергией
0,51
МэБ.
Относительное
уменьшение
интенсивности
потока
рентгеновского
или
у-
излучения
за
счет
эффекта
образования
пар
на
единице
пути
в
веществе
ха
-
Эcп:hе
I(/П
.
I ··2
рактеризуется
линейным
коэффициентом~разования
пар
аз
[см-
]
(re~Z
).
Применяемое
.: 5
дефектоскопии
излучение
имеет
энергию
не
более
3
МэБ.
Ослабление
излучения
с
подобной
энергией
за
счет
эффекта
обра
зова
ния
пар
мало
по
сравнению
с
ослаблением
,
обусловленным
фотоэффектом
и
Комптон-эффектом
.
15
2.5.
ОСНОВНОЙ
закон
радиационной
дефектоскопии
J=J
·е-
р
·
д
u ,
где
Р-
линейный
коэффициент
ослабления
излучения
за
счет
фотоэффекта
,
Комптон
-
эффекта
и
эффекта
образования
пар
(Jl
= r +
(J"
+
~);
J
o
-
первоначапьная
интенсивность
излучения,
/ТQАающего
на
по
глотитель;
J -
интенсивность
излучения,
прошедшего
через
поглотитель
;
О
-
толщина
материала.
Коэффициент
Р
характеризует
ДОJlЮ
от
иервоначальной
ИlIТСIIСИВlЮСТII
излучения,
поглощенную
в
поглотителе
толщиной
в
1
см
за
счет
трех
вышеспи
санных
эффектов.
Другими
словами
,
коэффициент
Р
показывает
вероятность
поглощения
кванта
излучения
в
поглотителе
толщиной
в
1
см
за
счет
всех
трех
эффектов.
2.6.
Диаграмма
Эванса
...
~
Диаграмма
Эванса
представляет
собой
вероятности
поглощения
рентге-
новского
и
у-излучения
веществом
за
счет
фотоэффекта,
Комптон-эффекта
и
эффекта
образования
пар
в
зависимости
от
энергии
излучения
и
числа
Z
мате
риала
поглотителя.
16
Вероятность
соседних
эффектов
(фотоэффекта
и
Комптон-эффекта
;
Комптон-эффекта
и
эффекта
образования
пар)
одинакова
по
линиям
равной
ве
роятности
соответственно
1"=0"
и
О"=СЕ.
z
80
60
40
·· 20
!2
..,
-&
-&
. .
",
а
'
О
ое
0,1
Комнтон-эффект
1,0
10
100
МэВ
Оптимизация
режима
контроля
означает
выбор
такой
энергии
излучения
,
при
которой преобладает
фотоэффект
.
2.7.
Двойная
функция
усиливающих
'
м
е
т
а
л
л
и
ч
е с
к
и х
экранов
а)
Рентген
о-электронное
преобразование
С
помощью
металлического
экрана
происходит
преобразование
рентге
новского
или
у-из~
в
электронное,
которое
регистрируется
радиографи
ческой
пленкой
более
эффективно.
II-v
усиливающий
экран
(РЬ)
р/ппенка
VZZZZnпo77fl77flZ7Z7777ZZZZZZп
17
б)
Избирательное
ослабление
рассеянного
излучения
Металлический
экран
(РЬ)
производит
фильтрацию
рассеянного
излуче
ния
,
за
счет
того
,
что
расстояние,
которое
должен
пройти рассеянный
квант
из
лучения
в
материале
экрана
,
больше
,
чем
расстояние
,
проходимое
не-рассеян
ным
квантом
излучения.
Кроме
того,
рассеяный
квант
обладает
и
меньшей
энергией
.
It·v
усил
ивающий
экран
It·v·
I
h
·y>h·y'
8'
>8
2.8.
Способы
нейтрализации
рассеянного
излучения
диафраг
м
а
(
Р
Ь)
р/nленк
а
-----1···· · · · ·· ·· · · · · · ·· ·
···
·
~
у
с
ил и
в
аю
щ
и
е
экраны
(РЬ)
.:
.:.:.:
.:.:
.:.:
.:.:.:
.:.:.:
.:.:
.:.:.:.:.:.:
.:.:
.:.:.:
.:
.:.:
.:.:.:.:
.:.:.:
.:
.:.:.:.:.:.:.:.:.:
.:.:.:.:.:
.:
.:.:.:.:.:
.:.:.:
.:.:.:.:
.:
.:.:.:.:
.,
~
заЩИТНЫ
Й
э
кр
а н
(РЬ)
1.
Оптимизация
режимов
просвечивания
(см.
диаграмму
Эванса)
.
2.
Ограничение
пучка
рентгеновского
излучения
(коллимация).
3.
Ограничение
поля
облучения
(диафрагмирование).
4.
Использование
усиливающих
металлических
экранов
.
5.
Использование
свинцовых
защитных
экранов.
18
·2.9.
Коэффициент
рассеянного
излучения
J
o
J
+J
J
В=
пр расе
=1+
~~1
J
np
з
;
J
np
-
интенсивность
прямого
излучения,
прошедшего
поглотитель
;
J pocc -
интенсивность
рассеяного
оглотителем
излучения.
;..
J
np
+Jpacc
2.10.
Слой
половинного
ослабления
Для
характеристики
проникающей
способности
рентгеновског
о
или
у-излучения
используется
понятие
слой
половинного
ослабления
fl.
1
/
2
,
пр
е
д
с
та
в
л
я
ю
щ
и
й
собой
то
лщину
8
слоя
облучаемого
тела
,
при
прохождении
к
о
то
рого
интенсивность
изл
учения
ослабляется
в
2
раза
.
()/693
6//2.::'
fl
2.11.
Физические
и
химические
эффекты
воздействия
рент
геновского
и
у-излучения
на
вещество
2.11.1.
Ионизация
Под
действием
рентгеновского
и
у-излучения
вещества
ионизируются
и
становятся
электропроводящими
.
Особенно
этот
эффект
проявляется
в
газах
и
полупроводниках
.
На
его
основе
разработаны
датчики излучения
,
основанные
,
соответственно на
пропорциональности
ионизационного
тока
интенсивности
излучения
и
на
зависимости
удельного
сопротивления
полупроводника
от
мощности
дозы
излучения.
.
~
у
-