1.5 射线产生

1.5.1 X射线的产生

X射线是在X射线管中产生的，X射线管是具有阳、阴两极的真空管，阴极是钨丝、阳极是金属制成的靶。灯丝加热后放出大量电子，在X射线管内施加高压，飞向阳极（管电流），最终以很大速度撞击到金属靶上，失去所有动能，这些动能绝大部分转换为热能，仅有极小一部分转换为X射线向四周辐射。

1.简单地讲产生X射线具备条件

1）有发射电子的源；

2）有电子聚焦器；

3）有加速电子手段；

4）具有高真空度的空间；

5）有接受电子撞击的靶。

2.X射线管发出的射线谱

这包括两个部分，一部分是波长连续变化部分称连续谱，它的最短波长与外加电压有关；另一部分是特征谱 （标识谱），重叠在连续谱上，它出现的谱峰值所对应波长位置取决靶材料，如图1-1所示。

在射线管中，加热后灯丝发出电子，在X射线管高电压作用下，高速飞向阳极，达到阳极时具有的动能为

若电子在一次撞击过程损失全部动能，按能量守恒定律，产生韧致辐射光子的最短波长和加速电压之间的关系如下：

代入各值则得

V的单位为kV，在计算X射线最短波长时常用式（1-3）。通常认为连续谱中最大强度对应的波长与最短波长之间近似关系如下：

式中 e——电子电量，e=1.6×10^-19C；

λ_min——最短波长，单位为cm；

λ_m——最大强度对应波长，单位为cm；

V——加速电压（管电压单位为kV）；

c——光速，c=3×10⁸m/s；

h——普朗克常数，h=6.626×10^-34J·s；

3.分析

从连续谱图1-1可知：

1） 管电压V与最短波长λ_min成反比；

2） 管电压V越高，最短波长λ_min越短， λ_min曲线左移；

3） λ＜λ_min范围内强度I=0；

4） λ≫λ_min时，波长λ增加，射线强度I迅速提高达到最大值；

5） λ≈λ_min时，射线强度I达到最大值；

6） 继续增加波长λ时，射线强度I降低。

4.X射线强度和效率

实验证明，X射线总强度I_T与管电流i（mA），管电压V（kV）,靶材料原子序数Z的关系如下：

式中 K_i——比例系数，K_i≈（1.1～1.4）×10^-6。

管电流i提高，撞击靶电子数量增加；管电压V提高，电子数未变情况下每个电子获得能量增加，短波成分增加，能量转换过程比率增加。

靶材料原子序数Z增加，核库仑场越强，韧致辐射作用越强。

产生X射线效率η，等于连续X射线总强度I_T与管电压和管电流i的乘积之比。

例如：Z=74，K_i=1.4×10^-6；V=100kV,η=1%；V=250kV，η=2.5%；V=350kV,η=3.6%；V=400kV,η=36%。

5.X射线连续谱分布解释

经典电动力学指出，带电粒子在加速或减速时必然伴随着电磁辐射，当带电粒子与原子核的库伦场相互作用，发生骤然减速时，由此伴随产生的辐射称为韧致辐射。

大部分电子在加速电压下获得一定能量与靶相撞，相撞前初速度不同，相撞时减速程也各不相同。少量电子一次碰撞就失去全部动能，大部分电子经多次制动逐步丧失动能，这样使得能量转换过程中发出的电磁辐射，具有各种波长，所以X射线的波谱呈连续分布。

1.5.2 γ射线的产生

1.γ射线

γ射线是放射性同位素经α衰变或β衰变后，从激发态向稳定态过度的过程中从原子内发出的辐射，也称γ衰变、γ跃迁。γ跃迁是核内能级之间的跃迁，放出的光子能量等于跃迁前后两能级值之差。

工业射线检测常用放射源有Co60（钴）、Cs137（铯）、Ir192（铱）和Tm170（铥）等。它们蜕变过程如图1-2和图1-3所示。

Co60是人工放射性同位素，由稳定同位素Co59被中子照射后形成不稳定同位素Co60，先经过一次β衰变后，再经过二次γ衰变，成为稳定的⁶⁰Ni(镍)。

Cs137是U235分裂时的一种产物，它的衰变过程是8%的部分经过一次β衰变，变为稳定态的¹³⁷ Ba，另一部分先经一次β衰变后再经过一次 γ 衰变，成为稳定态的¹³⁷ Ba （钡）。Ir192是Ir191俘获热中子反应后，释放出0.057 MeV的γ射线能量，此状态下Ir192仍不稳定，其中有4%经K俘获过渡到¹⁹² Os，其余核素经β衰变过渡到¹⁹² Pt （铂），从不稳定状态过渡到稳定态放射出γ射线。

不同的原子核具有不同的能级结构，所以不同的放射性元素的辐射γ射线具有不同的能量。由此可知，γ射线的能量是由放射同位素的种类所决定的。一种放射性同位素能放出多种能量的γ射线，其射线为线状谱出现在特定波长的若干点上，如图1-4所示。

2.放射性同位素衰变规律

放射性同位素的原子核衰变是自发不停地发生衰变，对任意一个放射性核，衰变具有偶然性，对同种放射性元素，它每个原子核发生衰变的可能性是相同的，不是同时发生衰变有先有后。在很短的时间间隔内，衰变的原子数与存在的原子数成正比，放射性原子的减少服从以下指数衰减规律：

式中 N——T时刻放射性物质尚未发生衰变的原子核数量；

N₀——开始时刻（T=0）放射性物质未发生衰变的原子核数量；

λ——衰变常数 （单位时间内原子核发生衰变的概率）；

T——经过的衰变时间。

衰变常数是描述放射性元素衰变的快慢。 λ越大衰变越快，不同放射性元素具有λ是不同，各种放射性元素有自己衰变速率。

3.半衰期T_1/2

放射性同位素衰变掉原有核数一半所需时间称半衰期，用T_1/2表示。

当T=T_1/2 时，N=N₀/2，式（1-6）得

T_1/2反映出了放射性同位素固有属性。 λ越大， T_1/2越小，衰变很快，比活度较高； T_1/2长，衰变很慢，比活度较低， λ较小。

半衰期时间单位有用s、min、h、d、y表示。

4.衰变常数λ

衰变常数λ是反映放射性物质的固有属性，表征单位时间内一个原子的蜕变概率。 λ越大，则蜕变进行越快， λ与 T_1/2关系为λ=0.693/T_1/2 ， λ的单位为 s^-1、d^-1、y^-1。

1.5.3 高能X射线

能量在1MeV以上的X射线被称为高能X射线。工业检测使用的高能射线大多数是通过电子回旋加速器、电子感应加速器、电子直线加速器来获得。射线成像系统使用直线加速器能量一般在4.5~15MeV，电子感应加速器、电子回旋加速器能量一般为18MeV。

1.5.4 中子射线

中子射线可用于射线照相和射线成像系统中。在中子射线成像系统的设备中，所使用中子源，目前有四种，即同位素中子源、加速器中子源、反应堆中子源、中子管式中子源。前两种产生的中子是快中子，通过慢化剂变成热中子来使用，热中子反应堆产生的中子是热中子，一般强度为10⁶个中子/S·cm²，最后一种是属于加速器中子源的另一种形式，体积小价格低，可用于移动式中子检测装置。