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1、射线检测 基础讲座 第八讲 中子射线照相检验技术 郑世才 (新立机器厂,北京 100039) NEUTRON RAD I OGRAPHY Zheng Shicai (XinliM achinery Plant, Beijing) 1 概述 1920年,英国著名物理学家卢瑟福提出,可能 存在一种质量大体与质子相等的中性基本粒子。整 个20年代,开文迪许实验室在卢瑟福的领导下,进 行了大量寻找这种中性粒子的实验研究。1930年, 德国物理学家波特( W. Bothe)和贝开尔( H. Becker)利用天然放射性元素发射的 粒子轰击铍、 锂等时,发现了一种穿透力很强的辐射,他们认为这 种辐射就是射
2、线。 许多人研究了这种辐射,发现把 这种辐射认为是 射线将出现不符合能量守恒定律 的情况,并且测得在铅中的吸收系数只有0. 22cm - 1, 这个值远小于 射线在铅中的吸收系数0. 46cm - 1。多年研究中子问题的 J. 查德威克进一步研 究了这种辐射,发现这种辐射的电荷很小,可能为 0,其质量与质子相近,命名其为中子。 中子的发现是 人类认识物质微观结构的重要里程碑。自由中子是 不稳定的,存在的时间仅为10- 910- 6 s, 按 衰变 理论估计,自由中子的半衰期约为10. 60m in。 早在1946年就有人利用小型加速器中子源研 究中子射线照相技术。 由于中子强度太弱,没有实用
3、意义,直到1955年,英国J. Thew lis在Harwell中 心利用BEPO反应堆,才成功地进行了第一次中子 射线照相。60年代中期,由于放射性物质检验的需 要,中子射线照相技术得到迅速的发展和应用。目 前,在中子射线照相技术中广泛应用的是热中子射 线照相技术,这主要是因为: (1)不同元素或同位素的热中子质量吸收系数 差异最大。 (2)热中子的检测比较容易。 (3)容易得到足够强度的热中子源。 与常规X和 射线照相技术相比,中子射线照相技 术的特点是: (1)可以检验金属中的某些低原子序数物质。 (2)可以对放射性物质进行检验。 (3)可以区分同一元素的不同同位素。 中子射线照相技术的
4、主要缺点是中子源价格昂 贵,使用时需特别注意中子的安全与防护问题,这限 制了中子射线照相技术的应用。中子射线照相技术 是常规X和 射线照相技术的补充,对一些特殊问 题、 特殊领域,如核工业,中子射线照相技术具有特 殊的意义。 2 中子与物质的相互作用 中子是基本粒子之一,在本质上它与X射线和 射线不同。X射线、 射线和物质的相互作用,是它 们的光量子与物质原子的电子或原子核的相互作 用。中子与物质的相互作用是它与物质原子的原子 核通过核力的相互作用,中子与电子之间通过磁相 互作用,但这种作用远小于中子与原子核的相互作 用。 中子与原子核间的作用,决定了中子与物质的相 互作用。 中子与原子核的作
5、用机制主要包括势散射、 复 合核和直接作用等。 势散射是中子接近原子核时,受 到核力场的作用而被散射。中子的部分动能传给原 子核,中子改变能量和运动方向,原子核发生反冲。 在散射前后中子与原子核系统的动能和动量守恒。 复合核是中子被原子核吸收形成复合核,入射中子 的动能一部分转化为复合核的动能,其余部分及中 子的结合能转化为复合核的激发能。复合核存在的 时间很短,约为10- 2010- 16 s, 但中子穿越原子核仅 需10- 22 s, 所以,可以认为复合核存在相当长的时 673 第22卷第8期 2 0 0 0年8月 无损检测 NDT Vol . 22 No. 8 A ug. 2000 19
6、95-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 间。复合核可以以不同的方式衰变。直接作用是入 射中子与原子核内少数粒子直接发生相互作用、 不 经过任何中间态的核反应。 概括起来,中子与原子核 的相互作用主要包括弹性散射、 非弹性散射、 辐射俘 获及其它核反应。 弹性散射又称为(n, n)反应,它包括势散射和 复合核散射。 在这个作用过程中,中子与原子核发生 能量转移,但整个体系的动能和动量保持守恒。 对中 能中子,弹性散射是中子能量损失的主要作用过程。 在非弹
7、性散射中,入射中子的部分动能转化为 原子核的激发能,核处于激发态,通过发射一个或多 个光量子释放激发能回到基态。 在每次相互作用中, 中子损失的能量很小。 非弹性散射只有在中子能量高于靶核的第一激 发能级时才能发生。重核的第一激发能级约在基态 以上100keV ,轻核的第一激发能级在基态以上约3 4M eV ,因此,快中子与重核相互作用时,非弹性 散射占优势。 但经过几次非弹性散射后,中子能量降 到第一激发能级以下,此后,将主要发生弹性散射作 用过程。 入射中子与原子核形成激发态的复合核,中子 被吸收,复合核通过发射 光量子回到基态,不发射 其他粒子,这种相互作用过程称为辐射俘获。 这个过 程
8、也称为( n, )反应。任何能量的中子几乎都能与 靶核发生辐射俘获,反应截面仅与中子能量相关。 反 应后粒子内多了一个中子,因此,其一般是放射性 的。各种核素的热中子俘获截面变化很大,如元素 135 Xe为2. 6510- 22m 2, 元素18O为10- 32m 2。 除了上述作用过程外,不同能量的中子与原子 核还可能发生其他核反应。主要有发射带电粒子的 核反应、 裂变反应和多粒子发射等。 在发射带电粒子 的核反应中,复合核通过发射带电粒子,如 粒子、 质子等而发生衰变。 在裂变反应中,重核俘获一个中 子后分裂为两个较轻的原子核,并放出23个中子 及200M eV的巨大能量。发生这种核反应的
9、条件是 复合核的激发能应高于裂变势垒能量。当入射中子 的能量足够高时(大于中子结合能810 M eV时 ), 可以发生复合核发射两个或多个粒子的核反应,如 (n, 2n)、(n, np)等多粒子发射过程。 由于这些作用,造成中子的散射和吸收。 中子按能量常分为冷中子、 热中子、 慢中子、 快 中子和相对论中子等。不同能量的中子其主要作用 过程不同,表821列出了不同能量中子的主要作用。 中子透射物体时,部分中子被吸收,部分中子被 散射,透射的中子束强度被减弱,强度的衰减与 X, 表821 中子分类与主要作用 中子分类中 子 能 量主要作用过程 冷中子 2. 0M eV或 3. 210- 12J
10、弹性散射,非弹性散射 射线服从同一规律指数衰减规律,即 I=I0e- nx 式中 I透射中子强度 I0入射中子强度 n物质的中子线衰减系数 x物体厚度 3 中子射线照相技术 3. 1 中子射线照相技术原理 中子射线照相的基本透照布置如图821所示。 从中子源发出的中子束,通过准直器照射到被检工 件,检测器记录透射的中子束分布图象。 不同物质具 有不同的中子衰减系数,因此透射中子束的分布图 象可以形成工件缺陷和杂质等的图象。 图821 中子射线照相的基本透照布置 1.快中子源 2.减速剂 3.中子吸收层 4.准直器 5.中子束 6.工件 7.胶片 D中子入射孔径 L准直器长度 图822是不同物质
11、对热中子的质量吸收系数。 从图中可见,中子的质量吸收系数随原子序数的变 化完全不同于X射线和 射线那种连续变化的规 律性,它除了相关于中子的能量外,与物质的原子序 数不存在简单的相关关系,没有明显的规律性。例 如,氢、 硼、 锂等轻元素和一些稀土元素等对中子的 质量吸收系数很大,而一些重元素的质量吸收系数 却很小,同一元素的不同同位素的质量吸收系数也 不同。产生这种差异的原因是中子主要通过核力与 773 郑世才:第八讲 中子射线照相检验技术 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网
12、 提供各类标准行业资料免费下载 图822 热中子质量衰减系数 原子核相互作用。 正是由于这种特点,产生了中子射 线照相不同于X射线和 射线的一些特点。 3. 2 热中子源 用质子、 氘核、 粒子、 其它带电粒子和 射线 轰击原子核,都可以产生中子。 核的裂变过程或原子 核的衰变过程也可以产生中子。按中子产生的方法 中子源可分为四类,即同位素中子源、 加速器中子 源、 反应堆中子源和亚临界装置。 同位素中子源利用 天然放射性物质放出的粒子或 射线轰击靶物质, 或者放射性物质的自发裂变过程产生中子。加速器 中子源利用加速器加速带电粒子,在带电粒子达到 较高能量时轰击靶核,引起发射中子的核反应。
13、反应 堆中子源利用中子引起重核裂变,裂变过程放出更 多中子,即通过可控制链式反应产生中子。 描述中子源的主要指标是强度、 能谱和角分布。 强度是中子源单位时间发射的中子数,能谱是发射 中子的能量,常记为En。角分布是中子源强度随发 射角的分布。 表822列出了四类中子源的典型特性, 表823列出了部分同位素中子源的特性。 中子射线照相所用的热中子是由快中子减速产 生的。 当快中子进入物体后,由于与物质原子核发生 弹性散射和非弹性散射,造成能量损失而被减速。 非 弹性散射只发生在减速过程开始,减速主要由弹性 散射过程实现,通过减速使快中子慢化。 快中子慢化 采用减速剂实现,通过减速使中子的平均能
14、量达到 表822 中子源特性比较 中子源类型 源 强 度 n?cm2s 能 谱 空间 分辨力 曝光 时间 同位素中子源10104多能,快中子中长 加速器中子源103106单能,快中子中中 反应堆中子源105108连续,快中子高短 亚临界装置104106较高中 表823 同位素中子源特性 中子源反应方式半衰期 中子平均 能量?M eV 中子产额 n?gs 238Pu- Be ( , n )89a44. 7107 241Am- Be ( , n )458a41107 241Am- 242Cm- Be ( , n )163d41. 2109 244Cm- Be ( , n) 18. 1a42. 41
15、08 252Cf 自发裂变2. 65a2. 331012 210Po- Be ( , n )138d4. 31. 281010 124Sb- Be ( , n) 60d0. 024 2. 7109 与减速剂原子核的平均动能相同。描述减速剂材料 的主要参数是慢化能力和减速比。慢化能力是在减 速剂的单位行程内中子能量的对数平均降低量。减 速比是慢化能力与宏观吸收截面之比。选择减速剂 材料时,既要考虑它的慢化能力,又要考虑它的减速 比。 慢化能力大而减速比小的材料,由于宏观吸收截 面大,不适宜作减速剂材料。 表824列出了一些减速剂的减速特性。 表824 减速剂的特性 减速剂慢化能力?cm- 1减速
16、比 水与其它含氢物质1. 5360 重水0. 186 00020 000 铍0. 16135 石墨0. 063175 减速以后从中子源引出的热中子必须经过准 直,形成分布均匀的中子束,才能作为中子射线照相 的中子源,在中子射线照相时,为了得到图象,到达 检测器的中子束需要达到下述强度: 一般质量图象: 105n?cm 2 (快速胶片 ); 较高质量图象: 109n?cm 2 (慢速胶片 ); 实时图象: 105107n?cm 2。 3. 3 中子射线照相几何不清晰度 按图821,通过选择准直比L?D,控制中子射线 照相的几何不清晰度。几何不清晰度为 Ug= D L T 在实际中子射线照相中,准
17、直比L?D一般选为 一般工件:L?D 10; 薄工件:L?D= 50500。 3. 4 中子射线照相转换屏 中子不能直接引起物质电离,对中子的检测是 通过对中子与原子核作用产生的带电粒子或 射线 检测实现的。 在热中子射线照相中,由于中子本身几 873 郑世才:第八讲 中子射线照相检验技术 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载 乎不能使胶片感光,因此必须采用转换屏。 转换屏在 中子的照射下可以发射 ,或 射线,利用这些射 线使胶片感光,记录透射中
18、子分布图象,完成中子射 线照相。 转换屏分为两类,一类是钆、 锂、 硼、 镉等,它们 在中子照射下瞬时发射射线;另一类是铟、 镝、 铑等, 它们受到中子照射时,可以俘获中子,形成具有一定 寿命的放射性核,在以后的放射性衰变中放射出 射线。表825给出了热中子射线照相常用的转换屏 性能。 表825 热中子射线照相的转换屏 转换屏 热中子截面 10- 26m2 半衰期 发射 粒子 发射粒子的最大 能量?M eV 锂9. 35瞬时4. 7 硼38. 37瞬时2. 3 镉200瞬时9 钆 580 2 400 瞬时 瞬时 e e 0. 14 0. 13 钐415瞬时- 铑 1. 44 1. 44 0.
19、11 43s 57m in 4. 4m in X 2. 41 0. 02 0. 5 铟 0. 45 1. 54 14s 54m in 3. 3 0. 42 镝 8 20 2. 35h 1. 26m in 1. 29, 0. 095 1. 04, 1. 108 钐2. 146. 7h0. 8, 0. 1 银 0. 44 1. 10 0. 03 2. 4m in 24. 5s 254d 1. 64, 0. 48 2. 87 1. 5, 0. 66 金0. 9882. 69d0. 412 3. 5 中子射线照相方法 按照选用的转换屏可把中子射线照相分为两种 方法,即直接曝光法,选用第一类转换屏(瞬时
20、屏) (图82 3a ); 间接曝光法,选用第二类转换屏(活化 屏) (图82 3b )。 在直接曝光法中,胶片与转换屏同时装入暗盒 置于中子束中进行透照,胶片直接记录转换屏在中 子照射下所产生的瞬时图象。直接曝光法可以在低 通量下进行长时间曝光,完成射线照相。 直接曝光法 的缺点是胶片同时将受到从工件及周围物体产生的 射线的照射,导致图象质量降低。直接曝光法应正 确选取转换屏,经常使用的转换屏是钆转换屏。 (a)直接曝光法 (b)间接曝光法 图823 中子射线照相方法 1.中子束 2.工件 3.暗盒 4.胶片 5.转换屏 在间接曝光法中,首先是工件与转换屏在中子 束下进行透照,在转换屏中形成
21、工件的放射性影象; 透照后,将转换屏移至暗盒中,置于胶片之上使胶片 感光,形成工件的射线照相影象。 由于在转换屏中放 射性活度的积累服从指数规律,因此,在长时间中子 照射下,转换屏的放射性活度将趋于饱和。所以,间 接曝光法应正确选取曝光时间。间接曝光法经常使 用的转换屏是铟转换屏和镝转换屏。这种方法的优 点是适合于放射性物体的射线照相。 除了转换屏,也可以采用闪烁体与胶片组合进 行中子射线照相,常用的闪烁体是锂、 硼和硫化锌 等。这时可在曝光量为105106n?cm 2 下获得热中 子射线照相图象,图象的空间分辨力可达50 100m。 4 中子射线实时成象技术 热中子射线照相也可以构成中子射线
22、实时成象 系统,系统由中子源、 闪烁体、 图象增强器、 摄象机、 图象处理器和显示器组成。在系统中实现下面的成 象过程: 中子粒子 闪烁体 可见光 图象增强器 电子可见光图象 在中子强度达到105107n?cm 2s 时,系统的空间 分辨力可达0. 250. 5mm ,可以跟踪移动速度达 3m ?m in的检测。 5 其它能量中子的射线照相技术 除了热中子,也可以采用其它能量中子进行射 973 郑世才:第八讲 中子射线照相检验技术 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各
23、类标准行业资料免费下载 线照相。 用于热中子的射线照相技术,通常同样可用 于其它能量中子的射线照相。但不同能量中子的射 线照相有其独特的特点,技术上关键的问题是选取 适当的中子源和适当的中子检测方法。 例如,冷中子对于多数物质其中子截面增大,但 对铁、 硅、 石墨等多晶物质,由于散射截面大大减小, 所以可看成是透明的,利用这个特点可以采用冷中 子检查这些物质中的杂质。 对共振中子,由于共振中 子与物质作用具有共振特性,因此,适当选择共振中 子能量可以更好地区别某些物质。 如钽和钨,它们的 热中子截面相近,但中子能量为4. 24. 5eV时,钨 的截面 10- 25m 2; 中子能量为 7. 4eV时,钨的截面 310 - 26m2, 钽的截面R 或fR,都可采用增大焦距f的办法来达到目的。 参考文献 1 胡天明.射线探伤.武汉:武汉测绘科技大学出版社, 1994. 172- 180 2 全国锅炉压力容器无损检测人员资格鉴定考核委员会编 写.射线探伤.北京:中国劳动出版社, 1989. 102- 106 收稿日期: 1999208231 083 郑世才:第八讲 中子射线照相检验技术 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 标准搜搜网 提供各类标准行业资料免费下载
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