射线衰减规律及其意义.

时间：2023-07-01 理论教育版权反馈

【摘要】：线衰减系数μ的意义是射线通过单位厚度物质时，与物质相互作用的概率。

射线衰减规律及其意义.

【学习目标】

1.了解窄束单色射线的强度衰减规律。

2.掌握宽束多色射线的强度衰减规律。

一、窄束单色射线的强度衰减规律

射线通过物质时，导致强度减弱的原因是吸收与散射。如果光子与物质发生的相互作用是光电效应和电子对效应，则光子被物质吸收；如果光子与物质发生康普顿散射，则光子被散射。散射光子也可能穿过物质层，这样，穿过物质层的射线通常由两部分组成：一部分是未与物质发生相互作用的光子，其能量和方向均未变化，称为透射射线；另一部分是发生过一次或多次康普顿散射的光子，其能量和方向都发生了改变，称为散射线。

射线与物质的相互作用是一个复杂的过程，为定性地讨论射线通过物质后强度减弱的规律，首先将问题予以简化。假设入射射线是窄束单色射线。所谓单色是指由单一波长电磁波组成的射线。所谓窄束射线是指不包括散射成分的射线束，通过物质后的射线束，仅由未与物质发生相互作用的光子组成。“窄束”一词是从试验时通过准直器得到细小平行的辐射束流而取名，其强度不因几何因素而减弱。

采用图1-11所示装置，在单能辐射源与探测器之间放置两个铅准直器，在两个铅准直器之间放置吸收物质，便可通过试验测出窄束单色射线的强度按指数规律衰减，即

I=I₀e^-μT（1-8）

式中 I——放置厚度为T的薄层物质后，探测器K记录的辐射强度即为一次射线强度，sv；

I₀——当吸收物质不存在时，探测器K记录的辐射强度即为入射强度，sv；

T——透过物质的厚度，cm；

μ——线衰减系数，cm^-1。

线衰减系数_μ的意义是射线通过单位厚度物质时，与物质相互作用的概率。它与射线能量、物质的原子序数和密度有关。对于同一种物质，射线能量不同时衰减系数不同。对于同一种能量的射线，通过不同的物质时，其衰减系数也不同。

图1-11 获得窄束辐射的装置示意图

在实际应用中，经常使用半值层来描述某种能量射线的穿透能力或某种射线的衰减作用程度。半值层是指穿过物体后的射线强度为入射强度一半时的穿透厚度，用符号T₁/2表示。

当I/I₀=1/2时，代入式I=I₀e^-μT，则

1/2=e^-μT

两边取自然对数得

T₁/2=ln2/μ

T₁/2=0.693/μ（1-9）

影响半值层T₁/2的因素：能量越大（μ越小），半值层越厚；半值层不是一个常数，只有窄束单色射线通过某物质时才可能是一个常数。

二、宽束多色射线的强度衰减规律

常用的放射性同位素发出的γ射线是几种乃至十几种能量光子的组合，属于多色射线，而X射线的波长更是连续变化的，称为白色射线。工业检测中应用的宽束多色射线通过物质时，强度衰减具有一些不同于窄束单色射线的特点。

1.散射线与散射比

射线在穿透物质的过程中与物质相互作用，除了直线前进的透射射线外，还会产生散射线以及荧光X射线、光电子、反冲电子、俄歇电子等，向各个方向射出，其中各种电子穿透物质的能力很弱，很容易被物质本身或空气吸收，荧光X射线能量较低，例如铁的荧光X射线的能量约为7keV，也很容易被吸收，一般不会造成影响。所以对射线检测产生影响的散射线来自康普顿散射，在较低能量范围，则是来自相干散射。

假定采用宽束单色射线通过物质时，一次透射射线I_P和散射射线I_S同时到达探测器，设到达探测器的射线总强度为I，则宽束单色射线的强度衰减规律为

I=I_S+I_P=I_P（1+I_S/I_P）=（1+n）I_P=（1+n）I₀e^-μT（1-10）

式中 I——宽束单色透射射线强度，为一次透射射线强度I_P和散射射线强度I_S之和，Sv；

I₀——初始射线强度，Sv；

μ——衰减系数，cm^-1；

T——穿透物质的厚度，cm。

n=I_S/I_P为散射比，散射射线强度I_S与一次透射射线强度I_P之比称为散射比，散射比n的大小与射线能量、穿透物质种类、穿透厚度等诸多因素有关。

2.平均衰减系数(www.xing528.com)

如果射线束不是由单一能量的光子组成，而是由几种不同能量的光子组成，那么它通过物质时的强度衰减将变得更复杂，因为光子的能量不同，其衰减系数也不同，与物质相互作用强度减弱的程度也不同。

设一束多色射线的初始强度为I₀，其中不同能量的光子束流强度分别为I₀₁、I₀₂、I₀₃等，在物质中的衰减系数分别为_μ1、μ₂、μ₃等，一次透射射线的总强度为I，不同能量射线的分强度为I₁、I₂、I₃等，则以下关系式成立：

考虑总的强度衰减结果，可以归纳得到以下关系式：

此即为窄束多色射线强度衰减公式，式中称为平均线衰减系数，可根据试验数据计算得出。

3.强度衰减规律

综上所述，宽束多色射线通过物质的强度衰减公式可写为

式中 I——透射射线强度，为一次透射射线强度I_P和散射射线强度I_S之和，sv；

I₀——初始射线强度，sv；

——平均衰减系数，cm^-1；

T——穿透物质的厚度，cm；

n——散射比。

如果连续X射线在某一穿透厚度范围内的平均衰减系数与某一能量的单色射线的衰减系数_μ的数值相同，则可用此单色射线的能量值来表示连续X射线的平均能量，该能量又称为有效能量。

射线线质是指射线的能量或穿透力。能量（或穿透力）大的，可称为线质硬；反之则称为线质软。多色射线穿透物质的过程中，能量较低的射线分量强度衰减多，而能量较高的射线分量强度衰减相对较少，波长较长部分射线的强度衰减较大，从而使透射射线的平均波长变短。这样，透射射线的平均能量将高于初始射线的平均能量，此过程称为多色射线穿透物质过程的线质硬化现象。

多色射线穿透物质的过程中，随着穿透厚度的增加，线质逐渐变硬，平均衰减系数μ的数值逐渐减小，而平均半值层T₁/2的数值将逐渐增大。

由图1-12中可以看出，波长较长部分射线的衰减较大，从而使透射射线的平均波长变短。