3.7 射线通过物质的衰减规律
3.7.1 射线与物质的相互作用
强度均匀的射线照射被检的物体时，会产生能量的衰减，其衰减程度与射线的能量（波长），被穿透物体的质量、厚度及密度有关。如果被照物体是均匀的，射线穿过物体衰减后的能量只与其厚度有关。当物体内有缺陷时，在缺陷内部穿过射线的衰减程度则不同，最终得到不同强度的射线，如图3-9所示。
图3-9 射线检测示意图
3.7.1.1 光电效应
在普朗克概念中每束射线都具有能量为E=hv的光子。光子运动时保持着它的全部动能。光子能够撞击物质中原子轨道上的电子，若撞击时光子释放出全部能量，并将原子电离，则称为光电效应（见图3-10）。光子的一部分能量把电子从原子中逐出去，剩余的能量则作为电子的动能被带走，于是该电子可能又在物质中引起新的电离。当光子的能量低于1MeV时，光电效应是极为重要的过程。另外，光电效应更容易在原子序数高的物质中产生，如在铅（Z=82）中产生光电效应的程度比在铜（Z=29）中大得多。
图3-10 光电效应
3.7.1.2 康普顿效应
在康普顿效应（图3-11）中，一个光子撞击一个电子时只释放出它的一部分能量，结果光子的能量减弱并在和射线初始方向成θ角的方向上散射，而电子则在和初始方向成φ角的方向上散射。这一过程同样服从能量守恒定律，即电子所具有的动能为入射光子和散射光子的能量之差，最后电子在物质中因电离原子而损失其能量。
图3-11 康普顿效应
在绝大多数的轻金属中，射线的能量大约在0.2～3MeV范围时，康普顿效应是极为重要的效应。康普顿效应随着射线能量的增加而减小，其大小也取决于物质中原子的电子数。在中等原子序数的物质中，射线的衰减主要是由康普顿效应引起，在射线防护时主要侧重于康普顿效应。
3.7.1.3 电子对的产生
一个具有足够能量的光子释放出它的全部动能而形成具有同样能量的一个负电子和一个正电子，这样的过程称为电子对的产生。产生电子对所需的最小能量为0.51MeV，所以光子能量hν必须大于等于1.02MeV，如图3-12所示。
图3-12 电子对的产生
光子的能量一部分用于产生电子对，一部分传递给电子和正电子作为动能，另一部分能量传给原子核。在物质中负电子和正电子都是通过原子的电离而损失动能，在消失过程中正电子和物质中的负电子相作用成为能量各为0.51MeV的两个光子，它们在物质中又可以通过光电效应和康普顿效应进一步相互作用。
由于产生电子对的能量条件要求不小于1.02MeV，所以电子对的产生只有在高能射线中才是重要的过程。该过程正比于吸收体的原子序数的平方，所以高原子序数的物质电子对的产生也是重要的过程。
3.7.1.4 汤姆森效应
射线与物质中带电粒子相互作用，产生与入射波长相同的散射线的现象叫作汤姆森效应。这种散射线可以产生干涉，能量衰减十分微小，如图3-13所示。
图3-13 汤姆森效应
3.7.2 射线的衰减定律和衰减曲线
射线的衰减是由于射线光子与物体相互作用产生光电效应、康普顿效应、汤姆森效应或电子对的产生，使射线被吸收和散射而引起的。由此可知，物质愈厚，则射线穿透时的衰减程度也愈大。
射线衰减的程度不仅与透过物质的厚度有关，而且还与射线的性质（波长）、物体的性质（密度和原子序数）有关。一般来讲，射线的波长愈小，衰减愈小；物质的密度及原子序数愈大，衰减也愈大。但它们之间的关系并不是简单的直线关系，而是呈指数关系的衰减。
设入射线的初始强度为I0，通过物质的厚度为d，射线能量的线衰减系数为μ，那么射线在透过物质以后的强度Id为
（3-3）
因为射线的衰减包括吸收和散射，所以射线的衰减系数μ是吸收系数τ和散射系数σ之和，即μ=τ+σ。
由于物质密度愈大，射线在物质中传播时碰到的原子也愈多，因而射线衰减也愈大。为便于比较起见，通常采用质量衰减系数，即
（3-4）
式中，ρ为物质的密度；τ/ρ为质量吸收系数；σ/ρ为质量散射系数。
射线的质量吸收系数和散射系数表示如下
（3-5）
（3-6）
式中，C为常数；A为元素的质量数；Z为元素的原子序数；λ为射线的波长。
3.7.3 X射线检测的基本原理
Χ射线检测是利用Χ射线通过物质衰减程度与被通过部位的材质、厚度和缺陷的性质有关的特性，使胶片感光成黑度不同的图像来实现的。当一束强度为I0的Χ射线平行通过被检测试件（厚度为d）后，被测试件表面有高度为h的凸起时，则X射线强度将衰减为
（3-7）
如果在被测试件内，有一个厚度为x、吸收系数为μ'的某种缺陷，则射线通过后，强度衰减为
（3-8）
若缺陷的吸收系数小于被测试件本身的线吸收系数，则Ix＞Id＞Ih，于是，在被检测试件的另一面就形成一幅射线强度不均匀的分布图。通过一定方式将这种不均匀的射线强度进行照相或转变为电信号指示、记录或显示，就可以评定被检测试件的内部质量，达到无损检测的目的。