射线检测原理

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1、3 射 线 检 测3-1 射 线 检 测 原 理 射 线 透 过 被 检 物 体 时 ， 有 缺 陷 部 位 与 无 缺 陷部 位 对 射 线 上 的 吸 收 能 力 不 同 工 件 缺 陷 胶 片增 感 屏暗 合 射 线 源 缺 陷 影 象底 片 以 金 属 材 料 为 例 ， 缺 陷 部 位 (气 孔 或 非 金 属 夹杂 物 )对 射 线 的 吸 收 能 力 低 于 金 属 基 体 。 透 过 缺 陷 部 位 的 射 线 强 度 高 于 无 缺 陷 部 位 ， 根据 透 过 工 件 后 射 线 强 度 的 差 异 ， 来 检 测 缺 陷 。 工 件 缺 陷 胶 片增 感 屏暗 合 射 线

2、 源 缺 陷 影 象底 片 目 前 ， 广 泛 采 用 射 线 照 相 法 ， 利 用 感 光 胶 片 来检 测 射 线 强 度 ， 胶 片 上 相 应 有 缺 陷 部 位 因 接 受较 多 射 线 ， 而 形 成 黑 度 较 大 的 缺 陷 影 象 。 工 件 缺 陷 胶 片增 感 屏暗 合 射 线 源 缺 陷 影 象底 片 射 线 透 过 无 缺 陷 部 位 强 度式 中 J1-射 线 透 过 厚 度 为 A后 的 强 度 ， J0-射 线 透过 工 件 前 的 强 度 ， -材 料 线 衰 减 系 数 ， A-透过 层 材 料 厚 度 。 AeJJ 01 射 线 透 过 有 缺 陷 部

3、位 强 度 (缺 陷 假 设 为 气 孔 )式 中 x-缺 陷 在 射 线 方 向 的 厚 度)(02 xAeJJ 两 者 强 度 比 为可 见 缺 陷 沿 射 线 透 照 方 向 长 度 x越 大 或 被 透 物 质线 吸 收 系 数 越 大 ， 则 透 过 有 缺 陷 部 位 和 无 缺 陷部 位 的 射 线 强 度 差 越 大 ， 胶 片 上 缺 陷 与 基 体 的 黑度 差 越 大 ， 缺 陷 越 容 易 被 发 现 。xeJJ 21 5-1-1 射 线 的 本 质 射 线 是 一 种 电 磁 波 ， 与 无 线 电 波 、 红 外 线 、可 见 光 、 紫 外 线 等 本 质 相 同

4、 ， 具 有 相 同 的 传 播速 度 ， 但 频 率 与 波 长 不 同 。 射 线 的 波 长 短 、 频 率 高 ， 具 有 许 多 与 可 见 光不 同 的 性 质 ： A 不 可 见 ， 依 直 线 传 播 B 不 带 电 荷 ， 因 此 不 受 电 场 和 磁 场 影 响 C 能 透 过 可 见 光 不 能 透 过 的 物 质 D 与 可 见 光 同 样 有 反 射 、 干 涉 、 绕 射 、 折 射 等现 象 ， 但 这 些 现 象 又 与 可 见 光 有 区 别 ， 如 x射 线只 有 漫 反 射 ， 不 能 产 生 如 镜 面 反 射 。 E 使 物 质 产 生 光 电 子

5、及 返 跳 电 子 、 以 及 引 起散 射 现 象 F 被 物 质 吸 收 产 生 热 量 G 使 气 体 电 离 H 使 某 些 物 质 起 光 化 学 作 用 ， 使 照 相 胶 片 感光 ， 又 能 使 某 些 物 质 发 生 荧 光 I 产 生 生 物 效 应 、 伤 害 及 杀 死 有 生 命 的 细 胞 3-3-2 射 线 的 种 类 1) X射 线 与 射 线 这 是 射 线 检 测 中 最 常 用 的 两 种 射 线 ， X射 线 是由 人 为 的 高 速 电 子 流 撞 击 金 属 靶 产 生 的 。 射 线 是 放 射 性 物 质 自 发 产 生 的 ， 如 钴 、 铀

6、、镭 等 ， 两 者 产 生 的 机 理 不 同 ， 但 都 是 电 磁 波 。 (2) 射 线 与 射 线 放 射 性 同 位 素 产 生 衰 变 和 衰 变 ， 放 射 射线 和 射 线 ， 射 线 贯 穿 能 力 弱 ， 但 有 很 强 的 电离 作 用 。 射 线 虽 然 穿 透 力 强 ， 但 能 量 很 小 。 一 般 并 不 直 接 用 射 线 和 射 线 进 行 检 测 ，它 们 适 用 于 特 种 场 合 。 与 X射 线 和 射 线 不 同 ， 射 线 和 射 线 不 是电 磁 波 ， 而 是 粒 子 辐 射 。 (3) 中 子 射 线 中 子 是 呈 电 中 性 的 微

7、粒 子 流 ， 不 是 电 磁 波 ， 这种 粒 子 流 具 有 巨 大 的 速 度 和 贯 穿 能 力 。 中 子 与 X和 射 线 有 很 大 不 同 ， 在 被 穿 透 材 料中 的 衰 减 主 要 取 决 于 材 料 对 中 子 的 俘 获 能 力 。 对 铅 来 说 ， X和 射 线 穿 透 能 量 衰 减 很 大 ， 但俘 获 中 子 的 能 力 很 小 。 对 氢 来 说 正 好 相 反 。 3-1-5 射 线 的 获 得 (1) X射 线 的 获 得 X射 线 是 由 一 种 特 制 的 X射 线 管 产 生 的 ， 由 阴极 、 阳 极 和 高 真 空 的 玻 璃 或 陶 瓷

8、 外 壳 组 成 ， 阴 极是 一 加 热 灯 丝 ， 用 于 发 射 电 子 ， 阳 极 靶 是 由 耐 高温 的 钨 制 成 。 工 作 时 在 两 极 之 间 加 有 高 电 压 ， 从 阴 极 灯 丝 发 射的 高 速 电 子 撞 击 到 阳 极 靶 上 ， 其 动 能 消 耗 于 阳 极材 料 原 子 的 电 离 和 激 发 ， 然 后 转 变 为 热 能 ， 部 分电 子 在 原 子 核 场 中 受 到 急 剧 阻 止 ， 产 生 所 谓 韧 致X射 线 ， 即 连 续 X射 线 。 为 减 少 电 子 在 飞 往 阳 极 过 程 中 与 气 体 粒 子 相 碰 撞损 失 动 能

9、， 射 线 管 需 抽 成 10-4 10-5Pa真 空 。 电子 流 动 能 的 绝 大 部 分 (97%)转 化 为 热 能 ， 因 此阳 极 材 料 一 般 应 选 用 耐 高 温 材 料 并 通 以 介 质 加 冷却 。 动 能 中 仅 一 小 部 分 ( 3%)转 变 为 X射 线 。 阴 极 发 射 电 子 的 数 量 ， 决 定 了 从 阴 极 飞 往 阳 极 电子 流 大 小 (管 电 流 )， 而 X射 线 的 穿 透 能 力 则 决 定于 电 子 从 阴 极 飞 往 阳 极 的 运 动 速 度 ， 与 两 极 之 间电 压 (管 电 压 )有 关 。 管 电 压 愈 高 ，

10、 所 产 生 X射 线的 穿 透 能 力 愈 大 ， 波 长 愈 短 。 图 中 可 见 ， 只 改 变 管 电 流 时 ， X射 线 辐 射 强 度 只是 在 原 有 各 波 长 下 相 应 增 加 。 只 改 变 管 电 压 时 、则 除 原 来 各 波 长 相 应 增 加 辐 射 强 度 外 ， 还 出 现 了更 短 波 长 的 X射 线 。 灯 丝 的 外 加 电 流 越 大 ， 产 生 的 电 子 数 量越 大 ， 射 线 强 度 越 高 ； 射 线 能 量 是 管 电 压 的 函 数 ， 所 施 电 压 越高 ， 则 辐 射 的 能 量 越 高 。 射 线 能 量 是 其唯 一 的

11、 特 征 量 ， 射 线 能 量 与 波 长 及 穿 透能 力 直 接 相 关 。 能 量 越 高 ， 波 长 越 短 ，穿 透 能 力 越 强 。 X射 线 管 单 位 时 间 内 所 发 出 的 连 续 X射 线 的 全部 能 量 的 近 似 公 式 为式 中 0-常 数 ( 10-9)， I-管 电 流 (A)， Z-阳 极 靶原 子 序 数 (钨 Z=74)， U-管 电 压 (V)。 X射 线 管 的 转 换 效 率 为其 它 转 变 为 热 能 20IZUE ZU IUE 0 当 U=100kV时 =0.7% 200kV 1.5% 300kV 2.2% 400kV 3% 1 MV

12、7% 5MV 37%由 此 可 见 ， 提 高 管 电 压 可 显 著 提 高 转 换 效 率 (2) 射 线 的 获 得 放 射 性 同 位 素 是 一 种 不 稳 定 的 同 位 素 ， 处 于 激发 态 ， 原 子 核 能 级 高 于 基 级 ， 向 基 级 转 变 同 时 释放 出 射 线 ， 其 能 量 等 于 两 个 能 级 间 差 。 射 线 检 测 中 所 用 的 射 线 源 ， 是 由 核 反 应 制 成的 人 工 放 射 源 ， 应 用 较 广 的 射 线 源 有 钴 60、 铱192、 铯 137、 铥 170等 。 铯 137因 其 放 射 性 比 活 度 低 ， 又

13、易 造 成 环 境 污染 ， 能 量 单 一 、 不 宜 检 测 厚 薄 不 均 匀 工 件 等 原 因而 日 趋 淘 汰 。 钴 60的 获 得 ， 是 将 同 位 素 钴 59， 在 原 子 反 应 堆里 的 中 子 流 冲 击 下 ， 激 发 形 成 不 稳 定 的 同 位 素 即钴 60， 释 放 射 线 以 及 少 量 射 线 和 射 线 。 放 射 性 同 位 素 的 原 子 核 ， 在 自 发 地 放 射 出 射线 后 能 量 逐 渐 减 弱 ， 这 种 现 象 叫 做 衰 变 。 各 种 放 射 性 同 位 素 都 有 自 己 特 定 衰 变 速 度 ， 称为 衰 变 常 数

14、( )， 它 表 示 单 位 时 间 内 衰 变 核 的 数量 与 尚 未 衰 变 核 的 数 量 之 比式 中 N-物 质 在 t时 尚 未 衰 变 的 原 子 数 ， N0-原 有 物质 原 子 数 ， e-自 然 对 数 底 ， -物 质 衰 变 常 数 。 teNN 0 放 射 同 位 素 原 子 数 随 时 间 呈 指 数 减 少 ， 放 射 性同 位 素 以 原 有 N0个 原 子 因 衰 变 而 减 少 到 N0/2个 原子 所 需 的 时 间 ， 称 为 半 衰 期 (T)。 以 使 用 最 广 的 钴 60为 例 ， 其 半 衰 期 为 5.3年693.0T 在 单 位 时

15、间 内 衰 变 的 原 子 核 数 量 ， 称 为 放 射性 活 度 ， 以 表 示 ， 单 位 为 居 里 (Ci) 某 种 物 质 每 秒 钟 有 3.7 1010个 原 子 衰 变 ， 则该 物 质 的 放 射 性 活 度 为 1Ci(居 里 ) 单 位 质 量 放 射 性 物 质 的 活 度 称 为 比 活 度 ， 单位 为 Ci/g(居 里 /克 ) 射 线 的 强 度 可 由 测 量 仪 器 引 起 的 电 离 程 度来 决 定 ， 单 位 是 R(伦 琴 ) 1R辐 射 强 度 ， 等 于 在 0 及 105Pa压 力 下 ， 在1cm3空 气 中 电 离 引 起 离 子 绝 对

16、 值 总 和 为 一 个 绝对 静 电 单 位 。 (3) 高 能 X射 线 的 获 得 普 通 X射 线 和 射 线 检 测 ， 由 于 其 能 量 低 、 穿透 能 力 差 ， 检 测 能 力 受 到 限 制 。 超 过 100mm厚 钢 板 不 能 用 一 般 X射 线 检 测 ， 超过 300mm厚 钢 板 很 难 用 射 线 进 行 检 测 。 此 时 可 采 用 加 速 器 产 生 的 高 能 X射 线 检 测 ， 例如 对 厚 度 达 300 500mm的 钢 板 ， 采 用 高 能 X射线 检 测 可 获 得 满 意 结 果 。 高 能 X射 线 是 指 能 量 超 过 100

17、0kV的 射 线 ， 这 种高 能 X射 线 都 由 加 速 器 产 生 。 被 加 速 粒 子 的 能 量 在 1000MeV以 上 是 高 能 加 速器 ， 能 量 在 100MeV以 下 是 低 能 加 速 器 ， 能 量 在100 1000MeV之 间 是 中 能 加 速 器 。 按 加 速 器 种 类 可 以 分 为 电 子 加 速 器 、 质 子 加 速器 、 重 离 子 加 速 器 以 及 全 离 子 加 速 器 等 。 射 线 检 测 中 应 用 的 加 速 器 都 是 电 子 加 速 器 ， 能量 数 兆 电 子 伏 到 数 十 兆 电 子 伏 范 围 内 ， 一 般 都 在

18、45MeV以 下 ， 即 用 低 能 电 子 加 速 器 产 生 。 检 测 对 加 速 器 的 要 求 是 束 流 强 度 大 、 焦 点 尺 寸小 、 体 积 小 、 重 量 轻 、 成 本 低 、 操 作 容 易 、 维 护简 单 等 。 适 合 工 业 无 损 检 测 用 加 速 器 ， 主 要 有 电 子 感 应加 速 器 、 电 子 直 线 加 速 器 和 电 子 回 旋 加 速 器 。 (4) 中 子 射 线 的 获 得 中 子 射 线 检 测 时 常 根 据 不 同 用 途 选 用 不 同 能 量的 中 子 ， 如 冷 中 子 、 热 中 子 和 快 中 子 等 。 中 子 照

19、 相 主 要 是 用 热 中 子 ， 中 子 源 放 射 出 来 的快 中 子 由 于 能 量 高 ， 不 适 合 照 相 ， 需 经 慢 化 后 变成 低 能 热 中 子 ， 由 准 直 器 引 出 。 目 前 可 供 照 相 用 的 中 子 源 有 核 反 应 堆 、 加 速 器和 放 射 性 同 位 素 ， 常 用 的 为 (锎 Cf 252) (锎 )Cf252中 子 源 的 半 衰 期 2.65年 ， 产 额2.3 1012中 子 /s/g， 目 前 价 各 还 很 贵 。 利 用 Cf252可 做 成 可 移 动 式 中 子 照 相 装 置 。 另 一 种 可 移 动 中 子 装

20、置 ， 核 心 是 与 密 封 管 中 子发 生 器 组 合 在 一 起 的 慢 化 器 ， 与 Cf252中 子 源 不同 之 处 是 可 以 关 闭 ， 不 运 行 时 无 需 屏 蔽 。 国 外 中 子 管 的 中 子 产 额 已 达 1012中 子 /s， 完 全可 以 满 足 照 相 的 要 求 。 从 中 子 照 相 来 说 ， 要 求 中 子 射 线 强 度 大 、 射 线束 质 量 高 、 便 宜 、 方 便 、 操 作 灵 活 等 。 目 前 ， 强 度 大 的 源 是 核 反 应 堆 ， 但 它 投 资 大 、笨 重 、 无 法 用 于 生 产 现 场 。 而 小 型 加

21、速 器 、 中 子 管 、 同 位 素 中 子 源 等 虽 然灵 巧 、 方 便 ， 但 强 度 总 的 来 说 还 不 够 高 。 3-1-4 射 线 的 衰 减 特 性 射 线 对 物 质 的 作 用 理 论 上 有 12种 效 应 ， 其 中 主要 的 有 4种 ： 光 电 效 应 、 瑞 利 散 射 、 康 普 顿 效 应以 及 电 子 对 生 成 。 能 量 较 小 时 、 前 两 种 效 应 比 较 重 要 ， 电 子 对 生成 效 应 仅 当 能 量 大 于 1MeV时 才 开 始 显 著 。 各 种 效 应 随 物 质 原 子 序 数 的 不 同 而 改 变 ， 原 子序 数

22、低 效 应 弱 ， 原 子 序 数 高 效 应 强 。 上 述 几 种 效 应 造 成 射 线 能 量 减 弱 ， 其 原 因 是 物质 对 射 线 的 吸 收 与 散 射 。 射 线 被 吸 收 时 其 能 量 转 变 为 其 它 形 式 ， 如 热 能 ，散 射 则 使 射 线 的 传 播 方 向 改 变 。 (1) 射 线 的 吸 收 A 光 电 效 应 射 线 通 过 物 质 时 ， 光 子 与 原 子 相 互 作 用 ， 光 子被 吸 收 ， 原 子 中 的 电 子 被 释 放 出 来 ， 称 为 光 电 子 ，即 光 电 效 应 。 当 光 子 的 能 量 处 在 射 线 的 能

23、量 范 围 时 ， 光 电效 应 与 原 子 序 数 的 关 系 密 切 ， 原 子 序 数 愈 高 ， 光电 效 应 愈 显 著 ， 光 电 效 应 与 光 子 能 量 的 3次 方 成反 比 ， 能 量 愈 高 ， 光 电 效 应 愈 弱 。 例 如 能 量 为 0.5MeV的 射 线 通 过 铅 板 时 ， 光电 效 应 的 吸 收 十 分 显 著 ， 当 为 2MeV时 则 光 电 效应 很 小 。 光 电 效 应 可 产 生 的 特 征 X射 线 ， 称 为 荧 光 X射线 ， 产 生 荧 光 X 射 线 的 最 佳 条 件 是 光 子 能 量 稍 大于 原 子 核 外 电 子 、

24、如 K 层 电 子 的 结 合 能 ， 能 量 太大 就 难 以 产 生 荧 光 X射 线 。 B 电 子 对 生 成 射 线 通 过 物 质 时 除 产 生 光 电 效 应 外 ， 还 有 电子 对 生 成 。 当 光 子 能 量 大 于 1.02MeV时 产 生 电 子 对 ， 产生 电 子 对 导 致 能 量 减 弱 的 吸 收 系 数 与 原 子 序 数 的平 方 成 正 比 。 光 子 能 量 小 于 1.02MeV时 不 产 生 电 子 对 ， 因此 电 子 对 效 应 主 要 发 生 在 高 能 射 线 。 (2) 射 线 的 散 射 A 康 普 顿 散 射 又 称 非 弹 性

25、散 射 和 非 干 涉 散 射 ， 一 个 光 子 和物 质 中 一 个 自 由 电 子 或 束 缚 较 弱 的 电 子 发 生 碰 撞后 ， 光 子 将 一 部 分 能 量 传 给 电 子 ， 波 长 变 长 。 电 子 即 从 原 子 空 间 中 以 与 光 子 初 始 运 动 方 向成 角 的 方 向 射 出 。 光 子 则 朝 着 与 自 己 初 始 方 向成 角 的 方 向 散 射 ， 这 就 称 为 康 普 顿 散 射 。 轻 原 子 中 的 电 子 一 般 束 缚 较 弱 ， 重 原 子 中 的电 子 只 有 外 层 电 子 束 缚 较 弱 。 因 此 ， 原 子 序 数 小 的

26、 物 质 ， 其 康 普 顿 散 射 较强 ， 而 原 子 序 数 大 的 物 质 则 相 对 较 弱 。 B 汤 姆 逊 散 射 汤 姆 逊 散 射 即 弹 性 散 射 、 干 涉 散 射 ， 在 美 国又 称 为 瑞 利 散 射 。 当 光 子 与 原 子 中 束 缚 很 紧 的 电 子 碰 撞 时 ， 光子 将 与 整 个 原 子 之 间 交 换 能 量 ， 但 原 子 的 质 量比 光 子 大 得 多 。 按 照 弹 性 力 学 理 论 ， 散 射 光 的 频 率 不 会 显 著改 变 ， 其 波 长 与 入 射 线 相 同 ， 称 为 弹 性 散 射 。 汤 姆 逊 散 射 几 率

27、与 原 子 序 数 成 正 比 ， 与 入 射能 量 成 反 比 。 汤 姆 逊 散 射 对 原 子 序 数 高 的 物 质 和 能 量 低 的光 子 来 说 是 最 重 要 的 ， 但 它 绝 不 会 超 过 总 衰 减的 20%， 一 般 不 大 于 1% 上 述 效 应 随 光 子 能 量 的 变 化 如 图 所 示 ， 被 作 用 物质 为 铁 ， 能 量 0.01MeV时 光 电 效 应 占 优 势 ， 随 光子 能 量 增 加 ， 光 电 效 应 逐 步 减 少 ， 而 康 普 顿 效 应逐 渐 加 大 。 光 子 能 量 0.1MeV左 右 时 汤 姆 逊 效 应 最 大 ， 但

28、 其发 生 率 不 满 10%。 1MeV左 右 、 X射 线 衰 减 基 本由 康 普 顿 效 应 造 成 ， 此 后 电 子 对 效 应 逐 步 变 大 。 10MeV左 右 、 电 子 对 效 应 与 康 普 顿 效 应 作 用 程度 相 同 。 大 于 10MeV时 、 电 子 对 效 应 为 主 。 图 中 可 知 ， 在 射 线 能 量 较 低 范 围 内 ， 散 乱 射 线 主要 是 由 汤 姆 逊 效 应 产 生 ， 而 在 射 线 能 量 较 高 范 围内 ， 散 乱 射 线 主 要 由 康 普 顿 效 应 产 生 。 故 对 一 般射 线 检 测 ， 康 普 顿 效 应 是

29、 主 要 的 。 康 普 顿 散 射 系 数 与 汤 姆 逊 散 射 系 数 之 和 称 为 散射 系 数 ， 总 的 衰 减 系 数 为 散 射 系 数 与 吸 收 系数 ( )之 和 。 线 衰 减 系 数 不 是 常 数 ， 与 射 线 能 量 有 关 。 同 时也 与 物 质 质 量 成 正 比 ， 质 量 衰 减 系 数 为 m 当 一 束 平 行 的 强 度 为 I0的 单 色 射 线 ， 透 过 厚 度为 d的 一 层 均 匀 物 质 时 ， 射 线 强 度 的 衰 减 将 遵 循以 下 规 律由 于 散 射 线 的 存 在 ， 透 过 厚 度 为 d物 质 时 ， 除 透射 线

30、 外 ， 还 要 加 上 物 体 内 部 散 射 线 强 度 。dd eII 0 因 此 ， 其 衰 减 规 律 如 下 式 所 示 式 中 n为 散 射 比 ， 它 是 射 线 透 过 工 件 后 散 射 线剂 量 与 透 射 线 剂 量 之 比 。 影 响 散 射 比 的 因 素 有 焦 距 、 照 射 场 大 小 、 射线 性 质 和 工 件 厚 度 等 。 dd enII 10 例 如 ， X射 线 照 相 时 对 钢 n 0.09T (T25mm) 对 铝 n 0.035T (T50mm) Irl92- 射 线 照 相 时 对 钢 n 0.075T (T70mm) Co60- 射 线

31、 照 相 时 对 钢 n 0.047T (T160mm) 有 时 需 要 直 观 地 表 示 射 线 的 穿 透 力 ， 通 常 用半 值 厚 度 d1/2 (或 半 衰 减 层 )来 表 示 射 线 强 度 衰 减一 半 的 物 质 厚 度 。 因 此 2/10021 deII 693.0 2/1 d 一 定 波 长 的 射 线 ， 对 一 定 物 质 具 有 恒 定 的 半 值层 ， 如 Co60- 射 线 在 铁 中 的 半 值 层 为 17.5mm 因 此 一 次 射 线 通 过 17.5mm层 后 强 度 减 一 半 第 2个 17.5mm层 后 即 余 下 最 初 强 度 的 25

32、% 光 子 能 量 100 400keV的 X射 线 ， 在 铝 、 铁 、 铜中 的 半 值 层 如 表 3-2所 示 。 不 同 波 长 的 射 线 具 有 不 同 的 衰 减 系 数 ， 这 对 检测 来 说 使 问 题 复 杂 化 ， 因 此 需 使 连 续 X射 线 的 波长 均 匀 化 。 就 是 使 X射 线 经 过 一 定 厚 度 的 物 质 、 把 波 长 较长 的 部 分 吸 收 掉 ， 剩 下 的 就 是 波 长 较 短 且 很 接 近的 X射 线 ， 可 以 认 为 具 有 相 同 的 吸 收 系 数 。 另 外 ， 射 线 差 不 多 都 接 近 于 单 色 ， 即 有 一 恒定 的 衰 减 系 数 。 表 中 所 示 ， 为 几 种 常 见 材 料 在 不 同 X射 线 能 量 下的 线 吸 收 系 数 。