第四章X（或γ）射线与物质的相互作用.ppt

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1、第四章第四章 X（或（或）射线与物质的相互作用）射线与物质的相互作用第一节 概述组成X（或）射线的粒子称为光子，光子不带电。X（或）射线都是电磁波，它们在电磁能谱中所占范围基本相同，仅仅是来源不同。（射线是从原子核衰变中放射出来的，X线是高速电子与物质核外电子相互作用的结果。）研究射线与物质的相互作用可以了解射线的性质、射线产生的物理过程及射线对物质的影响。研究射线与物质相互作用的规律是进行射线探测、防护和应用的重要基础。1X线光子在生物组织中的吸收及其引起生物效应的过程n右图表示X线光子进入生物组织后，光子能量在其中转移、吸收乃至最终引起生物效应的大概过程。nX线光子在物质中每经历一次相互作

2、用，光子的一部分能量转移给电子，另一部分则被散射光子所带走。2一、X线与物质相互作用的几率n作用几率右式称为作用几率，它表示X射线通过物质层面x时，一个入射光子与物质中NB个靶核相互作用的几率（式中N表示入射光子数）还可用入射束通过与物质作用前后的强度变化来表示。物质的厚度为x，入射强度为I0，出射时的强度为I。3二、射线的衰减（一）线衰减系数测量光子束减弱特性的方法是：让光子束入射到厚度可变的物体上，探测器放在距射线源固定的距离上，不过此距离要保证在探测器上仅能测量到原始光子（穿过吸收体没有发生相互作用的光子），由吸收体产生的散射光子在这种安排中假定探测不到。当X线通过物体时，射线或被吸收或

3、被散射，这种现象称为X线衰减或减弱。4射线的衰减n右式中是线衰减系数，dN是减少的光子数目，N是入射的光子数目，dx是物质的厚度，负号表示随吸收物质厚度的增加光子数减少。n因为每秒钟通过单位面积的光子数决定X线的强度，故上式还可用强度表示为：n线衰减系数还可理解为，当X线穿过单位厚度的物质层时，其强度衰减的分数值。对上式积分得：5在国际单位（SI）制中的单位是“m-1”，在实际应用中常用“-1”n由于射线通过物质的衰减是由三种主要相互作用造成的，因此总的线衰减系数为：为光电线衰减系数为康普顿线衰减系数为电子对线衰减系数n它们代表射线通过单位厚度的物质层，由光电吸收、康普顿散射、电子对产生使线强

4、度衰减的分数值。6（二）质量衰减系数n质量衰减系数m=/。其优点是它的数值与物质的密度无关，也就是与物质的物理形态无关。n右式中dx为质量厚度，其SI单位是“kgm-2”。若dx等于1，则称为单位质量厚度。n质量衰减系数表示X线在穿过单位质量厚度的物质层时强度的分数值。n质量衰减系数的SI单位是“m2kg-1”或“cm2kg-1”。n总质量衰减系数应近视等于各主要相互主要过程的质量衰减系数之和。7三、能量转移和吸收1.线能量转移系数在X线与物质相互主要的三种主要过程中，X线光子的能量都有一部分转化为电子的动能，另一部分则被一些次级光子所带走。总的衰减系数可以表示为两部分的和，即对辐射剂量学而言

5、，最终在物质中被吸收的是电子转移部分的能量。即82.质能转移系数n质能转移系数tr/，即n质能转移系数表示X线在物质中穿过质量厚度为1kgm-1时，因相互作用其能量转移给电子的份额。n质能转移系数的SI单位是m2kg-1。9（二）能量吸收系数1.线能量吸收系数对于中等能量的光子，在与物质相互作用过程中，转移给电子的能量在碰撞过程中全部消耗，并被蓄留于吸收物质中，即全部被物质吸收。如果次级电子的能量相当高，那么由于韧致辐射而消耗次级电子的能量份额则不可忽略。因而真正被物质吸收的能量应等于光子转移给次级电子能量减去因韧致辐射而损失的能量。若用g表示次级电子能量转变为韧致辐射的能量份额，那么式中，g

6、称为线能量吸收系数。10g表示X线在物质中通过单位长度距离时，其能量真正被物质吸收的份额。g的数值随吸收原子序数的增大而增大。但是次级电子能量在MeV以下时，g常忽略不计，即韧致辐射可以忽略，此时en=tr，即转移给次级电子的能量全部被物质吸收。2.质能吸收系数同质能转移系数一样，质能吸收系数为它的SI单位为m2kg-1。11第二节 X线与物质相互作用的主要过程一、光电效应光电效应又称光电吸收，它是X线光子被原子全部吸收的作用过程。光电系数称为吸收系数。（一）光电效应的产生1.光电子2.正离子（产生光电子的原子）3.新的光子（特征辐射光子）4.俄歇电子（特征X线离开原子前，又击出外层的轨道电子

7、）12（二）光电效应的发生几率光电效应质量衰减系数表达式为：1.物质原子序数的影响2.入射光子能量的影响3.原子边界限吸收的影响由P44图4-3的光电吸收曲线可知，吸收系数一般随入射光子能量h的增大而降低。当入射光子能量增加到某一数值恰好等于原子轨道结合能时，吸收系数突然增加，这些吸收突然增加处称为吸收限。当光子能量等于原子K结合能时，发生K边界限吸收；。最重要的是结合能较大的K边界限吸收。该性质具有实用价值，可在防护材料的选取，复合防护材料配方及阳性造影剂材料的制备等方面得到应用。13（三）光电效应中的特征放射n在光电效应中击脱轨道电子的是X线光子，其作用结果是造成电子空位产生特征辐射。n由

8、右图所示，当钡的K层电子被击脱，其K层电子空位可由多种方式填充，其它壳层电子填充时，可产生不同的 特征放射光子，构成钡 的K系特征线谱。它具 有较高的能量，能穿透 人体组织到达胶片产生 灰雾。n人体软组织中原子的K 结合能为0.5KeV，在人 体组织内发生的光电效 应，其全部能量都将被 组织吸收。14（四）光电子的角分布n光电子出射的角度分布与入射光子的能量有关，如P46图4-5所示。n低能时，在与入射方向成70的方向上射出的光电子最多。n随着能量的增大，越来越多的光电子沿入射光子的方向超前出射。15（五）诊断放射学中的光电效应n有利方面n能产生质量好的照片影像n在放疗中，可增加肿瘤组织的剂量

9、，提高其疗效。n有害方面n入射X线通过光电效应可全部被人体吸收，增加了受检者的剂量。可采用高千伏摄影技术，达到降低剂量的目的。16二、康普顿效应（一）康普顿效应的产生n康普顿效应是入射光子与原子中的一个外层“自由”电子相互作用时发生的。n在相互作用中光子只将一部分能量传递给外层电子，电子接收一定能量后脱离原子束缚，以与光子的初始入射方向成角的方向上射出，此电子称为反冲电子。n与此同时，光子本身能量降低并朝着与入射成角的方向射出，此光子称为散射光子。17（二）康普顿效应的发生几率康普顿质量衰减吸收的表达式为1.物质原子序数的影响。2.入射光子能量的影响。n由康普顿效应几率1/h,而光电效应几率1

10、/（h）3可知，光电效应随能量很快降低，而康普顿效应变得越来越重要。18（三）散射光子的波长n在康普顿散射中，因入射光子与自由电子碰撞，将一部分能量转移给自由电子，自己能量减少，故频率降低，波长变长，增量为：n可见，其改变量与自由电子的静止质量和散射角有关，而与入射光子的波长无关。nh/m0c=0.00243称为反冲电子的康普顿波长。19（四）散射光子和反冲电子的角分布n由上式看出，光子可在0180 的整个空间范围内散射，而反冲电子飞出的角度则不超过90。P49图4-7、4-8所示。n随入射光子能量的增大，散射光子和反冲电子的角分布都趋向前方。n康普顿效应中产生的散射线，是X线检查中最大的散射

11、线来源。从被照射部位和其他被照物体上产生的散射线，充满检查室整个空间。应采取相应的防护措施。20三、电子对效应n一个具有足够能量的光子，在与靶原子核发生相互作用时，光子突然消失，同时转化为一对正、负电子，这个作用过程称为电子对效应。21电子对效应n一个电子静止质量能m0c2=0.51MeV，一个电子对的静止质量能就应为1.02MeV。n根据能量守恒定律，要产生电子对效应，入射光子的能量就必须等于或大于1.02MeV。光子能量超过该能量值的部分就变成正、负光子的动能，即n正电子与负电子的静止质量相等，所带电量相等，但性质相反。n生成的正、负电子在物质中穿行，通过电离和激发不断损失自身的能量，最后

12、慢化的正电子在停止前的一瞬间与物质中的自由电子结合，逐向相反方向射出两个能量各为0.51MeV的光子，该作用过程称为湮灭辐射。22（二）电子对效应的发生几率电子对效应质量时间系数n电子对效应的发生几率与物质原子序数的平方成正比；n与单位体积内的原子个数成正比；n也近似地与光子能量的对数成正比。可见电子对效应作用过程对高能光子和高原子序数物质来说才是重要的。23第三节 X线与物质相互作用的其它过程一、相干散射射线与物质相互作用发生干涉的散射过程称为相干散射。相干散射包括瑞利散射、核的弹性散射和德布罗克散射。核的弹性散射和德布罗克散射几率非常低，可忽略不计。当入射工作的能量在低能范围如0.5200

13、kV时，瑞利散射的几率不可忽略，因此相干散射主要是瑞利散射。24相干散射瑞利散射是入射光子被原子的内层电子吸收并激发到外层高能级上，逐即又跃迁回原能级，同时放出一个能量与入射光子相同，但传播方向发生改变的散射光子。这种只改变传播方向，而光子能量不变的作用过程称为瑞利相干散射。（实际是X线的折射）相干散射是光子与物质作用中唯一不产生电离的过程。相干散射的发生几率与物质原子序数成正比，并随工作能量的增大而急剧地减少。在总的减弱系数计算中要考虑相干散射的贡献。25二、光核作用n所谓光核作用，就是光子与原子核作用而发生的核反应。n这是一个光子从原子核内击出数量不等的中子、质子和光子的作用过程。n对不同

14、物质只有光子能量大于该物质发生核反应的阈值时，光核反应才会发生。（发生率不足主要作用过程的5%）但某些核素在进行光核反应时，不但产生中子，而且反应的产物是放射性核素。n在诊断X线能量范围内不可能产生光核反应，其它如医用电子加速器等高能射线的放疗中发生率也很低。26第四节 各种作用发生的相对几率一、X线引发效应总结27二、Z和 h与三种基本作用的关系nP51图4-10表示三种基本作用过程的相对范围。n在光子能量较低时，除低Z物质外的所有元素，都以光电效应为主；n在0.84MeV，无论原子序数大小，几乎全部作用都是康普顿效应；n在大的h处则电子对效应占优势。nX线与物质原子的每一次作用，都使原线束

15、中减少一个原发光子，而使一个电子开始其运动过程。28三、在诊断放射学中各种基本作用发生的相对几率n在20100KeV诊断X线能量范围内，只有光电效应和康普顿效应是重要的；相干散射所占比例很小，并不重要；电子对效应不可能产生。nP52表4-2n我们掌握不同能量的X线对不同Z物质的作用类型和几率，对提高X线影像质量，降低受照剂量和优选屏蔽防护材料都有重要意义。29诊断放射学中作用几率与Z和h关系X线的量（KeV）水（Z=7.4）骨（Z=13.8）碘化钠（Z=49.8）光电（%）康普顿（%）光电（%）康普顿（%）光电（%）康普顿（%）2070308911946607933169955100199991881230