輻射與物質的相互作用.ppt

第三章 輻射與物質的相互作用, 1、輻射與物質的作用類型及能量損失 2、電離輻射的生物學作用 3、生物靶的調節(jié)作用 4、影響電離輻射作用的主要因素,1. 輻射與物質的作 用類型及能量損失,A.輻射與物質作用的種類,一. X（）射線與物質的作用,二. 射線與物質的作用,三. 射線與物質的作用,四. 中子與物質的作用,五. 帶電重粒子與物質的作用,一.X ()射線與物質的相互作用,. 光電效應,. 康普頓效應,+,+,e,e,hf,hf,hf ,. 電子對效應,+,hf,Ze,e-,e+,1、 X 線與物質相互作用的過程,(1).光電效應特征,放出光電子的原子變成正離子并處于激發(fā)態(tài)；外層電子向內(nèi)層填充產(chǎn)生特征X線;特征線離開原子前又擊出外層(俄歇)電子.,光電子、正離子、特征X光子、俄歇電子,光電效應的次級粒子,.光電效應(光子與原子內(nèi)層電子作用）,(2). 光電效應的發(fā)生幾率,a. 原子序數(shù)的影響 光電效應幾率Z4 內(nèi)層比外層發(fā)生幾率大45倍,但必須大于結合能,c. 原子邊界限吸收的影響,b. 入射光子能量的影響 光電效應幾率,防護材料選取的依據(jù),L限,K限,吸收限,吸收限,光子能量,光電質量衰減系數(shù),.光電效應(光子與原子內(nèi)層電子作用）,(3). 光電子的角分布,光電子的角分布與入射X光子能量有關,能量低 大角度分散 能量高 小角度集中 （電離方向）,.光電效應(光子與原子內(nèi)層電子作用）,(4). 放射診斷學中的光電效應,a. 優(yōu)點 提高成像質量,b. 缺點 入射X線通過光電效應幾乎全部被人,放療時增加對腫瘤組織的劑量,因光電轉換減少散射線，故減少照片灰霧,利用造影劑可增加對比度,.光電效應(光子與原子內(nèi)層電子作用）,體吸收，增加了受檢者的劑量，對人體有負面作用。,(1). 康普頓效應的發(fā)生幾率,原子序數(shù)的影響 康普頓效應幾率 Z/A 除氫元素外，大多數(shù)材料具有相同的Z/A,b. 入射光子能量的影響 康普頓效應幾率,.康普頓效應(與原子外層電子作用）,X-Ray o,（ o）康普頓 散射波長,spectra,o : 入射波長,波長,(2). 散射光子的波長,hfo,hf,考慮：,Compton wavelength,electron,(3).散射光子和反沖電子的角分布,散射光子能量,反沖電子動能,散射角與反沖角關系,(3).散射光子和反沖電子的角分布,注: 康普頓效應的散射線，是X線檢查中最大的散射線來源,且充滿整個檢查室空間。必須引起工作人員和防護人員的重視,并采取防護措施.,效應發(fā)生幾率,. 電子對效應,A. 相干散射,2、X線與物質作用的其他過程,射線與物質相互作用而產(chǎn)生干涉(衍射)的散射過程叫相干散射。比如X線對年晶體衍射產(chǎn)生的勞厄斑就是相干散射現(xiàn)象. 相干散射是唯一不產(chǎn)生電離的過程。,光子與原子核作用發(fā)生核反應的過程。比如釋放中子、質子、粒子和光子等。光核作用在X線診斷過程中不能發(fā)生，在放療中發(fā)生率也很低。,B.光核作用,A.X線引發(fā)效應總結,3、各種作用發(fā)生的相對幾率,光核作用,普通散射,B.Z和hf與三種作用的關系,3、各種作用發(fā)生的相對幾率,C.放射診斷學中三種作用發(fā)生的相對幾率,表2 放射診斷學中作用幾率與Z和hf的關系,3、各種作用發(fā)生的相對幾率,4. X ()射線在物質中的衰減,當X線通過物質時，由于光電效應、康普頓效應和電子對效應等作用，使射線的強度衰減。即物質所致的衰減。,射線在物質中的衰減,隨距離衰減,物質所致衰減,(W/m2),A、單能X線在物質中的衰減規(guī)律,(1)、窄束X線在物質中的衰減規(guī)律,4. X ()射線在物質中的衰減,光子數(shù)表示則滿足,lnI,lnI0,x,光子數(shù)減少但頻率不變！,（=0.2 cm-1),4. X ()射線在物質中的衰減,A、單能X線在物質中的衰減規(guī)律,積累因子: 某物質元中X光子計數(shù)率與未碰撞物質的X光子計數(shù)率之比 B。,(2)、寬束X線在物質中的衰減規(guī)律,Ns:物質元散射X光子計數(shù)率,B是描述散射光子影響反映寬束和窄束區(qū)別的物理量,寬束X線的衰減規(guī)律,B可以通過臺勞級數(shù)展開近似計算求得,4. X ()射線在物質中的衰減,B、連續(xù)X線在物質中的衰減規(guī)律,(1)、連續(xù)X線在物質中的衰減規(guī)律,4. X ()射線在物質中的衰減,光子數(shù),水模厚度,單能X線,連續(xù)X線,4. X ()射線在物質中的衰減,B、連續(xù)X線在物質中的衰減規(guī)律,(1) 連續(xù)X線在物質中的衰減規(guī)律,影響因素,(2)、X線的濾過,低能X線不能透過人體(吸收)，對形成X線影像不起作用，但卻大大增加被檢者皮膚照射量。為減少無用低能光子對皮膚和淺表組織的傷害，需采用適當?shù)臑V過措施，在管口放置一定均勻厚度的金屬，吸掉低能部分，使平均能量增高。,4. X ()射線在物質中的衰減,B、連續(xù)X線在物質中的衰減規(guī)律,(2)、X線的濾過,a、固有濾過 包括X線管的玻璃管壁、絕緣油、管套上的窗口和不可拆卸的濾過板。用鋁當量表示。,鋁當量：指一定厚度的濾過材料用相同衰減效果的鋁板厚度表示。一般診斷X光機的固有濾過在0.5 2 mmAl。,對軟組織攝影則需要低濾過X線,以增加軟組織對比度.,4. X ()射線在物質中的衰減,B、連續(xù)X線在物質中的衰減規(guī)律,b、附加濾過 包括附加濾過板、遮光器的濾過等。,根據(jù)衰減厚度能量分布不同,依具體情況選擇管電壓和材料形狀厚度,4. X ()射線在物質中的衰減,濾過板厚度及對照射劑量的影響,使用低濾過高千伏攝影,對受檢者十分有害.而厚度濾過技術對受檢者降低劑量有重要意義.,4. X ()射線在物質中的衰減,B、連續(xù)X線在物質中的衰減規(guī)律,楔形或梯形濾過板,4. X ()射線在物質中的衰減,B、連續(xù)X線在物質中的衰減規(guī)律,C、診斷放射學中X線的衰減,(1)、人體的構成元素和組織密度,人體內(nèi)除少量的鈣、磷等中等原子序數(shù)物質外，其余全由低原子序數(shù)物質組成。人體吸收X線最多的是由Ca3(PO4)2組成的門牙，吸收X線最少的是充滿氣體的肺。,4. X ()射線在物質中的衰減,C、診斷放射學中X線的衰減,有效原子序數(shù)：在相同照射條件下,1kg復雜物質與1kg單質吸收輻射能相同時單質的原子序數(shù)。,ai為第i種元素在單位體積中電子數(shù)的占有比率, Zi為第i種元素的原子序數(shù)。如水中: 氧的電子數(shù)比率 2.68:3.34，氫的電子數(shù)比率0.66:3.34。氧、氫的原子序數(shù)分別為8和1，所以,4. X ()射線在物質中的衰減,C、診斷放射學中X線的衰減,有效原子序數(shù)的近似公式為,ai為第i種元素原子在分子中的原子個數(shù)，Zi為第i種元素的原子序數(shù)。如水中：氧原子個數(shù)為1，氫原子個數(shù)為2，所以占有人體大部分成分的水有效原子序數(shù)為,4. X ()射線在物質中的衰減,C、診斷放射學中X線的衰減,(2)、X線通過人體的衰減規(guī)律,人體各組織器官X線的衰減各異，一般按骨骼、肌肉、脂肪和空氣的順序由大到小排列。而隨管電壓(hf)增加衰減減小。,以光電效應吸收為主,4. X ()射線在物質中的衰減,C、診斷放射學中X線的衰減,以手部拍片為例，說明X線在人體不同組織中的衰減差別及與管電壓的關系。用40kV拍片,骨,肌肉,而用150kV拍片,骨,肌肉,衰減差別大，形成高對比度,4. X ()射線在物質中的衰減,(2)、X線通過人體的衰減規(guī)律,表5 人體不同組織的線衰減系數(shù)(m-1),二、其他射線與物質的作用,射線即電子流，帶有負電，其質量很小，因此在運行中容易被其他電子所偏轉，所以其徑跡曲折，其實際穿透深度小于其徑跡長度。在 射線徑跡的末端,電離密度最大，這是由于此時電子能量已顯著降低，速度減慢, 與靶物質原子作用幾率加大, 單位距離內(nèi)形成的離子對增多。,1. 射線與物質的作用,二、其他射線與物質的作用,在臨床上使用直線加速器發(fā)生的高能電子流照射組織時，主要的電離作用產(chǎn)生在深部，而 90Sr 放射源放出的 射線則在淺層（12mm）引起最大電離作用。射程長短取決于電子能量的大小。,1. 射線與物質的作用,二、其他射線與物質的作用,射線即氦核組成的粒子流，由2個質子和2個中子組成，故帶有2個正電荷，質量數(shù)為4，比電子質量大約8000倍。 粒子在組織中通過較慢，穿透距離甚短，最多只幾百微米。故射線由外照射對機體不會產(chǎn)生嚴重危害。,2. 射線與物質的作用,二、其他射線與物質的作用,但發(fā)射粒子的放射性核素進入體內(nèi)時，由于其物理特征，其電離密度較大，造成的損傷則更為嚴重。此外，放射性治療中用快中子或負介子照射組織時，在組織中將產(chǎn)生粒子，對殺傷癌細胞將起重要作用。,2. 射線與物質的作用,二、其他射線與物質的作用,中子不帶電,通過組織時不干擾帶電物質,只有在與原子核直接碰撞時發(fā)生相互作用.但慢中子或熱中子 (能量在0.5eV以下) 進入原子核易被俘獲,而快中子(能量大于20keV)與原子核主要發(fā)生彈性碰撞. 在中子與質子(氫核) 的一次碰撞中, 中子的部分能量傳給質子,產(chǎn)生反沖質子,這種帶正電重粒子在組織中速度很快下降, 引起高密度電離作用。,3. 中子與物質的作用,二、其他射線與物質的作用,中子與氧、碳、氮等原子核也發(fā)生彈性散射，其反沖核引起高密度的電離?？熘凶优c組織中更重的原子核相互作用可引起非彈性散射產(chǎn)生射線。此外, 中子與物質的原子核作用還會產(chǎn)生核反應, 在反應過程中釋放帶電重粒子、 光子或產(chǎn)生放射性核素。,3. 中子與物質的作用,二、其他射線與物質的作用,快中子作用于組織時可產(chǎn)生帶電重粒子。此外，高能加速器還可將重粒子加速，使其具有穿透深部組織的能力。例如，質子、氦核、負介子等可在數(shù)厘米深處產(chǎn)生高密度的電離，達到集中殺死癌細胞的作用,4. 帶電重粒子與物質的作用,二、其他射線與物質的作用,關于負介子的研究近年來特別受到放射治療領域的關注. 負介子屬于亞原子粒子,其質量為電子的276倍,電荷同于電子, 由同步回旋加速器將質子加速到極高能量(500 700MeV)而作用于石墨或鉛靶時產(chǎn)生.當其穿入組織被碳、氧、氫等原子核捕獲,釋放粒子、中子和質子,產(chǎn)生高密度電離作用。,4. 帶電重粒子與物質的作用,1. 輻射與物質的作 用類型及能量損失,B.傳能線密度與相對生物效應,一. 傳能線密度（LET）,定義 帶電粒子在組織(或其他物質)中經(jīng)過一定距離時由于碰撞而損失的能量.(J/m),生物損害與LET值正相關。高LET粒子在給定體積內(nèi)產(chǎn)生變化的幾率高，但并非無限增加。,1. 輻射與物質的作 用類型及能量損失,B.傳能線密度與相對生物效應,一. 傳能線密度（LET）,線,硬X線,軟X線,線,細胞或生物大分子,各種電離粒子的LET