第二次課 第一章第二節(jié) X線同物質的相互作用-2012.ppt

第二節(jié)X線與物質的相互作用 主要內容 1 什么是吸收2 X線與物質的作用類型 對象 條件 幾率 產物和特點 光電效應 康普頓效應 3 X線的減弱規(guī)律 一 概述 什么是吸收 X線通過物質時 由于與物質原子發(fā)生各種相互作用 使得X線在行進方向上強度減弱的現(xiàn)象稱為物質對X線的吸收 一 X線與物質相互作用的特點 1 吸收同物質的光學性質無關 2 作用的原子性 3 每次作用光子損失大部或全部的能量 4 作用過程的復雜性 X線引起生物損傷的作用過程產生高速電子與物質原子作用 發(fā)生韌致輻射 再與原子作用 再產生高速電子 直至能量耗盡 生物損傷發(fā)生吸收 彈性散射 非彈性散射 二 作用類型 最主要有四種作用 光電效應 吸收 康普頓效應 非彈性散射 電子對效應 吸收 瑞利散射 彈性散射 二 光電效應 一 產物特征 熒光 X線 光電子和俄歇電子 二 發(fā)生條件h W E h W 概念 X線光子與原子內層電子作用 將其全部能量交給軌道電子 電子獲得能量后脫離軌道飛出 三 光電效應發(fā)生的幾率 相關因素 a 光子能量h b 原子序數(shù)Zc 軌道電子結合能W h W時 產生光電效應 在能發(fā)生光電效應的前提下 h W 1 X線光子能量稍大于軌道電子結合能時 最易發(fā)生光電效應 對應有臨界波長 2 發(fā)生幾率反比于光子能量三次方 光 1 h 33 發(fā)生幾率正比于電子的結合能 光 W 1 內層電子比外層電子更易發(fā)生光電效應 2 高Z比低Z更易發(fā)生光電效應 3 低能X線 光 Z4高能X線 高Z 光 Z5 四 光電效應產生的特征X線 人體各組織在X線照射下 發(fā)生光電效應所產生的特征X線 為低能長波 無法穿透人體組織到達膠片 將全部被人體自身所吸收 人體組織中 Ca Z 20 4keV診斷X線 20 100keV人工造影劑 I Z 53 33 2keVBa Z 56 37 4keV人工造影 增加高能散射線 穿透人體到達膠片 形成灰霧提高對比 彰顯組織輪廓 五 光電效應對照片質量的影響 有利于提高照片質量 1 正常組織光電效應 能量全轉化 全吸收 無散射線 減少照片灰霧 2 光 Zn 指數(shù)級正比例關系 增強天然組織間對比 對組織密度差異起放大顯示作用人工造影長波軟線 軟組織攝影 全部吸收 誘發(fā)生物損傷診斷中采用高能硬線減少光電效應 減少生物損傷 尋求影像清晰度與生物損傷的平衡點 治療中采用高能硬線避免體表光電吸收 誘發(fā)深層生物效應 提高治療的精確度 六 光電效應對被檢者的影響 七 光電效應與內層電離的異同 相同之處 均與內層電子發(fā)生作用產生X線波長固定 特征X線 標識X線均需克服內層電子軌道結合能W相異之處 入射粒子能量轉換不同 全部轉換 部分轉換入射粒子種類不同 X線光子 高速電子發(fā)生幾率不同 稍大于Wk 大于Wk 三 康普頓效應 概念 X線光子與原子外層軌道電子作用時 交給軌道電子部分能量后 改變頻率和方向散射 而軌道電子脫離原子軌道射出 一 產物 反沖電子和散射光子 二 發(fā)生條件 h W 二 散射光子和反沖電子的能量分布 入射h 外層e 自由碰撞 散射h 反沖e 正碰 h 10 10 散射角180 散射h 能量最小 反沖角0 反沖e能量最大 側碰 h 1 1 散射角0 散射h 能量最大 反沖角90 反沖e能量為零 散射光子獲得大部分能量小散射角的散射線 能量大 濾過板無法吸收 角度小 濾線柵無法消除 將到達膠片產生灰霧 影響照片質量 三 光電效應與康普頓效應的比較 1 作用對象不同 內層電子 外層電子2 作用條件不同 稍大于W 遠大于W3 對光子能量的吸收程度不同 全部吸收 少量吸收4 能量分配不同 特征X線 散射X線5 對照片質量的影響不同 增強對比 降低對比6 對被檢者的危害程度不同 危害大 危害小 四 電子對效應 概念 在原子核電場或電子場中 一個入射光子突然消失而轉化為一對正 負電子 一 產物 正 負電子 二 發(fā)生條件 光子能量極高核電場 E光 1 02MeV 對應2個電子的靜止質量 電子場 E光 2 04MeV 對應4個電子的靜止質量 核電場發(fā)生幾率 電子場發(fā)生幾率 三 在診斷X線范圍內 電子對效應一般不可能出現(xiàn)電子對效應對應管電壓 1 02MeV 1020kV診斷X線對應管電壓 30 150kV 四 電子對效應發(fā)生后 正電子很快與自由電子復合 反向釋放2個等能量光子 發(fā)生湮滅輻射 電子對效應和湮滅輻射反映能量質量相互轉換 五 相干散射 1 概念 X線與物質作用 能發(fā)生干涉的散射過程反映X線的波動性 散射后形成相干光源2 瑞利散射 最主要的相干散射 康普頓效應為非相干散射 3 相干散射的特點 1 對光子能量無吸收 但光子行進方向改變 2 對物質無電離作用 不造成生物組織損傷 3 在整個診斷范圍內都會出現(xiàn) 但只占5 4 瑞利散射與彈性散射的異同 相同之處 均沒有能量的吸收和改變出射粒子的運動方向均發(fā)生了改變相異之處 作用對象不同 原子內層電子 原子核電場入射粒子種類不同 X線光子 高速電子聯(lián)系 相干散射某種程度上等同于彈性散射 六 各相互作用發(fā)生的相對幾率 一 X線與物質所有相互作用的匯總 五部分 二 原子序數(shù)Z和光子能量h 與三種基本作用的關系 光子能量范圍0 01MeV 100MeV時 三種基本作用為 光電效應康普頓效應電子對效應 臨界元素Z 對應一定h 兩種效應幾率相等的Z 1 光子能量低于0 8MeV時 光電效應和康普頓效應同時發(fā)生 且Z一定 h 越低 光電效應越占優(yōu)勢h 一定 大于臨界Z 光電效應優(yōu)勢 反之則康普頓優(yōu)勢2 光子能量在0 8 4MeV時 無論原子序數(shù)多少及光子能量如何變化 康普頓效應都占主導地位 3 光子能量大于4MeV時 康普頓效應和電子對效應同時發(fā)生 且 Z一定 h 越低 康普頓效應越占優(yōu)勢h 一定 小于臨界Z 康普頓效應優(yōu)勢 反之則電子對效應優(yōu)勢 三 在診斷X線中各種基本作用發(fā)生的相對幾率 1 診斷X線范圍多在20 100keV 此時電子對效應不可能發(fā)生2 診斷意義上 X線與物質的基本作用有三種 光電效應 康普頓效應和相干散射 前兩種占主導 3 光電效應和康普頓效應的發(fā)生幾率同組織Z有關水 軟組織 低Z 低能光電效應占優(yōu) 高能康普頓效應占優(yōu)骨骼 較高Z 低能光電效應占優(yōu) 高能康普頓效應占優(yōu)碘化鈉 極高Z 能量范圍內光電效應全程占優(yōu)應用 提高光電效應發(fā)生幾率 提高組織對比度 減少散射 提高成像質量 吸收劑量增加 軟組織 高Z 七 X線的減弱規(guī)律 一 X線強度減弱的兩種方式1 距離所致的減弱 I 1 22 物質所致的減弱 a 光子能量b 原子序數(shù)c 物質密度d 每克電子數(shù) 二 吸收物質 影響X線減弱的因素 1 光子能量h 光子能量 透過量 2 原子序數(shù)Z低Z物質 光子能量 透過量 高Z物質 光子能量 透過量還可能 K邊界 光電效應幾率發(fā)生突變激增 吸收驟顯3 物質密度d衰減強度 密度 K邊界原理 概念 指某些高Z物質的射線吸收系數(shù)曲線在一定能量水平時 曲線顯示一銳利邊緣的不連續(xù)鋸齒邊界 機理 主要是由于高Z物質K層電子發(fā)生光電效應的幾率在K邊界附近發(fā)生躍變 導致吸收系數(shù)呈現(xiàn)鋸齒緣激變 對應K層電子結合能Wk利用 I Ba造影I Z 53 33 2keVBa Z 56 37 4keVK邊界處于診斷X線范圍 光電效應顯著 可獲得高對比影像 33 2keV 由于I在33 2kev處存在K邊界現(xiàn)象 此處的光電效應發(fā)生幾率顯著增加 利于獲得高對比度影像 三 物質對單能窄束X線的吸收規(guī)律 遵循指數(shù)衰減規(guī)律 I I0e x 意義 通過單位厚度物質時X線強度的相對變化 其中 強度減少單位 m 1 單能 所有光子能量相同 窄束 方向一致無散射線 單能窄束為理想情況 規(guī)律 對于單能窄束X線 光子數(shù)目等比減少 光子能量守恒 單能窄束X線通過物質后的衰減圖 同時 波長越短 吸收越少 硬線穿透力強 原子序數(shù)越高 吸收越多 高密度物質難穿透 以上為窄束X線 理論上 的吸收規(guī)律 由于散射線的存在 窄束X線實際上為寬束X線即 既有衰減后的原發(fā)X線 窄束 又有其他方向上的散射線寬束X線實際強度 指數(shù)規(guī)律衰減的窄束X線強度意義 測量點強度稍大于指數(shù)衰減值 影響防護估算 對于寬束X線的吸收 引入修正因子B 其中B為大于1的修正系數(shù) 四 物質對連續(xù)X線的吸收規(guī)律 1 各能譜成分吸收速率不一樣 總吸收不遵循指數(shù)衰減規(guī)律 2 連續(xù)X線通過吸收體以后 強度減少 能譜變窄 低能成分減少 高能成分相對增加 平均能量升高 物質越厚 原子序數(shù)越高 則能量提升越明顯 3 平均能量越高 減弱速率越小 初始能