第二次課 第一章第二節(jié) X線同物質(zhì)的相互作用-2012.ppt

第二節(jié)X線與物質(zhì)的相互作用 主要內(nèi)容 1 什么是吸收2 X線與物質(zhì)的作用類型 對(duì)象 條件 幾率 產(chǎn)物和特點(diǎn) 光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng) 3 X線的減弱規(guī)律 一 概述 什么是吸收 X線通過(guò)物質(zhì)時(shí) 由于與物質(zhì)原子發(fā)生各種相互作用 使得X線在行進(jìn)方向上強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象稱為物質(zhì)對(duì)X線的吸收 一 X線與物質(zhì)相互作用的特點(diǎn) 1 吸收同物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)無(wú)關(guān) 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(guò)程的復(fù)雜性 X線引起生物損傷的作用過(guò)程產(chǎn)生高速電子與物質(zhì)原子作用 發(fā)生韌致輻射 再與原子作用 再產(chǎn)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(yīng) 吸收 康普頓效應(yīng) 非彈性散射 電子對(duì)效應(yīng) 吸收 瑞利散射 彈性散射 二 光電效應(yīng) 一 產(chǎn)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(nèi)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(yīng)發(fā)生的幾率 相關(guān)因素 a 光子能量h b 原子序數(shù)Zc 軌道電子結(jié)合能W h W時(shí) 產(chǎn)生光電效應(yīng) 在能發(fā)生光電效應(yīng)的前提下 h W 1 X線光子能量稍大于軌道電子結(jié)合能時(shí) 最易發(fā)生光電效應(yīng) 對(duì)應(yīng)有臨界波長(zhǎng) 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(jié)合能 光 W 1 內(nèi)層電子比外層電子更易發(fā)生光電效應(yīng) 2 高Z比低Z更易發(fā)生光電效應(yīng) 3 低能X線 光 Z4高能X線 高Z 光 Z5 四 光電效應(yīng)產(chǎn)生的特征X線 人體各組織在X線照射下 發(fā)生光電效應(yīng)所產(chǎn)生的特征X線 為低能長(zhǎng)波 無(wú)法穿透人體組織到達(dá)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(dá)膠片 形成灰霧提高對(duì)比 彰顯組織輪廓 五 光電效應(yīng)對(duì)照片質(zhì)量的影響 有利于提高照片質(zhì)量 1 正常組織光電效應(yīng) 能量全轉(zhuǎn)化 全吸收 無(wú)散射線 減少照片灰霧 2 光 Zn 指數(shù)級(jí)正比例關(guān)系 增強(qiáng)天然組織間對(duì)比 對(duì)組織密度差異起放大顯示作用人工造影長(zhǎng)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(yīng) 減少生物損傷 尋求影像清晰度與生物損傷的平衡點(diǎn) 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(yīng) 提高治療的精確度 六 光電效應(yīng)對(duì)被檢者的影響 七 光電效應(yīng)與內(nèi)層電離的異同 相同之處 均與內(nèi)層電子發(fā)生作用產(chǎn)生X線波長(zhǎng)固定 特征X線 標(biāo)識(shí)X線均需克服內(nèi)層電子軌道結(jié)合能W相異之處 入射粒子能量轉(zhuǎn)換不同 全部轉(zhuǎn)換 部分轉(zhuǎn)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(yīng) 概念 X線光子與原子外層軌道電子作用時(shí) 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(chǎn)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(cè)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(guò)板無(wú)法吸收 角度小 濾線柵無(wú)法消除 將到達(dá)膠片產(chǎn)生灰霧 影響照片質(zhì)量 三 光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)的比較 1 作用對(duì)象不同 內(nèi)層電子 外層電子2 作用條件不同 稍大于W 遠(yuǎn)大于W3 對(duì)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(duì)照片質(zhì)量的影響不同 增強(qiáng)對(duì)比 降低對(duì)比6 對(duì)被檢者的危害程度不同 危害大 危害小 四 電子對(duì)效應(yīng) 概念 在原子核電場(chǎng)或電子場(chǎng)中 一個(gè)入射光子突然消失而轉(zhuǎn)化為一對(duì)正 負(fù)電子 一 產(chǎn)物 正 負(fù)電子 二 發(fā)生條件 光子能量極高核電場(chǎng) E光 1 02MeV 對(duì)應(yīng)2個(gè)電子的靜止質(zhì)量 電子場(chǎng) E光 2 04MeV 對(duì)應(yīng)4個(gè)電子的靜止質(zhì)量 核電場(chǎng)發(fā)生幾率 電子場(chǎng)發(fā)生幾率 三 在診斷X線范圍內(nèi) 電子對(duì)效應(yīng)一般不可能出現(xiàn)電子對(duì)效應(yīng)對(duì)應(yīng)管電壓 1 02MeV 1020kV診斷X線對(duì)應(yīng)管電壓 30 150kV 四 電子對(duì)效應(yīng)發(fā)生后 正電子很快與自由電子復(fù)合 反向釋放2個(gè)等能量光子 發(fā)生湮滅輻射 電子對(duì)效應(yīng)和湮滅輻射反映能量質(zhì)量相互轉(zhuǎn)換 五 相干散射 1 概念 X線與物質(zhì)作用 能發(fā)生干涉的散射過(guò)程反映X線的波動(dòng)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(yīng)為非相干散射 3 相干散射的特點(diǎn) 1 對(duì)光子能量無(wú)吸收 但光子行進(jìn)方向改變 2 對(duì)物質(zhì)無(wú)電離作用 不造成生物組織損傷 3 在整個(gè)診斷范圍內(nèi)都會(huì)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(méi)有能量的吸收和改變出射粒子的運(yùn)動(dòng)方向均發(fā)生了改變相異之處 作用對(duì)象不同 原子內(nèi)層電子 原子核電場(chǎng)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(duì)幾率 一 X線與物質(zhì)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(guān)系 光子能量范圍0 01MeV 100MeV時(shí) 三種基本作用為 光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng) 臨界元素Z 對(duì)應(yīng)一定h 兩種效應(yīng)幾率相等的Z 1 光子能量低于0 8MeV時(shí) 光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)同時(shí)發(fā)生 且Z一定 h 越低 光電效應(yīng)越占優(yōu)勢(shì)h 一定 大于臨界Z 光電效應(yīng)優(yōu)勢(shì) 反之則康普頓優(yōu)勢(shì)2 光子能量在0 8 4MeV時(shí) 無(wú)論原子序數(shù)多少及光子能量如何變化 康普頓效應(yīng)都占主導(dǎo)地位 3 光子能量大于4MeV時(shí) 康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)同時(shí)發(fā)生 且 Z一定 h 越低 康普頓效應(yīng)越占優(yōu)勢(shì)h 一定 小于臨界Z 康普頓效應(yīng)優(yōu)勢(shì) 反之則電子對(duì)效應(yīng)優(yōu)勢(shì) 三 在診斷X線中各種基本作用發(fā)生的相對(duì)幾率 1 診斷X線范圍多在20 100keV 此時(shí)電子對(duì)效應(yīng)不可能發(fā)生2 診斷意義上 X線與物質(zhì)的基本作用有三種 光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng)和相干散射 前兩種占主導(dǎo) 3 光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)的發(fā)生幾率同組織Z有關(guān)水 軟組織 低Z 低能光電效應(yīng)占優(yōu) 高能康普頓效應(yīng)占優(yōu)骨骼 較高Z 低能光電效應(yīng)占優(yōu) 高能康普頓效應(yīng)占優(yōu)碘化鈉 極高Z 能量范圍內(nèi)光電效應(yīng)全程占優(yōu)應(yīng)用 提高光電效應(yīng)發(fā)生幾率 提高組織對(duì)比度 減少散射 提高成像質(zhì)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(qiáng)度減弱的兩種方式1 距離所致的減弱 I 1 22 物質(zhì)所致的減弱 a 光子能量b 原子序數(shù)c 物質(zhì)密度d 每克電子數(shù) 二 吸收物質(zhì) 影響X線減弱的因素 1 光子能量h 光子能量 透過(guò)量 2 原子序數(shù)Z低Z物質(zhì) 光子能量 透過(guò)量 高Z物質(zhì) 光子能量 透過(guò)量還可能 K邊界 光電效應(yīng)幾率發(fā)生突變激增 吸收驟顯3 物質(zhì)密度d衰減強(qiáng)度 密度 K邊界原理 概念 指某些高Z物質(zhì)的射線吸收系數(shù)曲線在一定能量水平時(shí) 曲線顯示一銳利邊緣的不連續(xù)鋸齒邊界 機(jī)理 主要是由于高Z物質(zhì)K層電子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率在K邊界附近發(fā)生躍變 導(dǎo)致吸收系數(shù)呈現(xiàn)鋸齒緣激變 對(duì)應(yīng)K層電子結(jié)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(yīng)顯著 可獲得高對(duì)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(yīng)發(fā)生幾率顯著增加 利于獲得高對(duì)比度影像 三 物質(zhì)對(duì)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(guò)單位厚度物質(zhì)時(shí)X線強(qiáng)度的相對(duì)變化 其中 強(qiáng)度減少單位 m 1 單能 所有光子能量相同 窄束 方向一致無(wú)散射線 單能窄束為理想情況 規(guī)律 對(duì)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(guò)物質(zhì)后的衰減圖 同時(shí) 波長(zhǎng)越短 吸收越少 硬線穿透力強(qiáng) 原子序數(shù)越高 吸收越多 高密度物質(zhì)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(shí)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(shí)際強(qiáng)度 指數(shù)規(guī)律衰減的窄束X線強(qiáng)度意義 測(cè)量點(diǎn)強(qiáng)度稍大于指數(shù)衰減值 影響防護(hù)估算 對(duì)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(zhì)對(duì)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(guò)吸收體以后 強(qiáng)度減少 能譜變窄 低能成分減少 高能成分相對(duì)增加 平均能量升高 物質(zhì)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