辐射与物质的相互作用.ppt

第三章 辐射与物质的相互作用, 1、辐射与物质的作用类型及能量损失 2、电离辐射的生物学作用 3、生物靶的调节作用 4、影响电离辐射作用的主要因素,1. 辐射与物质的作 用类型及能量损失,A.辐射与物质作用的种类,一. X（）射线与物质的作用,二. 射线与物质的作用,三. 射线与物质的作用,四. 中子与物质的作用,五. 带电重粒子与物质的作用,一.X ()射线与物质的相互作用,. 光电效应,. 康普顿效应,+,+,e,e,hf,hf,hf ,. 电子对效应,+,hf,Ze,e-,e+,1、 X 线与物质相互作用的过程,(1).光电效应特征,放出光电子的原子变成正离子并处于激发态；外层电子向内层填充产生特征X线;特征线离开原子前又击出外层(俄歇)电子.,光电子、正离子、特征X光子、俄歇电子,光电效应的次级粒子,.光电效应(光子与原子内层电子作用）,(2). 光电效应的发生几率,a. 原子序数的影响 光电效应几率Z4 内层比外层发生几率大45倍,但必须大于结合能,c. 原子边界限吸收的影响,b. 入射光子能量的影响 光电效应几率,防护材料选取的依据,L限,K限,吸收限,吸收限,光子能量,光电质量衰减系数,.光电效应(光子与原子内层电子作用）,(3). 光电子的角分布,光电子的角分布与入射X光子能量有关,能量低 大角度分散 能量高 小角度集中 （电离方向）,.光电效应(光子与原子内层电子作用）,(4). 放射诊断学中的光电效应,a. 优点 提高成像质量,b. 缺点 入射X线通过光电效应几乎全部被人,放疗时增加对肿瘤组织的剂量,因光电转换减少散射线，故减少照片灰雾,利用造影剂可增加对比度,.光电效应(光子与原子内层电子作用）,体吸收，增加了受检者的剂量，对人体有负面作用。,(1). 康普顿效应的发生几率,原子序数的影响 康普顿效应几率 Z/A 除氢元素外，大多数材料具有相同的Z/A,b. 入射光子能量的影响 康普顿效应几率,.康普顿效应(与原子外层电子作用）,X-Ray o,（ o）康普顿 散射波长,spectra,o : 入射波长,波长,(2). 散射光子的波长,hfo,hf,考虑：,Compton wavelength,electron,(3).散射光子和反冲电子的角分布,散射光子能量,反冲电子动能,散射角与反冲角关系,(3).散射光子和反冲电子的角分布,注: 康普顿效应的散射线，是X线检查中最大的散射线来源,且充满整个检查室空间。必须引起工作人员和防护人员的重视,并采取防护措施.,效应发生几率,. 电子对效应,A. 相干散射,2、X线与物质作用的其他过程,射线与物质相互作用而产生干涉(衍射)的散射过程叫相干散射。比如X线对年晶体衍射产生的劳厄斑就是相干散射现象. 相干散射是唯一不产生电离的过程。,光子与原子核作用发生核反应的过程。比如释放中子、质子、粒子和光子等。光核作用在X线诊断过程中不能发生，在放疗中发生率也很低。,B.光核作用,A.X线引发效应总结,3、各种作用发生的相对几率,光核作用,普通散射,B.Z和hf与三种作用的关系,3、各种作用发生的相对几率,C.放射诊断学中三种作用发生的相对几率,表2 放射诊断学中作用几率与Z和hf的关系,3、各种作用发生的相对几率,4. X ()射线在物质中的衰减,当X线通过物质时，由于光电效应、康普顿效应和电子对效应等作用，使射线的强度衰减。即物质所致的衰减。,射线在物质中的衰减,随距离衰减,物质所致衰减,(W/m2),A、单能X线在物质中的衰减规律,(1)、窄束X线在物质中的衰减规律,4. X ()射线在物质中的衰减,光子数表示则满足,lnI,lnI0,x,光子数减少但频率不变！,（=0.2 cm-1),4. X ()射线在物质中的衰减,A、单能X线在物质中的衰减规律,积累因子: 某物质元中X光子计数率与未碰撞物质的X光子计数率之比 B。,(2)、宽束X线在物质中的衰减规律,Ns:物质元散射X光子计数率,B是描述散射光子影响反映宽束和窄束区别的物理量,宽束X线的衰减规律,B可以通过台劳级数展开近似计算求得,4. X ()射线在物质中的衰减,B、连续X线在物质中的衰减规律,(1)、连续X线在物质中的衰减规律,4. X ()射线在物质中的衰减,光子数,水模厚度,单能X线,连续X线,4. X ()射线在物质中的衰减,B、连续X线在物质中的衰减规律,(1) 连续X线在物质中的衰减规律,影响因素,(2)、X线的滤过,低能X线不能透过人体(吸收)，对形成X线影像不起作用，但却大大增加被检者皮肤照射量。为减少无用低能光子对皮肤和浅表组织的伤害，需采用适当的滤过措施，在管口放置一定均匀厚度的金属，吸掉低能部分，使平均能量增高。,4. X ()射线在物质中的衰减,B、连续X线在物质中的衰减规律,(2)、X线的滤过,a、固有滤过 包括X线管的玻璃管壁、绝缘油、管套上的窗口和不可拆卸的滤过板。用铝当量表示。,铝当量：指一定厚度的滤过材料用相同衰减效果的铝板厚度表示。一般诊断X光机的固有滤过在0.5 2 mmAl。,对软组织摄影则需要低滤过X线,以增加软组织对比度.,4. X ()射线在物质中的衰减,B、连续X线在物质中的衰减规律,b、附加滤过 包括附加滤过板、遮光器的滤过等。,根据衰减厚度能量分布不同,依具体情况选择管电压和材料形状厚度,4. X ()射线在物质中的衰减,滤过板厚度及对照射剂量的影响,使用低滤过高千伏摄影,对受检者十分有害.而厚度滤过技术对受检者降低剂量有重要意义.,4. X ()射线在物质中的衰减,B、连续X线在物质中的衰减规律,楔形或梯形滤过板,4. X ()射线在物质中的衰减,B、连续X线在物质中的衰减规律,C、诊断放射学中X线的衰减,(1)、人体的构成元素和组织密度,人体内除少量的钙、磷等中等原子序数物质外，其余全由低原子序数物质组成。人体吸收X线最多的是由Ca3(PO4)2组成的门牙，吸收X线最少的是充满气体的肺。,4. X ()射线在物质中的衰减,C、诊断放射学中X线的衰减,有效原子序数：在相同照射条件下,1kg复杂物质与1kg单质吸收辐射能相同时单质的原子序数。,ai为第i种元素在单位体积中电子数的占有比率, Zi为第i种元素的原子序数。如水中: 氧的电子数比率 2.68:3.34，氢的电子数比率0.66:3.34。氧、氢的原子序数分别为8和1，所以,4. X ()射线在物质中的衰减,C、诊断放射学中X线的衰减,有效原子序数的近似公式为,ai为第i种元素原子在分子中的原子个数，Zi为第i种元素的原子序数。如水中：氧原子个数为1，氢原子个数为2，所以占有人体大部分成分的水有效原子序数为,4. X ()射线在物质中的衰减,C、诊断放射学中X线的衰减,(2)、X线通过人体的衰减规律,人体各组织器官X线的衰减各异，一般按骨骼、肌肉、脂肪和空气的顺序由大到小排列。而随管电压(hf)增加衰减减小。,以光电效应吸收为主,4. X ()射线在物质中的衰减,C、诊断放射学中X线的衰减,以手部拍片为例，说明X线在人体不同组织中的衰减差别及与管电压的关系。用40kV拍片,骨,肌肉,而用150kV拍片,骨,肌肉,衰减差别大，形成高对比度,4. X ()射线在物质中的衰减,(2)、X线通过人体的衰减规律,表5 人体不同组织的线衰减系数(m-1),二、其他射线与物质的作用,射线即电子流，带有负电，其质量很小，因此在运行中容易被其他电子所偏转，所以其径迹曲折，其实际穿透深度小于其径迹长度。在 射线径迹的末端,电离密度最大，这是由于此时电子能量已显著降低，速度减慢, 与靶物质原子作用几率加大, 单位距离内形成的离子对增多。,1. 射线与物质的作用,二、其他射线与物质的作用,在临床上使用直线加速器发生的高能电子流照射组织时，主要的电离作用产生在深部，而 90Sr 放射源放出的 射线则在浅层（12mm）引起最大电离作用。射程长短取决于电子能量的大小。,1. 射线与物质的作用,二、其他射线与物质的作用,射线即氦核组成的粒子流，由2个质子和2个中子组成，故带有2个正电荷，质量数为4，比电子质量大约8000倍。 粒子在组织中通过较慢，穿透距离甚短，最多只几百微米。故射线由外照射对机体不会产生严重危害。,2. 射线与物质的作用,二、其他射线与物质的作用,但发射粒子的放射性核素进入体内时，由于其物理特征，其电离密度较大，造成的损伤则更为严重。此外，放射性治疗中用快中子或负介子照射组织时，在组织中将产生粒子，对杀伤癌细胞将起重要作用。,2. 射线与物质的作用,二、其他射线与物质的作用,中子不带电,通过组织时不干扰带电物质,只有在与原子核直接碰撞时发生相互作用.但慢中子或热中子 (能量在0.5eV以下) 进入原子核易被俘获,而快中子(能量大于20keV)与原子核主要发生弹性碰撞. 在中子与质子(氢核) 的一次碰撞中, 中子的部分能量传给质子,产生反冲质子,这种带正电重粒子在组织中速度很快下降, 引起高密度电离作用。,3. 中子与物质的作用,二、其他射线与物质的作用,中子与氧、碳、氮等原子核也发生弹性散射，其反冲核引起高密度的电离。快中子与组织中更重的原子核相互作用可引起非弹性散射产生射线。此外, 中子与物质的原子核作用还会产生核反应, 在反应过程中释放带电重粒子、 光子或产生放射性核素。,3. 中子与物质的作用,二、其他射线与物质的作用,快中子作用于组织时可产生带电重粒子。此外，高能加速器还可将重粒子加速，使其具有穿透深部组织的能力。例如，质子、氦核、负介子等可在数厘米深处产生高密度的电离，达到集中杀死癌细胞的作用,4. 带电重粒子与物质的作用,二、其他射线与物质的作用,关于负介子的研究近年来特别受到放射治疗领域的关注. 负介子属于亚原子粒子,其质量为电子的276倍,电荷同于电子, 由同步回旋加速器将质子加速到极高能量(500 700MeV)而作用于石墨或铅靶时产生.当其穿入组织被碳、氧、氢等原子核捕获,释放粒子、中子和质子,产生高密度电离作用。,4. 带电重粒子与物质的作用,1. 辐射与物质的作 用类型及能量损失,B.传能线密度与相对生物效应,一. 传能线密度（LET）,定义 带电粒子在组织(或其他物质)中经过一定距离时由于碰撞而损失的能量.(J/m),生物损害与LET值正相关。高LET粒子在给定体积内产生变化的几率高，但并非无限增加。,1. 辐射与物质的作 用类型及能量损失,B.传能线密度与相对生物效应,一. 传能线密度（LET）,线,硬X线,软X线,线,细胞或生物大分子,各种电离粒子的LET