辐射与物质的相互作用ppt课件

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 a. 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 ） Crystal grating 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 X Y 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 X射 线 能量 (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 (%) 20 70 30 89 11 94 6 60 7 93 31 69 95 5 100 1 99 9 91 88 12 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/m 2) 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 . 铝 板厚度 (mmAl) 皮肤照射量 (C/kg) 照射量下降百分数 (%) 0 0.5 1.0 3.0 6.1410-4 4.78 10-4 3.28 10-4 1.20 10-4 0 22 47 80 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) 管 电压 (kV) 脂肪 (102) 肌肉 (102) 骨骼 (102) 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 0.3393 0.2653 0.2196 0.2009 0.1905 0.1832 0.1801 0.1774 0.1755 0.1742 0.1732 0.1724 0.4012 0.2933 0.2455 0.2213 0.2076 0.1994 0.1942 0.1906 0.1882 0.1864 0.1852 0.1842 2.4434 1.4179 0.9677 0.7342 0.6047 0.5408 0.4865 0.4530 0.4298 0.4132 0.4010 0.3918 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 粒子种类 电荷 能量 (MeV) LET(GeV/m) 电 子 光子 质 子 粒子 中子 (间 接 ) -1 +1 +2 0.01 0.1 0.1 1 200kV(电 子 击 出 )X线 60Co 线 小 2 5 10 小 3.4 5 2.5 14.1 12.3 2.3 0.42 0. 25 0. 436 0.22 92 16 8 4 260 140 95 1580(峰 值 20) 330 (峰 值 7) 各种电离粒子的 LET 值 1. 辐射与物质的作 用类型及能量损失 B.传能