第二次课 第一章第二节 X线同物质的相互作用-2012.ppt

第二节X线与物质的相互作用 主要内容 1 什么是吸收2 X线与物质的作用类型 对象 条件 几率 产物和特点 光电效应 康普顿效应 3 X线的减弱规律 一 概述 什么是吸收 X线通过物质时 由于与物质原子发生各种相互作用 使得X线在行进方向上强度减弱的现象称为物质对X线的吸收 一 X线与物质相互作用的特点 1 吸收同物质的光学性质无关 2 作用的原子性 3 每次作用光子损失大部或全部的能量 4 作用过程的复杂性 X线引起生物损伤的作用过程产生高速电子与物质原子作用 发生韧致辐射 再与原子作用 再产生高速电子 直至能量耗尽 生物损伤发生吸收 弹性散射 非弹性散射 二 作用类型 最主要有四种作用 光电效应 吸收 康普顿效应 非弹性散射 电子对效应 吸收 瑞利散射 弹性散射 二 光电效应 一 产物特征 荧光 X线 光电子和俄歇电子 二 发生条件h W E h W 概念 X线光子与原子内层电子作用 将其全部能量交给轨道电子 电子获得能量后脱离轨道飞出 三 光电效应发生的几率 相关因素 a 光子能量h b 原子序数Zc 轨道电子结合能W h W时 产生光电效应 在能发生光电效应的前提下 h W 1 X线光子能量稍大于轨道电子结合能时 最易发生光电效应 对应有临界波长 2 发生几率反比于光子能量三次方 光 1 h 33 发生几率正比于电子的结合能 光 W 1 内层电子比外层电子更易发生光电效应 2 高Z比低Z更易发生光电效应 3 低能X线 光 Z4高能X线 高Z 光 Z5 四 光电效应产生的特征X线 人体各组织在X线照射下 发生光电效应所产生的特征X线 为低能长波 无法穿透人体组织到达胶片 将全部被人体自身所吸收 人体组织中 Ca Z 20 4keV诊断X线 20 100keV人工造影剂 I Z 53 33 2keVBa Z 56 37 4keV人工造影 增加高能散射线 穿透人体到达胶片 形成灰雾提高对比 彰显组织轮廓 五 光电效应对照片质量的影响 有利于提高照片质量 1 正常组织光电效应 能量全转化 全吸收 无散射线 减少照片灰雾 2 光 Zn 指数级正比例关系 增强天然组织间对比 对组织密度差异起放大显示作用人工造影长波软线 软组织摄影 全部吸收 诱发生物损伤诊断中采用高能硬线减少光电效应 减少生物损伤 寻求影像清晰度与生物损伤的平衡点 治疗中采用高能硬线避免体表光电吸收 诱发深层生物效应 提高治疗的精确度 六 光电效应对被检者的影响 七 光电效应与内层电离的异同 相同之处 均与内层电子发生作用产生X线波长固定 特征X线 标识X线均需克服内层电子轨道结合能W相异之处 入射粒子能量转换不同 全部转换 部分转换入射粒子种类不同 X线光子 高速电子发生几率不同 稍大于Wk 大于Wk 三 康普顿效应 概念 X线光子与原子外层轨道电子作用时 交给轨道电子部分能量后 改变频率和方向散射 而轨道电子脱离原子轨道射出 一 产物 反冲电子和散射光子 二 发生条件 h W 二 散射光子和反冲电子的能量分布 入射h 外层e 自由碰撞 散射h 反冲e 正碰 h 10 10 散射角180 散射h 能量最小 反冲角0 反冲e能量最大 侧碰 h 1 1 散射角0 散射h 能量最大 反冲角90 反冲e能量为零 散射光子获得大部分能量小散射角的散射线 能量大 滤过板无法吸收 角度小 滤线栅无法消除 将到达胶片产生灰雾 影响照片质量 三 光电效应与康普顿效应的比较 1 作用对象不同 内层电子 外层电子2 作用条件不同 稍大于W 远大于W3 对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线 散射X线5 对照片质量的影响不同 增强对比 降低对比6 对被检者的危害程度不同 危害大 危害小 四 电子对效应 概念 在原子核电场或电子场中 一个入射光子突然消失而转化为一对正 负电子 一 产物 正 负电子 二 发生条件 光子能量极高核电场 E光 1 02MeV 对应2个电子的静止质量 电子场 E光 2 04MeV 对应4个电子的静止质量 核电场发生几率 电子场发生几率 三 在诊断X线范围内 电子对效应一般不可能出现电子对效应对应管电压 1 02MeV 1020kV诊断X线对应管电压 30 150kV 四 电子对效应发生后 正电子很快与自由电子复合 反向释放2个等能量光子 发生湮灭辐射 电子对效应和湮灭辐射反映能量质量相互转换 五 相干散射 1 概念 X线与物质作用 能发生干涉的散射过程反映X线的波动性 散射后形成相干光源2 瑞利散射 最主要的相干散射 康普顿效应为非相干散射 3 相干散射的特点 1 对光子能量无吸收 但光子行进方向改变 2 对物质无电离作用 不造成生物组织损伤 3 在整个诊断范围内都会出现 但只占5 4 瑞利散射与弹性散射的异同 相同之处 均没有能量的吸收和改变出射粒子的运动方向均发生了改变相异之处 作用对象不同 原子内层电子 原子核电场入射粒子种类不同 X线光子 高速电子联系 相干散射某种程度上等同于弹性散射 六 各相互作用发生的相对几率 一 X线与物质所有相互作用的汇总 五部分 二 原子序数Z和光子能量h 与三种基本作用的关系 光子能量范围0 01MeV 100MeV时 三种基本作用为 光电效应康普顿效应电子对效应 临界元素Z 对应一定h 两种效应几率相等的Z 1 光子能量低于0 8MeV时 光电效应和康普顿效应同时发生 且Z一定 h 越低 光电效应越占优势h 一定 大于临界Z 光电效应优势 反之则康普顿优势2 光子能量在0 8 4MeV时 无论原子序数多少及光子能量如何变化 康普顿效应都占主导地位 3 光子能量大于4MeV时 康普顿效应和电子对效应同时发生 且 Z一定 h 越低 康普顿效应越占优势h 一定 小于临界Z 康普顿效应优势 反之则电子对效应优势 三 在诊断X线中各种基本作用发生的相对几率 1 诊断X线范围多在20 100keV 此时电子对效应不可能发生2 诊断意义上 X线与物质的基本作用有三种 光电效应 康普顿效应和相干散射 前两种占主导 3 光电效应和康普顿效应的发生几率同组织Z有关水 软组织 低Z 低能光电效应占优 高能康普顿效应占优骨骼 较高Z 低能光电效应占优 高能康普顿效应占优碘化钠 极高Z 能量范围内光电效应全程占优应用 提高光电效应发生几率 提高组织对比度 减少散射 提高成像质量 吸收剂量增加 软组织 高Z 七 X线的减弱规律 一 X线强度减弱的两种方式1 距离所致的减弱 I 1 22 物质所致的减弱 a 光子能量b 原子序数c 物质密度d 每克电子数 二 吸收物质 影响X线减弱的因素 1 光子能量h 光子能量 透过量 2 原子序数Z低Z物质 光子能量 透过量 高Z物质 光子能量 透过量还可能 K边界 光电效应几率发生突变激增 吸收骤显3 物质密度d衰减强度 密度 K边界原理 概念 指某些高Z物质的射线吸收系数曲线在一定能量水平时 曲线显示一锐利边缘的不连续锯齿边界 机理 主要是由于高Z物质K层电子发生光电效应的几率在K边界附近发生跃变 导致吸收系数呈现锯齿缘激变 对应K层电子结合能Wk利用 I Ba造影I Z 53 33 2keVBa Z 56 37 4keVK边界处于诊断X线范围 光电效应显著 可获得高对比影像 33 2keV 由于I在33 2kev处存在K边界现象 此处的光电效应发生几率显著增加 利于获得高对比度影像 三 物质对单能窄束X线的吸收规律 遵循指数衰减规律 I I0e x 意义 通过单位厚度物质时X线强度的相对变化 其中 强度减少单位 m 1 单能 所有光子能量相同 窄束 方向一致无散射线 单能窄束为理想情况 规律 对于单能窄束X线 光子数目等比减少 光子能量守恒 单能窄束X线通过物质后的衰减图 同时 波长越短 吸收越少 硬线穿透力强 原子序数越高 吸收越多 高密度物质难穿透 以上为窄束X线 理论上 的吸收规律 由于散射线的存在 窄束X线实际上为宽束X线即 既有衰减后的原发X线 窄束 又有其他方向上的散射线宽束X线实际强度 指数规律衰减的窄束X线强度意义 测量点强度稍大于指数衰减值 影响防护估算 对于宽束X线的吸收 引入修正因子B 其中B为大于1的修正系数 四 物质对连续X线的吸收规律 1 各能谱成分吸收速率不一样 总吸收不遵循指数衰减规律 2 连续X线通过吸收体以后 强度减少 能谱变窄 低能成分减少 高能成分相对增加 平均能量升高 物质越厚 原子序数越高 则能量提升越明显 3 平均能量越高 减弱速率越小 初始能