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放射物理与防护RadiologicalPhysicsandRadiationProtection 第一章物质结构一 原子的基本状况目前已知的地球元素有107种 其中93种是地球上天然存在的 15种是人造元素 任何原子都是由小而致密的原子核和核外高速绕行的电子所组成的 一个原子就如同太阳系一样 它的核如同太阳 核外电子如同行星 沿一定轨道绕原子核旋转 原子核带正电荷 核外电子带负电荷 在正常情况下 原子核所带正电荷量与核外电子所带负电荷量相等 因此整个原子对外呈现中性 原子的质量和体积都极其微小 一个氢原子的质量是1 6735 10 27kg 较重的铀原子也只有3 951 10 25kg 原子的直径为10 10m数量级 如果把1亿个原子挨个排成一行 它的长度仅有lcm 原子核比原子还要小 核半径仅为原子半径的万分之一到十万分之一 原子核的几何截面积仅为原子的几千亿分之一 假设原子有一座10层楼那么大 原子核只有樱挑那么小 由此可见 原子内有一个相对来说很大的空间 核外电子就像几粒尘埃一样在这个庞大的空间里绕核旋转 由于原子的这种 空虚 性 一个高速电子或X线光子可以很容易地穿过许多原子后 才会与某个原子发生碰撞 二 原子核及核外轨道电子原子核由质子和中子所组成 通常又把质子和中子统称为核子 每个质子带1个单位的正电荷 中子不带电呈中性 因此 原子核所带电荷数由质子数决定 核电荷数用Z表示 即核电荷数 Z 核内质子数 核外电子数其中X表示原子 A为质量数 Z为质子数 即原子序数 质量数 A 质子数 Z 中子数 N 只要知道上述3个数中任意2个 就可推算出另1个的数值来 如钨原子核内有74个质子 质量数为184 则中子数为 N A Z 184 74 110碘的原子质量数为131 核内具有53个质子 则中子数为 N A Z 131 53 78 核外轨道电子核外电子按一定轨道高速绕核运行 通常每个轨道上只有一个电子 由于其运行受到多个参数的影响 故参数相近的电子近乎在同样的空间运行 这个容纳多个轨道的空间范围称为电子层 距原子核由近及远依次可分为K L M N O 层 各层轨道电子均有特定的能量 三 原子能级 P5 各层轨道电子均有特定的能量 这是因为核外带负电的轨道电子处于带正电的核电场中 具有负电势能 轨道电子绕核运动具有动能 这两部份能量的代数和 就是该壳层电子在原子中的总能量 电子在不连续的轨道上运动 原子所具有的能量也是不连续的 这种不连续的能量状态称为原子的能级 电子在不同轨道上的能量大小与其所在的轨道数有关 内层轨道的能级低 外层轨道能级高 正常情况下 电子先填满内层轨道 然后依次向外填充 这时原子处于最低能量状态 能量最低原理 当内层轨道电子从外界得到能量时会转移到能量较高的外层轨道上去 此时的原子处于不稳定状态 受激态 根据能量最低原理 内层轨道空位立刻有外层电子填充并释放能量 原子核对核外电子有很强的吸引力 离核最近的K层电子所受引力最大 显然 要从原子中移走K电子所需能量也最多 外层电子受核的引力较小 移走外层电子所需能量也较少 通常把移走原子中某壳层轨道电子所需要的最小能量 称为该壳层电子在原子中的结合能 基态 原子处于最低能量状态 电子运行时如既不向外界辐射也不向外界吸收能量 处于基态的原子最稳定 受激态 电子吸收了一定大小的能量后 某两个能级差的能量 电子跳跃到一更高的能级轨道上 此时原子不稳定 称受激态 跃迁 外层轨道电子或自由电子填充空位 同时放出一个能量为hv的光子 该光子的能量大小取决于两轨道之间的能级差 电离 电子吸收了足够大的能量而摆脱原子核的束缚而成为自由电子 hv 基态 受激态 基态 跃迁激发 当原子从基态到受激态再回到基态时 它将发射 或吸收 具有一定频率的单色光子 其频率为 E2 E1 h 四 同位素凡其有相同的质子数 原子序数 和不同的中子数的同一类元素称为同位素 isotope 几乎所有元素都有同位素 例如氢元素H H在元素周期表中处于同一位置 因质量数不同 它有三种核素 分别为氕 氘 氚 其中 氕是一个不含中子的氢原子 氘含有一个中子 是重氢 氚则含有两个中子 是超重氢 但它们的原子序数相同 可互称同位素 重氢和超重氢是制造氢弹的原材料 已知107种元素有2000余种同位素 同位素又有稳定性同位素和不稳定性同位素之分 已知稳定性同位素有270余种 而不稳定性同位素有1700余种 不稳定性同位素又称为放射性同位素 放射性同位素又分为天然放射性和人工放射性同位素 简称人造放射性同位素 人造放射性同位素主要由反应堆和加速器制备 原子序数很高的那些重元素 如铀 u 钍 Tu 镭 Ra 等 它们的核很不稳定 自发地放出射线 变为另一种元素的原子核 原子核的衰变 放射性同位素原子核不稳定 能自发地放出 射线而变成另一种元素的现象 射线 由 粒子组成 粒子是有2个质子和2个中子组成的带2个正电荷的氦核 射线 由 粒子组成 粒子就是从原子核内释放出的带一个负电荷的电子 射线 由 光子组成 它是在原子核衰变时从核内释放出的不带电的高能量光子 半衰期 放射性核素的数目减少到原来的一半所需要的时间称之 放射性活度 单位时间内原子核衰变的数目称为放射性活度 radioactivity 简称活度 第二章X线的产生一 X线的发现X线是德国著名物理学家伦琴于1895年11月8日发现的 X线的发现在科学史上是个极其重大的事件 它给人类历史和科技发展带来巨大的影响 并由此开创了物理学和影像医学的崭新时代 X线成像技术与后来发展起来的核医学成像 超声成像 X线CT 磁共振成像 热图像 介入性放射学和内镜等技术共同组成现代医学影像学的崭新领域 二 X线的产生条件电子源使电子在某个空间高速运动靶 三 X线产生装置 四 X线产生原理 一 电子与物质的相互作用1 电离电子通过物质时 与其原子核外的轨道电子发生作用 使电子脱离轨道形成自由电子 失去电子的原子带正电 与前者形成正 负离子对 这一过程称为电离 它是电离辐射的主要机制 也是某些放射性探测器测量射线的物理基础 高速电子与原子的外层电子作用时 可以使原子电离而损失部分能量 E 当入射电子的能量损失大 并且大于外层电子的电离能时 则靶原子被电离 其外层电子脱离靶原子并且具有一定的动能 如果电离出的电子动能大于100eV 则称此电离出的电子叫 电子 电子是电离电子中能量较高的那一部分 它与入射电子一样可以使原子激发或电离 也可以与原子核和内层电子相互作用而逐渐损失能量 2 激发高速电子通过物质时 作用于轨道电子 轨道电子获得能量从低能态轨道跃迁到高能态轨道 这种现象称为激发 此时原子处于受激态 不稳定 当该电子退激时 跃迁 获得的能量将以光能或热能的形式释出 外层轨道电子受激退激时产生热能 内层轨道电子受激退激时产生射线 3 散射电子受到物质原子核库仑电场的作用而发生方向偏折 称散射 散射对测量及防护都有一定程度的影响 4 韧致辐射电子在介质中受到阻滞 急剧减速时 将部分能量转化为电磁辐射 即X射线 称为韧致辐射 又称连续辐射 二 连续X线对X线管发出的X线进行光谱分析 发现它由两种成分组成 一种X线谱是连续的 称为连续X线 另一种则是线状的 称为特征X线 可见X线是由这两种成分组成的混合射线 1 连续X线的产生原理 连续X线产生的物理过程是轫致辐射高速电子进入到原子核附近的强电场区域 然后飞离强电场区域从而完成一次电子与原子核的相互作用时 电子的速度大小和方向必然发生变化 电子损失的能量将以电磁波 包括X线 形式向外辐射 电子的这种能量辐射叫轫致辐射 由于每个高速电子与靶原子作用时的相对位置不同 且每个电子与靶原子作用前具有的能量也不同 所以各次相互作用对应的辐射损失也不同 因而发出的X线光子频率也互不相同 大量的X线光子组成了具有频率连续的X线光谱 下图是使用钨靶X线管 管电流保持不变 将管电压从20KV逐步增加到50KV 同时测量各波段的相对强度而绘制成的X线谱 下图是使用钨靶X线管 管电流保持不变 将管电压从20KV逐步增加到50KV 同时测量各波段的相对强度而绘制成的X线谱 2 连续X线的最短波长 最强波长 平均波长及最大光子能量 最短波长 最强波长 最强 1 5 min平均波长 平均 2 5 min最大光子能量 hvmaX 3 影响连续X线的因素 连续X线的总强度 I连 与管电流 i 管电压 U 靶原子序数 Z 的关系可用下面公式近似表示出来 I连 K1IZUn 三 标识 特征 X线1 标识X线的产生的原理X ray 基态 受激态 基态 跃迁激发 2 特征X线的激发电压靶原子的轨道电子在原子中具有确定的结合能 只有当入射高速电子的动能大于其结合能时 才有可能被击脱造成电子空位 产生特征X线 3 影响特征X线的因素 KVMAS4 连续X线和特征X线的比例大小 五 X线的量与质习惯上常用X线强度来表示X线的量与质 所谓X线强度是指在垂直于X线传播方向单位面积上 在单位时间内通过光子数量与能量乘积的总和 可见X线强度 I 是由光子数目 N 和光子能量 hv 两个因素决定的 即 I Nhv1 X线的量在实际放射工作中 作为一种简便方法 一般是用管电流 mA 和照射时间 s 的乘积来反映X线的量 以毫安秒 mAs 为单位 管电压一定时 X线管的管电流的大小反应了阴极灯丝发射电子的情况 管电流大 表明单位时间撞击阳极靶的电子数多 由此激发出的X线光子数也正比地增加 照射时间长 X线量也正比地增大 所以管电流和照射时间的乘积能反映X线的量 2 影响X线量的因素1 靶原子序数的影响 在管电压 管电流 投照时间相同的情况下 阳极靶的原子序数愈高 X线的量愈大 从图56中可见 曲线的两个端点都重合 其高能端重合 说明了X线谱的最大光子能量与管电压有关而与靶物质无关 低能端重合是因为X线管固有滤过的限制 低能成分被管壁吸收的缘故 射线的最大强度都呈现在相同的光子能量处 2 管电流的影响 在一定管电压下同种靶物质和相同的照射时间 X线的量与管电流成正比 管电压一定时 X线管的管电流的大小反应了阴极灯丝发射电子的情况 管电流越大表明阴极发射的电子越多 因而电子撞击阳极靶产生的X线的量也越大 发射出的X线的强度也就越大 质不变 量增加 图47及下图是在管电压和其他条件不变的情况下 管电流对X线量的影响 图中看到100mA和250mA的两条曲线 其X线最短波长和最长波长都完全一样 只是曲线下所包的面积不同 显然管电流大的X线量大 反之就小 图3 9管电流对X线量的影响 3 管电压的影响 在相同mAs同种靶物质的条件下 X线的量与管电压的n次方成正比 3 X线的质X线的质又称线质 它表示X线的硬度 即穿透物质本领的大小 X线质完全由光子能量决定 而与光子个数无关 在实际应用中是以管电压和滤过情况来反映X线的质 这是因为管电压高 激发的X线光子能量大 即线质硬 滤过板厚 连续谱中低能成分被吸收的多 透过滤过板的高能成分增加 使X线束的线质变硬 在滤过情况一定时 常用管电压的千伏值来粗略描述X线的质 在工作中描述X线质除千伏值外 还用半价层 半值深度等物理量来表示X线质 4 影响X线质的因素1 管电压 千伏值 的影响X线的质仅取决于管电压的千伏值 无论何种靶物质 在一定管电压下所产生的连续X线谱的最短波长和最长波长是相同的 光子的最大能量完全由管电压控制 连续X线的质随管电压升高而变硬 但特征X线的质只与靶物质有关 2 整流方式的影响脉动电压产生的X线质比恒定电压下的软 所以管电压波形对X线的质也有影响 三相电源的6脉冲和12脉冲供电 其管电压更接近恒压 由此产生的X线脉动变化减小 其量与质均优于单相电源供电的情况 一般说来 三相全波整流与单相全波整流相比 在相同管电压和滤过的情况下 X线质约提高10 15 例如 拍头颅侧位片 单相全波整流X线机使用72kV 而改用三相全波整流X线机只需要64kV就可获得相同的摄影效果 管电压的波形除了对X线的质有影响 同时对X的量也有很大的影响 3 滤过方式的影响滤过对X线的量与质及能谱构成均有很大影响 增加滤过板厚度 可大量衰减连续谱中的低能成分 使能谱变窄 线质提高 但总的强度降低了 在放射工作中应熟练掌握影响X线量与质的诸因素 并能根据临床工作需要 恰当地选择X线的量与质 这对提高影像质量和降低受检者的受照剂量都具有重要意义 六 X线的产生效率在X线管中产生的X线能与加速电子所消耗电能的比值 叫做X线的产生效率 在X线管中加速阴极电子所消耗的电功率 IU 全部变成高速电子的动能 这些高速电子在与物质复杂的相互作用过程中产生X线 同时也产生大量的热 I连 KIZUnP IU KIZU2 KZUIUX线的产生效率与管电压和靶物质的原子序数成正比 高压波形越接近恒压 X线的产生效率越高 研究证明 X线管产生X线的效率极低 一般不足1 而绝大部分的高速电子能都在阳极变为了热能 使阳极靶面产生很高的温升 这是X线管不能长时间连续工作的原因所在 因此X线管必须有良好的散热冷却装置 大量存在的软X线也是导致效率低的原因 七 X线强度的空间分布从X线管焦点上产生的X线 在空间各个方向上的分布是不均匀的 即在不同的方位角上的辐射强度是不同的 这种不均匀的分布称为辐射强度空间分布 实验表明 X线辐射强度在空间的分布情况很复杂 主要取决于入射电子的能量 靶物质及靶厚度等因素 1 X线强度的角分布2 厚靶周围X线强度的空间分布3 诊断X线机靶周围X线强度的空间分布HeelEffect阳极端效应 HeelEffect阳极端效应 在平行于球管长轴方向上 近阳极端的有效点小 x线量少 成像质量好 近阴极端的有效焦点大 x线量多 成像质量差 八 X线的本质X线是电磁辐射谱中的一部分 属于电离辐射 其波长介于紫外线和 射线之间 是具有电磁波和光量子双重特性的一种特殊物质 就其本质而言 X线与可见光 红外线 紫外线 射线完全相同 都是电磁波 只不过X线的频率很高 波长很短 X线具有波动性 与可见光一样 具有衍射 偏振 反射 折射等现象 X线具有微粒性 X线的波动性可以成功地解释X线的干涉与衍射现象 但却不能解释X线的光电效应 荧光作用 电离作用等 这些只能用X线的粒子性做出圆满的解释 即X线是由一个个微粒即X光子组成的 九 X线的基本特性X线是一种电磁波 它具有电磁波的共同属性 此外 由于X线的能量大 波长短 它还具有以下几方面的特有性质 一 物理特性1 X线在均匀的 各向同性的介质中 是直线传播的不可见电磁波 2 X线不带电 它不受外界磁场或电场的影响 3 穿透作用由于X线波长短 具有较高的能量 物质对其吸收较弱 因此它有很强的贯穿本领 其穿透本领的强弱取决于X线能量 物质密度和原子序数等因素 4 荧光作用某些物质被X线照射后 能激发出可见荧光 如磷 钨酸钙 铂氰化钡 银激活的硫化锌镉等荧光物质受X线照射时 物质原子被激发或电离 当被激发的原子恢复到基态时 便可放出荧光 透视用的荧光屏 摄影用暗盒中的增感屏 影像增强器中的输入屏和输出屏 测定辐射量的闪烁晶体 荧光玻璃等都是利用荧光特性制造的 X线的发现也是基于它的荧光作用 5 电离作用X线虽然不带电 但它具有足够能量的X线光子能够撞击原子中的轨道电子 使之脱离原子产生一次电离 被击脱的电子仍有足够能量 去电离更多的原子 X线的电离作用主要是它的次级电子的电离作用 X线在气体中产生的正 负离子 在电场力的作用下很容易收集起来 通常就是利用空气中电离电荷 或电流 的多少来测定X线的照射量 多种测定X线剂量仪器的探头 如电离室 盖革弥勒计数管等都是根据这个原理制造的 X线的电离作用是放射治疗的基础 但它也可对人体造成损伤 6 热作用X线被物质吸收 最终绝大部分都将变为热能 使物体产生温升 测定X线吸收剂量的量热法就是依据这个原理研究出来的 二 化学特性1 感光作用X线和可见光一样 同样具有光化学作用 它可使胶片乳剂感光 能使很多物质发生光化学反应 X线被广泛应用于人体X线摄影和工业无损探伤检查 以及照射量 胶片法 测定等技术中 2 着色作用某些物质 如铅玻璃 水晶等经X线长期大剂量照射后 其结晶体脱水渐渐改变颜色 称为着色作用或脱水作用 三 生物效应特性X线在生物体内也能产生电离及激发作用 也就是使生物体产生生物效应 生物细胞特别是增殖性强的细胞 经一定量X线照射后 可产生抑制 损伤甚至坏死 人体组织吸收一定量X线后 视其敏感程度的不同 而出现种种反应 这个特性可在肿瘤放疗中得到充分应用 它是放射治疗的基础 当然X线对正常人体组织也可能产生损伤作用 故应注意对非受检部位和非治疗部位的屏蔽防护 同时射线工作者也应注意自身的防护 第三章X线与物质的相互作用一 光电效应光电效应又称光电吸收 它是X线光子被原子全部吸收的作用过程 一 光电效应的产生当一个能量为hv的光子通过物质时 它与原子的某壳层中某个轨道上一个电子发生相互作用 把全部能量传递给这个电子 而光子本身则整个被原子吸收 获得能量的电子摆脱原子的束缚以速度v而自由运动 这种电子称为光电子 这种现象称为光电效应 放出光电子的原子变为正离子 原子处于激发态 其电子空位很快被外层电子跃入填充 同时放出特征X线 有时 特征X线离开原子前 又击出外层的轨道电子 即 俄歇电子 可见 光电效应的实质是物质吸收X线使其产生电离的过程 在此过程中将产生的次级粒子有 光电子 正离子 产生光电子的原子 新的光子 特征辐射光子 俄歇电子 二 影响光电效应发生的因素1 物质原子序数的影响光电效应的发生几率与物质的原子序数的4次方成正比 2 入射光子能量的影响因为光电子的动能Ee hv EB EB为电子结合能 所以光电效应发生的能量条件是 入射光子的能量加必须等于或大于轨道电子的结合能E 否则就不会发生光电效应 光电效应的发生几率与入射线波长的3次方成正比 说明与光子能量的3次方成反比 3 原子边界限吸收的影响吸收系数 光电效应发生率 一般随入射光子能量的增大而降低 即波长较短 频率较高的射线的贯穿本领强 当入射光子能量hv增加到某一数值恰好等于原子轨道电子结合能时 吸收系数突然增加 这些吸收突然增加处称为吸收限 当光子能量等于原子轨道K电子结合能时 发生K边界限吸收 等于L结合能时 发生L边界限吸收 等于M结合能时发生M边界限吸收 但最重要的是结合能较大的K边界限吸收 因为光电效应主要发生在结合能较大的K层 而发生在其他壳层上的机会相对较少 三 光电效应中的特征放射P55 四 诊断放射学中的光电效应诊断放射学中的光电效应 可从利弊两个方面进行评价有利的方面是 能产生质量好的照片影像 其原因是 1 不产生散射线 大大减少了照片的灰雾 2 可增加人体不同组织和造影剂对射线的吸收差别 产生高对比度的X线照片 对提高诊断的准确性很有好处 铝靶软组织X线摄影 就是利用低能射线在软组织中 因光电吸收的明显差别而产生高对比度照片的 另外 在放疗中 光电效应可增加肿瘤组织的剂量 提高其疗效 3 入射X线通过光电效应可全部被人体吸收 增加了受检者的剂量 从现代防护观点讲 应尽量减少每次X线检查的剂量 为此 可根据光电效应发生率与光子能量3次方成反比的关系 采用高千伏摄影技术 从而达到降低剂量的目的 二 Compton效应 一 产生原理康普顿效应是入射光子与原子中的一个外层电子相互作用时发生的 在相互作用中 光子只将一部分能量传递给外层电子 电子接收一定的能量后脱离原子束缚 以与光子的初始入射方向成一定角度的方向上射出 此电子称为反冲电子 与此同时 光子本身能量降低 即频率降低 并朝着与入射成一定角度的方向射出 此光子称为散射光子 该光子又称散射线或二次射线 什么是散射线或二次射线 由康普顿效应产生的波长较长 能量较低 方向不定的X线称为散射线或二次射线 二 影响因素1 物质原子序数的影响康普顿效应的发生几率与物质的原子序数Z成正比 2 入射光子能量的影响在诊断X线范围内 康普顿效应发生几率与入射X线能量成正比 3 被照体厚度的影响康普顿效应发生几率与被照体厚度成正比 4 被照体照射面积的影响康普顿效应发生几率与被照体的受照面积成正比 三 康普顿效应对X线影像质量的影响 散射光子的波长和方向 降低影像对比度 四 康普顿效应对辐射防护的影响增加防护难度 三 电子对效应 一 电子对效应的产生一个具有足够能量的光子 在与靶原子核发生相互作用时 光子突然消失 同时转化为一对正 负电子 这个作用过程称为电子对效应 第四章X线在物质中的衰减一 X线在物质中衰减的原因X射线在其传播过程中强度的衰减 包括距离和物质所致衰减两个方面 1 距离衰减设想X线是由点放射源发出并向空间各个方向辐射 在以点源为球心 半径不同的各球面上的射线强度 与距离 即半径 的平方成反比 这一规律称射线强度衰减的平方反比定律 距离增加l倍 则射线强度将衰减为原来的1 4 这一衰减称为距离所致的衰减 也称为扩散衰减 距离衰减在X线防护中有什么意义 2 物质衰减当射线通过物质时 由于射线光子与物质原子发生光电效应 康普顿效应和电子对效应等一系列作用 致使入射方向上的射线强度减弱 这一衰减称为物质所致的衰减 X线强度在物质中的衰减规律是X线透视 摄影 造影及各种特殊检查和放射治疗的基本依据 同时也是进行屏蔽防护设计的理论根据 二 单能窄束X线在物质中的衰减规律由能量相同的光子组成的X线称为单能射线 它具有单一的波长或频率 I I0e X 三 连续X线在物质中的衰减特点连续能谱的X线束是能量从最小值到最大值之间的各种光子组合成的混合射线束 当连续X线通过物质层时 其量和质都有变化 特点是 X线强度变小 硬度变大 质提高 这是由于低能光子容易被吸收 致使X线束通过物质后高能光子在射线束中所占比率相对变大的缘故 上图表示不同厚度的吸收体对X线能谱的影响 从A到D 厚度依次增加 X线束相对强度不断地减弱 能谱组成也不断地变化 低能成分减弱很快 高能成分的比率不断增加 X线的能谱宽度 光子能量范围 逐渐变窄 可以利用X线的这种衰减特点来调节X线的质与量 X线管电压的峰值决定X线束的光子最大能量 可用滤过的方法 使其线束平均能量接近最大能量 可见 X线管的激发电压与滤过条件是决定X线束线质的重要条件 四 影响X线衰减的因素 一 射线性质对衰减的影响 二 物质原子序数对衰减的影响 三 物质密度对衰减的影响 四 每克电子数对衰减的影响 P57 五 X线的滤过 一 软X线的产生及对人体的影响软X线是有连续辐射产生的 连续辐射产生的X线既有波长短的硬X线 也包含波长长的软X线 软X线通过人体时 绝大部分低能成分都被皮肤和表浅几厘米的组织吸收 不能透过人体 对X线影像形成不起任何作用 但却大大增加了被检者的皮肤照射量 为了获得最佳影像质量 同时尽量减少无用的低能光子对人体皮肤和表浅组织的伤害 就需要根据连续X线在物质中的衰减规律 采用恰当的滤过措施 将X线的平均能量提高 这种过程就是所谓滤过 所用的金属片叫滤过板 X线的滤过分为固有滤过和附加滤过两部分 二 固有滤过X线管内部本身的滤过称固有滤过 它包括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 固有滤过一般都用铝当量表示 所谓铝当量 mmAl 是指一定厚度的铝板与其他滤过材料相比较 对X线具有相同的衰减效果 则此铝板厚度 mm 就是该滤过材料的铝当量 一般诊断X线机的固有滤过在0 5 2mmAl 个别特殊情况需要使用低滤过x线 如软组织特别是女性乳房的X线摄影和表层放射治疗 需要小的固有滤过 采用铍窗口代替玻璃窗口 因为铍的原子序数 z 4 低 它比玻璃窗口能透过更多的低能射线 三 附加滤过附加滤过包括用工具可拆卸的附加滤过板 可选择的附加滤过板 遮光器中反光镜和有机玻璃窗的滤过等 1 滤过板材料的选择理想的滤过板应把一切无用的低能成分吸收掉 而让有用的高能成分全部透过 实际上没有这样的物质 但我们可以选择某种物质使它通过光电作用能大量地吸收低能成分 而高能成分通过时仅有极微量的康普顿散射吸收和光电效应吸收 绝大部分高能射线可通过 在x线诊断中通常都用铝和铜作滤过板 铝的原子序数是13 对低能射线是很好的滤过物质 铜的原子序数是29 对高能射线是很好的滤过物质 铜不能单独作滤过板 它经常和铝结合为复合滤过板 一个复合滤过板可以包括两层或更多层的不同物质 在使用时高原子序数的铜要面向x线管 低原子序数的一层铝面向被检者 这是因为光电作用在铜内能产生8keV的特征辐射 这种射线能增加被检的皮肤照射量 可用铝层把它吸收掉 至于铝的特征辐射只有1 5keV 空气即把它全部吸收 2 滤过板的厚度的选择及意义滤过板厚度的增加 低能射线迅速衰减 但高能射线衰减缓慢 在实际工作中采用多厚的滤过板 应根据具体检查类型考虑管电压和滤过板厚度的适当组合 一般X线机的复合滤过相当于2 3毫米的铝 高千伏摄影时 一定要采用厚滤过 使用低滤过而进行高千伏摄影 对受检者是十分有害的 只要能达到诊断目的 就应采用高电压 厚滤过技术 滤过板厚度选择的意义 使用3mm的铝滤过 就可使受检者皮肤照射量下降80 3 滤过板性质与曝光量的关系滤过板可有选择地大量吸收低能量光子 但对高能成分也有一定衰减 尤其是采用了较厚和较高原子序数的滤过板 为此 在x线摄影中一般采用适当增加mAs的办法来解决 实验表明采用高千伏 厚滤过摄影虽然mAs增加了 但受照剂量却大幅度降低了 六 诊断放射学中x线的衰减x线影像是人体的不同组织对射线不同衰减的结果 人体内除少量的钙 磷等中等原子序数的物质外 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 P04 2组成的门牙 吸收x线最少的是充满气体的肺 人体骨骼由胶体蛋白和钙质组成 其中钙质占50 60 软组织内水占75 蛋白质 脂肪及糖类占23 其余2 是K Na Cl Fe等元素 实验证明 当光电吸收为主时 被检体的线衰减系数与x线光子的波长成正比 与有效原子序数Z4成正比 还与组织密度 成正比 即 K 3Z4 式中K是一个比例系数 有效原子序数 指在相同照射条件下 lkg复杂物质与lkg单质所吸收的辐射能相同时 则此单质的原子序数就称为复杂物质的有效原子序数 人体各组织器官的密度 有效原子序数和厚度不同 对x线的衰减程度各异 一般按骨骼 肌肉 脂肪和空气的顺序由大变小 第五章X线剂量与测量第一节X线常用的辐射量和单位一 照射量 照射量率和单位 一 照射量照射量定义x射线的光子在单位质量空气中产生出来的所有次级电子 当它们完全被空气所阻止时 在空气中所形成的任何一种符号离子的总电荷量的绝对值 照射量的SI单位为库仑 千克 1 c kg 1 没有专用名称 仍在沿用的照射量的专用单位为伦琴 用符号R表示 1R 2 58 10 4C Kg 1 二 照射量率单位时间内照射量的增量称为照射量率 照射量率的SI单位为库仑 千克 1 秒 1 C Kg 1S 1 例 二 比释动能 比释动能率及单位 一 比释动能比释动能是指间接致辐射 X线光子 与物质相互作用时 在单位质量物质中由间接致辐射 X线光子 所产生的全部带电粒子的初始动能之总和 单位 比释动能的SI单位是焦耳 千克 1 J Kg 1 又名 戈瑞 简称 戈 以 Gy 记之 以此纪念为测量吸收剂量而奠定空腔电离理论基础的科学家H Gray lGy 1JKg 1毫戈端 mGy 微戈瑞 Gy 等 其间关系为 1Gy 1000mGy 1000000 Gy 二 比释动能率间接致电离辐射在单位时间内 在介质中产生的比释动能称为比释动能率 比释动能率的SI单位是戈瑞或其倍数 分倍数除以适当的时间单位而得的商 如戈 秒 1 Gy S 1 毫戈 时 1 mGy h 1 等 三 吸收剂量 吸收剂量率及单位 一 吸收剂量辐射所授予单位质量介质中的平均能量定义为吸收剂量 它表示进入介质的全部带电粒子和不带电粒子能量的总和 与离开该体积的全部带电粒子和不带电粒子能量总和之差 再减去在该体积内发生任何核反应所增加的静止质量的等效能量 对于医用X线 吸收剂量表示进入介质的全部带电粒子和不带电粒子能量的总和 与离开该体积的全部带电粒子和不带电粒子能量总和之差 授予某一体积内物质的平均能量愈多 则吸收剂量愈大 不同物质吸收辐射能的本领是不同的 因此讨论吸收剂量 必须说明是什么物质的吸收剂量 单位 Gy 二 吸收剂量率吸收剂量率表示单位时间内吸收剂量的增量 其SI单位用焦耳 千克 1 秒 1 J kg 1 S 1 表示 其专名为戈 秒 1 Gy S 1 吸收剂量率的单位亦可用戈或其倍数其分倍数除以适当的时间而得的商表示 如毫戈 时 1 mGy h 1 戈 时 1 Gy h 1 戈 分 1 Gy min 1 等 四 当量剂量 当量剂量率及单位 一 当量剂量尽管吸收剂量可以用来说明生物体所受照射时吸收的射线能量 但被吸收的辐射剂量与引起某些已知的生物效应的危险性往往不能等效 这是因为当辐射类型与其他条件发生变化时 某一生物辐射效应与吸收剂量之间的关系也随之改变 因此 必须对吸收剂量进行加权 使修正后的吸收剂量比单纯的吸收剂量能更好地与辐射所致有害效应的几率或严重程度相联系 在辐射防护中 将个人或集体实际接受的或可能接受的吸收剂量根据组织生物效应加权修正 经修正后的吸收剂量在放射防护中称为当量剂量 当量剂量 平均吸收剂量 辐射权重因子 P87 单位 即焦尔 千克 1 J kg 1 其专名是希沃特 Sv 1Sv lJ kg 1例 P87 五 有效剂量有效剂量是以辐射诱发的随机性效应的发生率为基础 表示当身体各部分受到不同程度照射时 对人体造成的总的随机性辐射损伤 辐射对人体的损害采用国际放射防护委员会 ICRP 的划分标准 受小剂量 低剂量率辐射的人群 引起的辐射损害主要是随机性效应 严重遗传性疾患和辐射诱发的各种致死癌症 而且假定随机性效应发生的几率与剂量存在着线性无阈的关系 并用危险度因子来评价辐射引起的随机性效应的危险程度 危险度及危险度权重因子危险度或称危险度系数 是指器官或组织接受单位当量剂量 1Sv 照射引起随机性损害效应的几率 从P88表可见均为lSv当量剂量 对于不同的器官和组织 辐射效应的危险度是不同的 为了表征不同器官和组织在受到相同当量剂量情况下 对人体导致有害效应的严重程度的差异 引进了一个表示相对危险度的权重因子 即 组织T接受1Sv时的危险度危险度权重因子 全身均匀受照lSv时的总危险度不同组织或器官 其危险度权重因子不同 P88表 第二节放射线的测量一 照射量的测量 一 标准电离室 自由空气电离室 二 实用电离室 二 吸收剂量的测量对医学和辐射防护学有意义的量是物质中某点的吸收剂量 根据其定义 若需测定物质中某点的吸收剂量 则需测量射线在介质中该点沉积的能量的大小 但直接测量射线在该点沉积的能量非常困难 所以通常情况下利用探头取代该点为中心的一小块物质 用该探头测量物质中该点吸收射线能量后产生的理化变化 间接反映该点吸收的射线能量 并经过适当校准 刻度后再给出该点吸收剂量大小 因此选用的探头应该足够小 使它的引入尽量减弱对原辐射场分布的干扰 吸收剂量的基本测量法有量热法 电离室测量法 热释光测量法 胶片剂量测定法 半导体剂量仪测定法等 一 电离室测量法1 空气中吸收剂量对于X线 在空气中最容易测得的是照射量 如在空气中已测知某点的照射量为X 那么 根据计算 这一点的空气吸收剂量为 某点的空气吸收剂量 33 73x某点的照射量 Gy 2 任意介质中的吸收剂量P98的f值为照射量 吸收剂量转换系数 或称照射量 吸收剂量转换因子 它是把照射量转换成吸收剂量的一个系数 P97 98例一 二 二 热释光测量元件及剂量读出装置热释光剂量仪一般由热释光测量单元 热释光剂量片及其读出装置构成 热释光剂量片以氟化锂 LiF 材料最为常见 它是具有晶格结构的固体粉末 根据测量要求可制成各种形状 原理 带电中心吸引自由电子剂量片吸收的辐射能量越多 束缚于带电中心的电子数目则愈多 当对热释光剂量片加热时 会使带电中心束缚的价电子脱离吸引重新变为自由电子 同时释放出能量 该能量以可见光形式释放出来 发光强度与束缚中心释放的电子数成正比 而电子数又与物质吸收辐射能量有关 经过适当标定 则可以测量剂量片所在位置吸收剂量 热释光剂量片测量装置 是用来读出剂量片所存贮的辐射能量的装置 被照射过的热释光元件 放入热释光测读仪的加热单元中加热 元件受热发光 经滤光后照射到光电倍增管上 并将其转化为电流信号 经电流 频率转换后 以脉冲频率形式输送给计数系统 用以打印记录 高温退火 热释光剂量元件经加热后 其贮存的能量信息会全部释放 因此它不能重复读数 但是热释光剂量元件可以重复使用 用高温退火炉对元件加温后 其因受到射线照射后进入带电中心陷井中的电子全部逸出 恢复辐射之前的状态 热释光剂量计由于其灵敏度高 量程范围宽 体积小 重量轻 携带方便 材料来源丰富 得以广泛应用于个人剂量监测以及辐射场所和环境监测 与空气电离室相比较 半导体剂量仪有极高的灵敏度 比空气电离室灵敏数万倍 探头体积很小 目前半导体剂量仪广泛应用于病人治疗过程的剂量监测以及测量体模内剂量分布 同其他剂量仪一样 半导体使用过程中也受到许多因素的影响 如环境温度 照射野大小 能量以及脉冲式辐射场中剂量率的影响 三 胶片剂量测定法 四 半导体剂量仪根据半导体理论 在两种导电类型半导体材料结合在一起时 在其结合部会形成一个空间电荷区 它的作用犹如两个电极之间绝缘层 当射线照射到空间电荷区时 会产生电离 从而产生带电粒子 带电粒子在空间电场作用下向两极移动 在外电路形成电离电流 电离电流的大小正比于入射辐射的强度 因此 半导体探测器很类似于空气电离室工作原理 由此 有人称半导体探测器为 固体电离室 第三节射线质的测定一 400kV以下x线质的测定对低能x线其穿透能力的大小一般用半价层来表示 所谓半价层是使原射线强度衰减一半所需要的某种匀质吸收材料的厚度 半价层也称半值层 半值厚度 半价层的值越大 射线的穿透本领越强 根据半价层的定义 可以用实验方法来测定x线的半价层 测定半价层时应注意 测定的半价层必须针对直接用于治疗的x线 也就是说要明确所使用的管电压 滤过板条件 测量装置的几何安置 尽管管电压相同 若滤过板不同 半价层也不一样 二 高能x线能量的测定医用直线加速器加速电子到同一额定能量产生的医用高能x线 由于实际电子能量及滤过情况不同 会存在很大差异 从加速器射出的高能x线也是一个连续谱 通常采用水体模中1 2最大剂量深度 也称半值深度 用HVD表示 法 即用水体模中射线中心轴上50 剂量深度来确定x线的质 半值深度与高能射线的平均能量的关系如表7 4 P102 放射线对人体的影响人类受到照射的辐射源主要有两类 天然辐射源和人工辐射源 地球上的人类 每时每刻都受到天然存在的各种电离辐射的照射 这种照射统称为天然本底照射 天然本底照射是人类受到电离辐射的最主要的来源 人工辐射主要包括医疗照射 核爆炸和核动力生产 核爆炸在大气层中形成人工放射性物质 使环境受到广泛的污染 核能发电等核动力生产中产生的放射性核素 绝大部分存留于受照过的核燃料中 核燃料循环运行的每个环节都会有放射性物质被释放于环境中 医疗照射来源于x线诊断检查 核医学诊断以及放射治疗 第一节放射线在医学上的应用 第二节放射线产生的生物效应放射线引起的生物效应是一个非常复杂的过程 射线作用于机体后 以直接作用和间接作用两种方式使细胞分子发生反应 造成其损伤 直接作用 当人体组织受到射线照射时 处在射线经迹中的重要生物分子 如脱氧核糖核酸 DNA 或具有生物功能的其他分子吸收射线的能量 直接被电离 激发 引起这些大分子损伤 这种效应称为直接作用 间接作用 而当射线能量通过扩散的离子以及射线作用于机体水分子产生的多种自由基与生物分子作用 引起生物分子的损伤 称为间接作用 由于机体细胞的含水量很高 一般达到70 以上 细胞内生物大分子存在于含大量水的环境中 故间接作用在引起生物大分子损伤中具有实际意义 自由基 Freeradicals 自由基是指能够独立存在且含有一个或一个以上不配对电子的任何原子 分子 离子或原子团 自由基由于具有未配对电子 故易与其他电子配对成键 且具有很高的反应活性 不稳定性和顺磁性等特点 生物体是由各种物质的分子所组成 除生物大分子 如蛋白质 核酸等 和无机分子外 水分子约占生物体重的70 电离辐射作用于机体的生物大分子 也主要是作用于水分子 水的电离和激发产生的活性产物即为自由基 如氢自由基和氧自由基 自由基对生物体的损伤作用 自由基对DNA和生物膜有损伤作用 按照现代放射生物学观点 DNA 或基因组 和膜 特别是核膜 是受照细胞中的主要靶子 是引起细胞一系列生化变化的关键 染色体畸变是DNA损伤结果 蛋白质和酶的辐射效应以及一些重要代谢的紊乱 均为引起机体生理和病理变化的重要因素 在射线引起上述一系列损伤的同时 机体在一定范围内也进行着反馈调节 修补和修复 试图减轻和改变这些损伤 这两种相反过程的消长和变化 决定着细胞的存活 死亡 老化和癌变 ICRPl990年建议书 60号出版物 将辐射生物效应分为确定性效应和随机性效应两类 一 确定性效应射线照射人体全部或局部组织 若能杀死相当数量的细胞而这些细胞又不能由活细胞的增殖来补充 则这种照射可引起人类的确定性效应 由此引起的细胞丢失可在组织或器官中产生临床上可检查出的严重功能性损伤 由此可以预计 确定性效应的严重程度与剂量有关 而且存在一个阈剂量 低于阈剂量时 因被杀死的细胞较少 不会引起组织或器官的可检查到的功能性损伤 在健康人中引起的损害概率为零 随着剂量的增大 被杀死的细胞增加 当剂量增加到一定水平时 其概率陡然上升到100 这个剂量称为阈剂量 超过阈剂量后 损害的严重程度随剂量的增加而增加 即受影响的细胞愈多 功能丧失愈严重 二 随机性效应指电离辐射造成机体的损伤是随机发生的而不是确定发生的 随机性效应无剂量阈值 其有害效应的严重程度与受照剂量的大小没有十分明确的无关 随机性效应又分成两种 即致癌效应和遗传效应 致癌效应 当电离辐射使细胞发生了改变而未被杀死 改变了但存活着的体细胞繁殖出来的细胞克隆 经过长短不一的潜伏期后 可能呈现一种恶变的情况 即发生癌变称为致癌效应 由辐射引起癌的概率通常随剂量的增加而增大 很可能不存在阈剂量 而且这种概率大致正比于剂量 癌的严重程度不受剂量的影响 遗传效应 如果辐射损伤发生在其功能是传递遗传信息给后代遗传细胞 那么 结果发生的效应 在种类与严重程度上可以多种多样 将显现在受照射者的后代身上 称为遗传效应 三 胎儿出生前受照效应 既有确定性效应 也有随机性效应 1 胚胎死亡2 畸形3 智力低下4 诱发癌症 四 皮肤效应 既有确定性效应 也有随机性效应 在受照的皮肤上 电离辐射即可引起确定性效应 如 急 慢性放射性皮肤损伤 也可诱发癌症 而在皮肤的辐射防护中 两者均需考虑 1 急性放射性皮肤损伤2 慢性放射性皮肤损伤3 放射性皮肤癌 五 影响放射损伤的因素 一 与电离辐射有关的因素1 辐射种类和能量2 吸收剂量3 剂量率4 分次照射5 照射部位6 照射面积7 照射方式 二 与机体有关的因素1 种系2 个体及个体发育过程 3 不同组织和细胞的辐射敏感性高度敏感组织 淋巴组织 胸腺 骨髓 胃肠上皮 性腺和胚胎组织等 中度敏感组织 感觉器官 内皮细胞 皮肤上皮 唾液腺和肾 肝 肺的上皮细胞等 轻度敏感组织 中枢神经系统 内分泌腺 心脏等 不敏感组织 肌肉组织 软骨 骨组织和结缔组织等 三 环境因素环境因素也会影响辐射生物效应 在低温 缺氧的情况下 可以减轻生物效应 另外 受照者的年龄 性别 健康情况 营养情况以及精神状态等不同 引起的生物效应也不同 第七章放射防护法规与标准随着科技的进步和社会的发展 放射性核素与射线装置作为先进科学技术已广泛应用于工业 农业 医药卫生 文化科技等各个领域 由于放射性核素与射线的固有特性决定了它既能造福人类 也有可能对人体健康带来危害 为了保障放射工作人员和公众的健康与安全 保护环境 促进射线和核技术的应用 我国相应颁布了安全应用放射性核素和射线装置的放射防护法规 及限制电离辐射危害的技术标准 放射防护法规是放射卫生防护机构执法监督的法律依据 同时也是放射防护标准制定的依据 并赋予相应标准以法律效力 放射防护标准是开展放射防护监督与评价的科学依据 第一节放射防护法规第二节放射防护标准 第三节放射防护标准介绍一 放射防护的基本原则 一 实践的正当化 对于辐射照射的实践 只要当它对受照个人或社会能产生的利益大于它所引起的辐射危害时 该实践才的正当的 否则就不得采用 盲目的 对病情诊断价值不大或单纯为增加经济收入的x线检查都是不正当的 医疗照射的正当性判断实际上要靠医学放射工作人员和有关各科临床医师具体掌握 首先掌握好适应证 正确合理使用x线诊断的医疗照射 尽量避免不必要的重复检查 尤其要慎重进行妇女与儿童施行x线诊断检查的正当性判断 确认照射检查对受检者的病情诊治和健康有好处 也就是得到的效益明显大于付出的全部代价时 所进行的放射性工作就是正当的 是值得进行的 二 放射防护最优化 对一项实践中的任一特定的源 个人剂量的大小 受照的人数 以及在不是肯定受到照射的情形下其发生的可能程度 在考虑了经济和社会因素后 应当全部保持在可以合理做到的尽量低的程度 这一程序应当受到限制个人剂量的约束 对潜在照射应当受到限制个人危险的约束 医疗照射的防护最优化必须从软 硬件两方面去抓 放射源即设备要首先考虑 同时考虑防护设施的完善程度 防护措施的合理程度 工作人员的职业道德水平等等 三 个人剂量的限制 个人受到的所有有关实践产生的照射 应当遵守剂量限值 受检者与患者所受医疗照射的防护要按照正当性和防护最优化原则 在放射诊断和治疗过程中 不产生过高的个体照射量 保证个人所受的放射性剂量不超过规定的相应限值 个人剂量的限制是强制性的 必须严格遵守 各种规定的个人剂量限值是不可接受的剂量范围的下界 而不是可以允许接受的剂量上限 即使个人所受剂量没有超过规定的相应的剂量当量限值 也要按照最优化原则考虑是否要进一步降低剂量 需要进行剂量限制的照射分为三类 1 工作引起的职业照射2 治疗和诊断所需接受的医疗照射3 其他原因的公众照射 二 个人剂量限制1 放射工作人员的剂量限值 对职业人员 要求连续5年内的有效剂量限值总量应为100mSv 平均每年20mSv 并且任何一年不超过50mSv 且一年中眼晶状体所受的当量剂量应小于150mSv 皮肤和四肢小于500mSv 对年龄在16 18岁的少年 年有效剂量为6mSv 眼晶状体的年当量剂量限值为50mSv 四肢和皮肤为150mSv 妇女职业照射 未孕的女职业者的剂量限值同男职业者 但对怀孕或可能怀孕的女职业者 需考虑保护母亲腹中的胎儿 因此 对可能怀孕的职业妇女在工作中的防护 应达到对胎儿提供大致相当于公众成员的防护标准 2 医学照射的剂量限值 医疗照射通常是意图给受照个人以直接利益 如果此项实践具有正当性 而且防护是最优化的 患者的剂量将会是符合医学目的尽量低的水平 所以ICRP建议不应对医疗照射施用限值 孕妇的医疗照射 对于可能已怀孕的妇女 除非临床上有强有