X(γ)射线射线在物质中的衰减规律

X 射线在物质中的衰减 X线的衰减规律 X线强度的衰减 包括距离与物质所致的衰减 距离引起衰减 从X线管焦点发出的X线向空间各个方向辐射 在以焦点为中心而半径不同的球面上的X线强度与距离 即半径 的平方成反比 叫X线强度衰减的平方反比法则 该定律只在真空中成立 在空气中由于气体的吸收严格说是不成立的 但由于空气引起的衰减很少 在一般摄影中可忽略不计 故在一般摄影中 可通过改变X射线管焦点到胶片的距离来调节X射线的强度 物质引起衰减 X线通过物质时 由于X线光子与构成物质的原子发生相互作用而产生光电效应 康普顿效应和电子对效应等 在此过程中由于散射和吸收使X线强度衰减 性质和厚度有关 而且还取决于辐射自身的性质 X射线强度在物质中的衰减规律是X射线摄影 透视及X CT检查的基本依据 同时也是屏蔽防护设计的理论根据 Themaincontents 概述单能窄束X线的衰减规律单能宽束X线的衰减规律连续X线的衰减规律X线通过人体的衰减规律影响X线衰减的因素 Havearest 概述 线衰减系数质量衰减系数 质能转移及质能吸收系数混合物和化合物质量衰减与质能吸收系数 一 线性衰减系数 K 一 线性衰减系数 当吸收体不存在时 K点辐射强度为I0在辐射源和探测器之间放置厚度为 X的很薄一层物质 由于吸收和散射K点的辐射强度变为I 强度改变I I0 I 表示强度的衰减 用不同的吸收体 不同能量的射线进行测量时 I I0 X辐射在穿过薄吸收层时 辐射强度的衰减与物质层的厚度及辐射的I0成正比 同时与线性衰减系数 的数值有关 随辐射束中光子能量的增加而减小 一 线性衰减系数 表示X线穿过单位厚度的物质层时强度减少的百分数值 其SI单位m 1 近似正比于吸收物质的密度 随材料的物理状态变化 为避开同吸收物质密度的相关性而便于使用 通常采用质量衰减系数 二 质量衰减 质能转移及质能吸收系数 dx表示面积为1m2 厚度为dx的立方体所包含物质层的质量 称为质量厚度 SI单位 kg m 2 若为1称为单位质量厚度 表示在1m2面积上均匀分布1kg质量吸收物质层的厚度值 二 质量衰减 质能转移及质能吸收系数 表示X线在穿过质量厚度为1kg m 2的物质层后X线强度减少的分数值 质量衰减系数用 m表示 SI单位 m2 kg 1 二 质量衰减 质能转移及质能吸收系数 m优点 不受吸收物质的密度和物理状态的影响 如水 冰和水蒸汽 虽然它们的密度和物理状态不同 但它们的 m都一样 质量厚度 lkg m 2 的水 冰和水汽对X线都有同等量的衰减 m K 3Z4 愈短 X线衰减愈少 穿透本领愈强 Z愈高 X线衰减愈大 二 质量衰减 质能转移及质能吸收系数 质量衰减系数X线在物质中可发生各种相互作用 相互作用的光子数可用发生相互作用的几率来表示 线性衰减系数 是入射光子在物质中穿行单位距离时 平均发生总的相互作用的几率 c coh k 为光电线性衰减系数 c为康普顿线性衰减系数 coh为相干散射线性衰减系数 k为电子对效应线性衰减系数 二 质量衰减 质能转移及质能吸收系数质量衰减系数 总的质量衰减系数等于各相互作用过程的质量衰减系数的和 至于每一项在总衰减系数中所占的比例 随光子能量和吸收物质Z而变化 质量衰减系数 二 质量衰减 质能转移及质能吸收系数2 质能转移系数 在X线与物质的三个主要作用过程中 X线光子能量都有一部分转化为电子 光电子 反冲电子及正负电子对 的动能 另一部分则被 些次级光子 特征X线 康普顿散射及湮灭辐射 带走 总的衰减系数可表示为两部分的和 即 tr s trX线光子能量的电子转移部分 sX线光子能量的辐射转移部分 二 质量衰减 质能转移及质能吸收系数2 质能转移系数 物质中吸收的就是电子转移部分能量 X线能量的电子转移部分 tr tr tr ktr tr为线性能量转移系数 表示X线光子在物质中穿行单位长度距离时 由于各种相互作用 能量转移给电子的份额 tr的SI单位是m 1 tr tr ktr分别为光电效应 康普顿效应和电子对效应过程中光子能量转移为电子能量的线能量转移系数 设光子的能量为h 其中转移给带电粒子的动能的部分为Etr 则 tr和 的关系可表示为 二 质量衰减 质能转移及质能吸收系数2 质能转移系数 质能转移系数为 质能转移系数表示X线在物质中穿行质量厚度为1kg m 2时 因相互作用其能量转移给电子的份额 tr 的SI单位是m2 kg 1 二 质量衰减 质能转移及质能吸收系数3 质能吸收系数 光子与物质相互作用过程中转移给次级电子的能量 有一部分是通过轫致辐射损失掉 真正被物质吸收的能量等于光子转移给次级电子的能量减去因轫致辐射损失的能量 en tr 1 g g表示能量变为轫致辐射的份额 随吸收体原子序数的增加而增大 当次级电子能量在MeV以下时 g常忽略不计 en为线性能量吸收系数 表示X线在物质中穿行单位长度时 能量真正被物质吸收的份额 二 质量衰减 质能转移及质能吸收系数3 质能吸收系数 en 叫做质能吸收系数 SI单位是m2 kg 1 在计算X线吸收剂量及研制各种X线剂量仪时 经常用到质能吸收系数 碳的能量转移 能量吸收 二 质量衰减 质能转移及质能吸收系数 质量衰减系数 表示入射X线与物质相互作用的总几率 是所有可能发生的相互作用的几率之和 发生相干散射或其它弹性碰撞时 光子能量既不被吸收 也不转移给带电粒子 它的能量全部给了散射光子 在光电效应 康普顿散射 电子对产生和光核反应 光子与原子核作用发生的核反应 等过程中 部分能量被次级光子带走 其余部分转移给带电粒子 二 质量衰减 质能转移及质能吸收系数 质能转移系数 tr 表示这些过程中光子能量转移给带电粒子的总和 因光核反应及其它过程的发生几率很小 带电粒子的能量主要来自光电效应 康普顿散射 电子对效应 传递给带电粒子的能量 其中又有一部分转移给轫致辐射 质能吸收系数 en 表示扣除轫致辐射能量后 光子交给带电粒子的能量中用于造成电离 激发 真正被物质吸收的那部分能量所占的份额 一 单能窄束X线的衰减规律 X线通过一定厚度的物质层时 有些光子与物质发生了相互作用 有些则没有 光电效应和电子对效应 则光子被物质吸收 康普顿效应 则光子被散射 散射光子也可能穿过物质层 穿过物质层的X线光子 a 原射线束中的光子 能量和方向均未变化 即高能成分b 散射光子 能量和方向都发生改变 窄束X线及其指数衰减规律 单能辐射 由相同能量的光子组成的辐射 窄束X线 是指不包括散射成分的射线束 通过物质层后的X线光子 仅由未经相互作用或称为未经碰撞的原射线光子所组成 窄束 是指物理意义上的 窄束 即使射线束有一定宽度 只要其中没有散射光子 就可称之为 窄束 窄束X线及其指数衰减规律 单能窄束X线的指数衰减规律 I I0e xI0 I分别为X线入射到物体表面时的强度和到达厚度为x处的强度 x为吸收物质厚度 单位为m 还可表示成 I I0e mxmxm X 为质量厚度 单位为kg m 2 上两式只适用于单能窄束辐射 窄束X线及其指数衰减规律 a 不论吸收体多厚辐射强度不能降低为0 b 直线的斜率就是线性衰减系数值 HVL halfvaluelayer X射线强度衰减到其初始值一半时所需某种物质的衰减厚度定义为半价层 HVL 它与线性衰减系数的关系可表示为 与线性衰减系数的意义一样 HVL亦是X射线光子能量和衰减物质材料的函数 当指明衰减材料后 HVL表示该种物质对X射线光子的衰减能力 窄束X线及其指数衰减规律 窄束X线及其指数衰减规律 单能窄束X线在通过物质时只有光子个数的减少 无光子能量的变化 其指数衰减规律就是射线强度在物质层中都以相同的比率衰减 很厚的吸收物质层 仍可能有一定强度的射线透过 不可能完全被吸收 二 宽束X线的衰减规律 把图2 29中的两个准直器去掉后 在屏蔽层中发生散射的光子 可能穿过屏蔽层到达探测器 这是宽束的情况 一 宽束X线的衰减规律 实际上射线多为宽束辐射 而真正窄束的情况极少 宽束与窄束的主要区别在于散射线的影响 宽束情况下 散射光子经过一次或多次散射仍可到达探测器而被记录 若用窄束的衰减规律来处理宽束的问题 将会过高估计吸收体的减弱能力 对屏蔽是不安全的 用质能吸收系数代替质量衰减系数计算宽束的衰减 对防护是安全的 一 宽束X线的衰减规律 宽束的衰减规律比较复杂 与吸收物质厚度的关系在半对数坐标中不是直线 而出现弯曲 计算屏蔽体厚度时 在窄束的指数衰减规律上加入积累因子B修正I BI0e x积累因子是描述散射光子影响的物理量 反映了宽束与窄束的差别 二 积累因子 积累因子B可表示为物质中所考虑的那一点的光子总计数率与未经碰撞的原射线光子计数率之比 即 Nn为物质中未经碰撞的原射线光子的计数率 Ns为在物质中散射光子的计数率 N为在物质中光子的总计数率 N Ns Nn 二 积累因子 物理意义 其大小反映了散射光子数对总光子数的贡献 B大于1 在理想的窄束条件下 Ns 0 B 1 积累因子的大小与吸收体的厚度 原子序数和几何条件 以及源与吸收体和考虑点之间的相对位置 X射线光子的能量等因素有关 对于积累因子可以通过近似计算法求得 不同的辐射量有不同的积累因子 三 连续X线的衰减规律 连续X线在均匀物质中的衰减X线滤过 固有滤过 附加滤过 连续X线在非均匀物质中的衰减 一 连续X线的衰减特点 一般X线束具有连续分布的能谱 当它穿过一定厚度的物质层时 各能谱成分的衰减速率并不一样 它不遵守单一的指数衰减规律 连续X线束的衰减规律比单能射线复杂得多 虽然也用半价层来描述X线的质 但在屏蔽设计中 不能简单地套用与此半价层相应的单能射线的衰减结果 一 连续X线的衰减特点 理论上连续能谱窄束X射线的衰减可这样描述 一 连续X线的衰减特点 连续能谱的X线束是从某一最小值到某一最大值之间的各种能量的光子组成的混合射线 其平均能量一般在最高能量的1 3到1 2之间 如最高能量为100keV的连续X线其平均能量在40keV左右 但由于滤过的不同可能有些变化 一 连续X线的衰减特点 100KeV 一 连续X线的衰减特点 吸收物质厚度增加 X线的总强度不断衰减 其能谱组成也不断变化 低能成分衰减得快 愈到后来高能成分愈多 X线能谱变窄 提高了X线的平均能量 一 连续X线的衰减特点 管电压的峰值决定了X线束的最大光子能量 重复滤过的X线束 其平均能量只能愈加趋近与管电压对应的最大值 X线管的激发电压与出线口处的滤过条件 是决定X线管所发射X线束线质的重要条件 二 X线滤过 诊断用X线是连续能谱混合射线 通过人体时 绝大部分低能成分都被皮肤和浅表组织吸收 大大增加了被检者的皮肤照射量 防护措施 为保护被检者 尽量减少无用的低能光子对人体皮肤的伤害 所以要在X线管出线口处放置滤过板 用一定均匀厚度的金属片制成 把X线束中的低能成分吸收掉 将X线的平均能量提高 二 X线滤过 1 固有滤过 指X线机设备本身的滤过 即从X线管阳极靶面到不可拆卸的滤过板之间滤过的总和 包括X线管的管壁 绝缘油层 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 X线滤过示意图 二 X线滤过 铝当量 指一定厚度的铝板和一定厚度的其它物质对X线具有同等量的衰减时 则此铝板厚度即称为滤过物质的铝当量 典型诊断X线管组装体的固有滤过的变化一般在0 5 2 0mm铝当量之间 其中主要是玻璃管壁的吸收 1 固有滤过 2 5典型诊断X线管组装体的固有滤过衰减物质厚度 mm 铝当量 mm 玻璃壁1 400 78绝缘油层2 360 07胶木窗口1 020 05总计0 90 1 固有滤过 个别特殊情况需要使用没有经过滤过的射线 因为滤过虽然能提高X线的平均能量 但它却能降低组织的对比度 在软组织摄影中 使用低能射线 30kV 时 若降低对比度就会影响照片质量 铍窗口是为产生低滤过设计的 把X线管出线口的玻璃壁换上铍 Z 4 它比玻璃能透过更多的低能射线 这种窗口具有最小的固有滤过 最适合软组织照像 特别是乳腺摄影 二 X线滤过 2 附加滤过X线离开出线口后 从不可拆卸的滤过板到诊视床床面板之间 包括用工具可拆卸的滤过板 选择滤过板 遮线器及诊视床床板等滤过的总和称为附加滤过 总滤过 固有滤过与附加滤过的总和 2附加滤过 2 附加滤过 理想滤过物质把一切无用的低能成分吸收 有用的高能成分全部透过 选择某种物质 它通过光电作用能大量地吸收低能成分 高能成分通过时仅有极微量的康普顿散射 绝大部分高能射线都能通过 X线诊断中常选用铝 A1 和铜 Cu 作滤过板 铝原子序数是13 对低能射线是很好的滤过物质 铜原子序数是29 对高能射线是很好的滤过物质 2 附加滤过 一般诊断中是用单一的铝作滤过板 铜不能单独作滤过板 它经常和铝结合为复合滤过板 使用时高原子序数的铜要面向X线管 低原子序数的铝要面向被检者 因为光电作用在铜内能产生8keV的特征辐射 这种射线增加被检者的皮肤照射量 用铝层把它吸收掉 铝的特征辐射只有1 5keV 可被空气吸收 2 附加滤过 1 滤过板的厚度国际上建议诊断X线的总滤过 固有滤过和附加滤过 电压50kVp以下 总滤过0 5mmAl 电压50 70kVp 总滤过1 5mmAl 电压70kVp以上 总滤过2 5mmAl 2 附加滤过 不同厚度的铝滤过板对不同能量的单能射线衰减的百分数光子能量光子衰减的百分数 keV 1mmAl2mmAl3mmAl10mmAl101001001001002058829210030244256934012233273508162257606121848805101439100481235 2 附加滤过 2 滤过板对被检者照射量的影响 实验证明滤过板对被检者有明显的防护作用 在60kVp的X线用18cm厚的骨盆模型实验时 用3mm的铝滤过板 可使被检者的照射量减少80 2 附加滤过 2 附加滤过 不同厚度的铝滤过板 对不同能量的X线在骨盆模型 18cm 上得到同等黑化度的照片所需要的照射时间铝滤过板60kVp 100mA130kVp 100mA mm 照射时间照射时间照射时间照射时间 s 增加 s 增加 无1 41 0 12 0 51 61140 1201 01 64170 1203 02 14520 120 2 附加滤过 3 滤过对照射条件的影响滤过板对低能光子大量吸收 对高能成分也有少量的衰减 补偿对高能射线的衰减 摄影中都采用增加照射时间办法解决 用不同厚度的铝滤过板 产生同等黑化度的照片 照射时间应增加 60kVp射线 3mm的铝滤过照射时间需增52 130kVp射线 增加滤过后不需增加照射时间 通常使用滤过板后虽然增加了照射时间 但被检者的受照剂量是大幅度减少 起到保护作用 连续X线在非均匀物质中的衰减 单能窄束X线在非均匀物质中的衰减连续窄束X线在非均匀物质中的衰减 混合物和化合物质量衰减与质能吸收系数 如果物质是混合物 其密度为 所含各元素的质量衰减系数分别为 l 2 各组成元素的重量百分比为 1 2 混合物总的质量衰减系数 用同样的形式可计算混合物的质能吸收系数 化合物的有效原子序数 化合物分子中各原子的化学结合能很小 可把化合物作为混合物来处理 研究混合物或化合物等复杂物质对X线的衰减规律时 经常用到有效原子序数 有效原子序数是指在相同的照射条件下 lkg复杂物质与1kg单质所吸收的辐射能相同时 此单质的原子序数就称为复杂物质的有效原子序数 化合物的有效原子序数 有效原子序数经验公式 近似式 ai是第i种元素原子在分子中的原子个数 化合物的有效原子序数 水的有效原子序数是Z水 7 42人体的软组织与水的有效原子序数相近 实验证明水和软组织对X线的吸收也非常一致 可用水作软组织的仿真模型 骨的有效原子序数是13 8 可用原子序数为13的铝代替作仿真模型 四 X线通过人体的衰减规律 X线束进入人体 一部分被吸收和散射 另一部分透过人体沿原方向传播 透过的X线按特定形式分布 形成了X线影像 透过的X线与衰减的X线同等重要 如果全部X线都透过 胶片呈现均匀黑色 没有任何影像 四 X线通过人体的衰减规律 如果所有X线都被衰减 胶片呈现一片白色 也没有X线影像 X线影像是人体的不同组织对射线不同衰减的结果 人体组织对X线的衰减按骨 肌肉 脂肪 空气的顺序由大变小 四 X线通过人体的衰减规律 有些组织比其它组织能衰减更多的射线 这种差别就形成了X线影像的对比度 为了增加组织间的对比度 常用各种人工造影检查 来扩大X线的诊断范围 愈大的物质 衰减X线愈多 骨对X线的衰减比水大 影像中骨在胶片上呈现灰白色 四 X线通过人体的衰减规律 衰减系数不仅与吸收物质的Z和密度有关 而且还与射线能量的三次方成反比 20keV低能射线 在不同组织中均以光电作用为主 这时骨的线性衰减系数 0 48m 1 是水的 0 078m 1 6倍 这样大的衰减差别在X线照片上呈现出强烈的对比 100keVX线照像 这时骨对X线的衰减仍比水大 差别仅0 6倍 影像的对比度明显降低 四 X线通过人体的衰减规律 随着射线能量的增加 散射作用占了绝对优势 光电作用仅占很少的份额 这时骨与水的衰减差别完全决定于密度的差别 射线能量从20keV到100keV X线的康普顿衰减系数仅减少20 X线的光电衰减系数减少了99 以上 用100keV的高能X线时 骨和水对X线的衰减差别几乎全部是由散射作用的数量不同造成 四 X线通过人体的衰减规律 四 X线通过人体的衰减规律 肌肉 42kV时光电作用与康普顿作用所占比例相等 90kV时 散射已占90 骨的Z较高 光电作用所占的面积近似等于肌肉中光电作用的2倍 在骨中 光电作用与散射作用所占比例相等的电压是73kV 五 影响X线衰减的因素 诊断用X线的能量范围内 只有光电作用 康普顿散射和相干散射三种作用形式 光子能量和Z对发生这些作用的几率都有直接影响 一 射线能量和原子序数 二 组织的密度 三 克电子数 五 影响X线衰减的因素 一 射线能量和原子序数表光电作用的百分数X线能量Z水 7 4Z骨 13 8ZNaI 49 8 keV 2065 89 94 607 31 95 1002 9 88 一 射线能量和原子序数 随着X线能量增加 光电作用的百分数下降 当Z增加时光电作用的百分数增加 20keV的低能X线 不论吸收物质的Z如何 主要是光电作用 高Z的吸收物质 NaI 在整个诊断X线的能量范围内主要都是光电作用 Z较低的水和骨 随射线能量的增加 康普顿散射占主要地位 一 射线能量和原子序数 1 射线能量对相互作用的类型有影响外 也对X线的衰减有直接影响 通过10cm的水 单能射线透过的百分数 1 射线能量 透过光子的百分数随射线能量的增加而增加 对低能光子 绝大部分通过光电作用被衰减 只有极少数光子透过 随着射线能量的增加 康普顿散射占了优势 透过光子的百分数仍然随射线能量的增加而增加 一般规律 不管哪一种基本作用占优势 都是射线的能量愈高 透过光子的百分数愈大 高Z的吸收物质并不完全遵守这个规律 一 射线能量和原子序数 2 原子序数对低Z物质 当射线能量增加时透过量增加 对高Z的吸收物质 射线能量增加时 透过量还可能下降 这种明显矛盾是因为当射线能量等于或稍大于吸收物质原子的K电子结合能时 光电作用发生突变 发生突变的这个能量值称为K吸收限 也可是L吸收限或M吸收限 2 原子序数 表2 10通过1mm铅 单能射线透过的百分数射线能量 keV 透过百分数 500 016600 40806 88812 0铅的K边界880 0261000 141500 96 2 原子序数 88keV是铅的K电子结合能 就是铅的K吸收限 入射光子能量稍小于K边界时 透过的光子数占12 但当射线能量等于或稍大于K吸收限时 透过量几乎突然下降到零 低原子序数物质在K吸收限上也有同样的情况 但由于K边界的能量太低 一般都在1keV以