放射物理讲义

放射物理学讲义,第一章原子物理基本概念,原子名称的表示AZX原子量A：用原子质量单位（amu）表示原子质量时为原子量1mu=126C原子核质量的1/12原子序数：原子核中质子数目原子的大小：10-10m量级原子核的大小：10-14m量级电子电荷量：e=1.6021910-19库仑同位素：质子数相同中子数不同的原子总称阿佛加德罗常数：每一克原子量所含原子数相同，为6.0231023克原子,第一章原子物理基本概念,原子结构壳层结构量子数：决定电子的运动状态主量子数n：取值1，2，3.,壳层分别为K，L，M，N，O，P，Q壳层，每个壳层最多可容纳的电子为2n2。轨道角动量量子数l：可取值0，1，2，3，依次对应次s,p,d,f,g,轨道方向量子数ml：取值范围-l,-l+1,.l-1,l。次壳最多可容纳2(2l+1)个电子自旋量子数s：电子的自旋为1/2自旋磁量子数ms：对电子可取值为1/2和-1/2,第一章原子物理基本概念,原子结构壳层结构能级：最外价层电子接受能量到高能轨道，该原子处于激发状态，从而形成有一定寿命的能级特征X射线：若原子激发发生在内壳层，如K，L.使电子离开原子而发射出去，形成内壳层空穴，瞬时被外壳层电子填充，导致辐射发生，产生特征X射线。束缚能：壳层电子束缚能（或结合能）由于壳层电子能级能量随主量子数n和轨道量子数l的增大而增大，并且是负值，轨道电子的结合能随n和1的增大而减小。对于同一能级，束缚能随原子序数增大而增加。,第一章原子物理基本概念,原子和原子核质量原子质量单位u1u=126C原子质量/12=1.660565510-27kg摩尔质量摩尔质量为相对原子质量，1摩尔物质的质量在数值上与相对对原子质量相等。126C的摩尔质量=12阿伏加德罗常数NA1摩尔的任何原素物质包含有6.0220451023个原子,第一章原子物理基本概念,质量和能量的关系一定质量m的静止物体，具有的能量为mc2运动物体的总能量为动能与静止能量之和E=Ek+mc2,第一章原子物理基本概念,单位体积（单位质量）物质中的原子数和电子数：单质物理密度，Z：原子序数，MA：摩尔质量，NA：阿伏加德罗常数。单位体积原子数=NAMAZ单位体积电子数=NAMANA每克物质原子数=MAZ每克物质电子数=NAMA,第二章放射性核素,基本概念和术语定义及性质：原素的原子核能自发地释放辐射线（光子或粒子），这一过程称为放射性衰变放射性活度：单位时间内由一特定核能态发生核跃迁数的期望值。用ci或Bq表示1ci=3.71010dps,1Bq=1dps,第二章放射性核素,基本概念和术语半衰期：放射性活度或放射性核素数目衰减到初始值一半时所需时间。用T1/2表示。放射性比活度：单位质量放射源的放射性活度。是放射性物质纯度的指标。因放射源中含有大量的相同元素的稳定同位素和其它元素的稳定同位素,第二章放射性核素,基本概念和术语衰变常数：单位时间内放射性核素衰变数N/t与放射性核素数N成正比。其比例常数为衰变常数。N/t=-N积分形式：N=N0exp(-t)用活度表示：A=A0exp(-t)根据半衰期定义：1/2=A/A0=exp(-t)=ln2/T1/2=0.693/T1/2A=A0exp(-0.693/T1/2)t,第二章放射性核素,衰变中的粒子数和能量守衡衰变方式可用下式表示：以衰变为例粒子数守衡：AZXA-4Z-2Y+42He能量守衡：MXc2=MYc2+EY+mc2+E用粒子数守衡和能量守衡定律作为判断一种衰变是否可以发生的先决条件,第二章放射性核素,衰变类型衰变原子序数大于82的原素都不稳定,会自发放出粒子或自发地裂变，最后成为铅（Z=82）镭是最典型的衰变。衰变钢图如下：,第二章放射性核素,衰变类型衰变三种类型衰变：衰变：AZXAZ+1Y+e+Q+衰变：AZXAZ1Y+e+Q轨道电子俘获：AZX+eAZ1Y+Q式中：和表式中微子和反中微子。Q为衰变能。由于衰变产物为三体，因此，粒子的能量由0到一个最大值呈钟罩型连续分布。,第二章放射性核素,衰变类型跃迁和内转换处于激发态的原子核有两种方式退激。跃迁：能量在KeVMeV内转换：原子核的激发能转换给轨道电子，使电子发射出去。内转换不是内光电效应。即不是原子核先放出射线，由射线再击出轨道电子。,第二章放射性核素,常用放射性同位素的衰变形式，半衰期和射线能量放射性核素符号射线种类射线平均能量半衰期镭226226Ra0.83MeV1590a钴6060Co1.25MeV5.271a铯137137Cs0.662MeV33.0a金198198Au0.412MeV2.7d铱192192Ir0.36MeV74.2d碘125125I28KeV59d锎252252Cfn2.35MeV2.65a,第三章带电粒子与物质相互作用,一般特征带电粒子与原子核外电子的非弹性碰撞电离和激发电离：入射带电粒子（如电子）与原子核外电子之间库仑相互作用，传递给原子核外电子一部分能量，使之克服原子核束缚成为自由电子，使原子发生电离。自由电子亦称“电子”。当原子内壳电子被击出，外壳电子向内壳跃迁放出特征X射线。被击出的电子称为“俄歇电子”激发：入射带电粒子传递给原子核外电子较少能量，电子不足摆脱原子核束缚，电子可以向外壳越迁使原子处于激发状态。此过程称为“激发”。激发原子退激时发光电离损失：电离损失和激发引起的入射带电粒子能量损失称为“碰撞损失”,第三章带电粒子与物质相互作用,一般特征带电粒子与原子核的非弹性碰撞辐射损失：入射带电粒子与原子核之间的库仑力作用，使入射带电粒子的方向和速度发生改变，运动状态的改变伴随发生电磁辐射，使入射带电粒子的能量损失。此称为“辐射损失”。因电子质量小，与原子核碰撞时运动状态改变显著韧致辐射：入射带电粒子接近原子核时速度迅速降低所发生的电磁辐射,第三章带电粒子与物质相互作用,一般特征带电粒子与原子核外电子的弹性碰撞入射带电粒子与原子核外电子的库仑场相互作用，使入射粒子损失一部分动能，这不足以产生激发和电离。这可以看作与原子核整体的相互作用。在E100ev的电子考虑此种效应,第三章带电粒子与物质相互作用,一般特征带电粒子与原子核的弹性碰撞入射带电粒子与原子核库仑力相互作用，使入射粒子损失的一部分动能转变为原子核的反冲动能，使原子发生位移造成物质的辐射损伤,第三章带电粒子与物质相互作用,定量关系电离损失dE4e2m0v(-)ion=NZln-1.2329dXm0vI此处，v：入射电子速度N：靶原子量Z：靶原子序数I：平均激发能,第三章带电粒子与物质相互作用,定量关系辐射损失dEz2Z2(-)NEdXm2m:入射粒子质量E：入射粒子能量z：入射粒子电荷Z：靶物质原子序数N：单位体积中物质原子数上述能量损失（电离损失+辐射损失）用“阻止本领”描述,第三章带电粒子与物质相互作用,表征能量损失的术语线碰撞阻止本领：入射带电粒子在靶物质中穿行单位长度路程时电离损失的平均量质量碰撞阻止本领：入射带电粒子在靶物质中穿行单位质量路程时电离损失的平均量线辐射阻止本领：入射带电粒子在靶物质中穿行单位长度路程时辐射损失的平均量质量辐射阻止本领：入射带电粒子在靶物质中穿行单位质量路程时辐射损失的平均量传能线密度：特定能量的带电粒子在靶物质中穿行单位距离时，由能量转移小于某一特定值的历次碰撞所造成的能量损失,第三章带电粒子与物质相互作用,电离损失和辐射损失的相对重要性临床应用的能量范围内，总能量损失为电离损失和辐射损失之和而忽略其它作用过程的能量损失重带电粒子：辐射损失可以忽略SS=()col电子：辐射损失和电离损失的相对重要性SSZE（）rad/()col800MeVZ:靶原子的原子序数E：入射电子的动能,第四章X射线与物质的相互作用,相互作用特点X射线是电磁辐射，不带电，无静止质量。与物质的相互作用机制与带电粒子完全不同。带电粒子与物质相互做用是通过与原子核外电子的多次非弹性碰撞使靶物质电离和激发而损失能量电离损失。或与靶原子核的非弹性碰撞而损失能量辐射损失。每一次碰撞能量损失很小，因此可用dE/dX阻止本领及社趁射程描述带电粒子在物质中的行为。X射线与物质相互作用是通过一次碰撞损失大部分或全部能量，穿过物质时其强度遵循指数衰减规律,第四章X射线与物质的相互作用,相互作用方式及截面相互作用方式能量小于30MeV光电效应：X射线全部能量转移给原子中束电子使其从原子中发射出来，光子身消逝康普顿散射：光子与核外电子发生非弹性碰撞，光子的一部分能量转移给电子使它反冲出来，而散射光子的能量和运动方向发身发生变化电子对效应：光子与靶原子核的库仑场作用光子转化为正负电子对。,第四章X射线与物质的相互作用,相互作用方式及截面相干效应：低能光子（hm0c2kZ5/h即截面随E的增加而下降，随Z的增加而增加总截面：ph=5/4k,（对数）cualcE(对数）,第四章X射线与物质的相互作用,光电效应光电子角分布由能量和动量守恒限制：光电子发射不可能在00和1800低能光子：光电子沿近900方向发射高能光子：沿近00方向发射,900低能光子h00高能光子,第四章X射线与物质的相互作用,康普顿效应反应机制光子与核外电子发生非弹性碰撞，一部分能量转移给电子，使之脱离原子成为反冲电子。散射光子的能量核方向改变与光电效应的区别：光电效应中光子本身消失能量全部转移给电子康普顿效应光子把部分能量转移给电子光电效应发生在束缚最紧的内壳层电子上，康普顿效应发在束缚最松的外壳层电子上,原子核反冲电子Eeh电子散射光子h,第四章X射线与物质的相互作用,康普顿效应能量分布散射光子和反冲电子能量的空间分布：外层电子的束缚能量与入射光子相比可以忽略，可近似看做入射光子与静止电子的相互作用。入射光子能量和动量由反冲电子和散射光子进行分配。用相对论能量和动量守衡可导出散射光子和反冲电子能量与散射角的关系。散射光子能量：E=E/1+（E/m0c2)(1-cos)反冲电子动能：（E/m0c2)(1-cos)Ee=E1+（E/m0c2)(1-cos)散射角和反冲角的关系：ctg=(1+E/m0c2)tg(/2),第四章X射线与物质的相互作用,康普顿效应能量分布讨论*当散射角=00时，E=E，Ee=0入射光子从电子旁掠过*当散射角=900时，E=E/1+E/m0c22m0c2=1.02MeV*与光电效应类似，必须有第三者原子核参与，才能维持能量和动量守恒。由于原子核反冲动能小，可以忽略*在电子的库仑场作用下也可产生电子对，由于电子质量小反冲能量大，入射光子能量必须E4m0c2=2.04MeV*正电子在吸收体中慢化使其动能为零，与电子相互作用产生两个射线，此称为“电子对湮灭”,原子核正电子h电子负电子,第四章X射线与物质的相互作用,电子对效应能量和角度分布正负电子对的能量和角度分布能量分布：E=Ee+Ee-+2m0c2由于Ee+Ee-=常数，正电子和负电子之间能量分配是任意的角度分布：由动量守恒正负电子对沿入射光子方向前角发射。光子能量越大，发射方向越前倾湮灭光子的能量和角度分布能量分布：E1+E2=2m0c2且E1=E2=m0c2角度分布：湮灭前正负电子的动能和动量为零，因此运动方向相反,第四章X射线与物质的相互作用,电子对效应截面E2m0c2pZ2EE2m0c2pZ2lnE,p/Z210-25-10-26-10-27-10-28-10100E(MeV),第四章X射线与物质的相互作用,各种相互作用的相对重要性10KeV30KeV:低能X射线高原子序数吸收体光电效应占优势30KeV25MeV:中能X射线低原子序数吸收体康普顿效应占优势25MeV100MeV:高能X射线高原子序数吸收体电子对效应占优势,第五章放射源和放射治疗机,反射源的种类和照射方式常用于临床的放射性核素核素射线平均能量半衰期TVL铅（HVL铅)照射量率常数空气比释动能(MeV)(Rh-1mCi-1cm2)(Gyh-1GBq1m2)镭-2260.831590aHVL铅=1.3cm8.25195钴-601.255.27aHVL铅=1.27cm13.1309铯-1370.66233.0aTVL铅=1.85cm3.378铱-1920.3674.2dTVL铅=0.71cm4.8113碘-1250.02859dTVL铅=0.025cm1.433金-1980.4122.7dHVL铅=0.3cm2.3555.5钯-1030.02217dTVL铅=0.013cm1.4835.0此处，HVL和TVL分别为半值厚度和十分之一值厚度,第五章放射源和放射治疗机,反射源的种类和照射方式照射方式体外远距离照射：放射源位于体外一定距离，对射线进行准直和限束，对患者的某一部位进行照射近距离照射：将放射源密封，直接放入被治疗的组织内。近距离照射又分组织间照射和腔内照射内用放射治疗：利用人体某种器官对放射性同位素的选择性吸收，将该种同位素通过口服或静脉注入人体内进行治疗,第五章放射源和放射治疗机,X射线治疗机X射线产生的机制高速运动的电子突然受到物体的阻止而产生X射线。当电子撞击靶物质时产生碰撞损失和辐射损失，前者主要产生热，后者主要产生X射线。两者之比近似为：辐射损失/碰撞损失ZEe/800MeV式中，Z：靶物质原子序数，Ee：电子动能例如：对钨靶（Z=74），电子动能Ee=250KeV，辐射损失/碰撞损失2%，因此，电子能量的98%以热能形式释放，固需要有靶的冷却装置。,第五章放射源和放射治疗机,X射线治疗机X射线产生的机制高能电子轰击靶产生两种X射线：特征辐射和韧致辐射。韧致辐射的X射线能谱是连续的，在特定的能量处强度最大，在此连续能谱上叠加一些特征辐射峰。X射线治疗机按其能量高低划分如下：接触X射线治疗机：1060KV浅层X射线治疗机：60160KV深部X射线治疗机：1800400KV,第五章放射源和放射治疗机,X射线治疗机射线质的改进X射线连续能谱中的低能部分对治疗无益，造成皮肤剂量过高，用过滤板可滤去低能X而保留其高能部分。应用过滤板时应注意：*140KV以下用铝材，以上X射线用铜或铜加铝材过滤板*同一管电压的X射线，过滤板不同X射线半价层不同*应用复合过滤板时，沿射线方向先放置原子序数大的，后放置原子序数小的，以便滤去过滤板自身的特征X线*理论上过滤越多谱线对治疗越好，但射线强度下降,第五章放射源和放射治疗机,钴-60治疗机特点结构简单，便于维修，操作方便，价格低廉。与深部X线机相比较，钴-60的射线具有穿透力强，表面剂量低，旁向散射小，骨和软组织具有同等的吸收剂量的优点,第五章放射源和放射治疗机,钴-60治疗机半影由于放射源的有限大小和准直系统的结构设计，与直线加速器相比，具有较大的半影。总半影由三部分组成：*几何半影：源有一定大小，跨过射野边缘诸点分别受到面积不等的源的照射，造成剂量分布递变。*透射半影：由于准直器端面与边缘线束不平行，使端面线束穿透不同端面厚度造成剂量分布递变。*散射半影：射野边缘的散射体积小于射野内散射体积，离中心越远散射剂量越小，造成射野边缘剂量递变,第五章放射源和放射治疗机,钴-60治疗机源位校正：在钴-60长期使用中，放射源由“储位”到“源位”的反复运动，放射源有可能不在准确的“源位”，这将导致对称性变差。通过测量手段，将放射源调整到正确位置。再钴源的源强低于800居里时，应停止使用，而更换新源。,第五章放射源和放射治疗机,电子直线加速器电子加速原理：电子在加速管中由微波的电场加速，微波的频率为3000MHz(波长=10cm),微波在加速管中沿轴方向形成电场分布，用于电子加速。沿横向形成磁场分布，用于电子聚焦。按加速原理分为：*行波加速：当电子正好处于电场加速力的作用下，波的传播速度与电子的运动速度一致时，电子得到持续加速。*驻波加速：适当调节反射波的相位，可以产生驻波。由于利用了反射波，功率消耗比行波要小。产生同样的电子能量，加速管的长度可以缩小。,第五章放射源和放射治疗机,电子直线加速器射线束的能量：电子直线加速器分为：*低能电子直线加速器（46MV）*低能单光子（6MV），带有电子束加速器*中高能单或双光子（618MV），带有电子束（421MeV）电子直线加速器,第五章放射源和放射治疗机,电子直线加速器射线束的均整和扩散*X射线的均整：被加速的电子轰击靶产生X射线，靶材料为高原子序数物质，如钨，铂和金等。为了在治疗距离处得到一定射野大小（3540cm），并满足一定的平坦度和对称性要求的射线分布，需用均整器对X射线进行均整。均整器可用钨，铀，钢，铝等材料制成。*电子束的扩散：被加速的电子不轰击靶直接引出，可作为电子束治疗射线。直接引出的电子线直径约为3mm的笔型束，为了用于治疗目的，须用散射箔对笔型束进行散射，以便在一定的治疗距离处，一定大小的射野范围内，得到满足一定的平坦度和对称性要求的射线分布。散射箔一般由铅，铜制成。厚度的选择应使电子大部分被散射，较少产生韧致辐射，但不可避免的有X射线的污染。,第五章放射源和放射治疗机,电子直线加速器射线束的准直*X射线准直器：一级准直器：位于加速管电子引出窗口下，大小不变，为X射线和电子线所共用。二级准直器：位于均整器和电离室下方，由上下两对准直块组成，为可变准直器。为了减少X射线的半影，准直器的内端面必须与射线的发散方向一致。二级准直器又分为“对称运动准直器”和“非对称运动准直器”（或称为“独立运动准直器”）。非对称运动准直器又细分为一维非对称运动准直器和二维非对称运动准直器，前者可形成一维调强剂量分布，后者可形成一维调强剂量分布。,第五章放射源和放射治疗机,电子直线加速器多叶准直器：根据非对称准直器的原理，非对称准直块由多个非对称运动的叶片组成。利用多叶准直器可实现“适形”和“适形调强”治疗。*电子束限束筒：当用于电子束治疗时，虽经散射箔的散射而形成了较均匀的剂量分布，由于电子具有很强的散射本领，经长距离的空气层后，剂量分布变差，因此须用电子限束筒改善电子的剂量分布,第五章放射源和放射治疗机,电子直线加速器射线束的监测在一级准直器下方，安装有由多个电离室或有一个多极电离室组成的平行板电离室，用于剂量率，积分剂量，射野的平坦度，射野的对称性等的监测。该电离室为密封型平行板电离室，不受外界空气温度和气压变化的影响，加速器在投入使用前，须对电离室的短期稳定性，长期稳定性，剂量率线性，积分剂量线性等进行监测。,第五章放射源和放射治疗机,重粒子治疗快中子治疗：（FNT）用于快中子治疗的快中子能量须大于14MeV，此能量的快中子在水中的剂量与钴-60的射线近似相同。在治疗距离处的剂量应不低于1015cGy。快中子一般由质子轰击铍靶产生。快中子治疗的特点：*百分深度剂量与钴-