第二章-放射物理基础(医学影像成像理论)PPT课件

2020/6/6,1,医学影像成像理论,第二章放射物理基础,.,主要内容,第一节X线的产生和性质第二节X线与物质的相互作用第三节X线的衰减规律,2020/6/6,2,.,第一节X线的产生和性质,1.1X线的发现1.2X线的本质和特性1.3X线的产生1.4X线的产生原理1.5X线的量与质1.6影响X线量与质的因素1.7X线产生效率1.8X线强度空间分布,2020/6/6,3,.,一、X线的发现,1895年11月8日，德国物理学家WCRontgen做阴极射线管(cathoderaytube，CRT)实验时，出乎意料地发现了一种肉眼看不见的“光线”，它能穿透许多物质，并能使铂氰化钡发出荧光。叫X射线，简称X线或X光，又称伦琴射线。1901年，伦琴为此获得诺贝尔奖。发现X线三个月后，维也纳一家医院首先用它协助外科手术。使用的是充气X线管，产生的X线量甚微，拍摄一张头颅片需要曝光20min。是X线在医学中应用的初始阶段。从伦琴发现X线到现在的100多年里，X线日益广泛地应用在医学诊断和治疗上，而且在物质结构分析、工业探伤、科研等方面都发挥了巨大作用。,2020/6/6,4,.,二、X线的本质和特性,2020/6/6,5,（一）X线的本质是一种电磁波。波长很短，大约与晶体内呈周期排列的原子间距同一数量级，在110-10m左右。与可见光、红外线、紫外线、射线一样，属于电磁辐射(electromagneticradiation)，是电磁波；这些电磁波的本质完全相同，波长或频率有差别。,.,2020/6/6,6,X线波长很短，介于紫外线和射线之间，约为10-810-12m；频率很高，约在3101631020Hz。由于光子能量不同，电磁辐射分为电离辐射和非电离辐射。非电离辐射：微波、红外线、可见光等，由于光子能量小，不能引起物质电离的辐射；电离辐射：紫外线、X线、射线等，于光子能量大，能使物质产生电离的辐射。,.,1.X线具有波动性X线与其它电磁波一样具有波动和微粒性；与可见光一样具有衍射、偏振、反射、折射等现象。波动性表现在以一定的波长和频率在空间传播；是一种横波，传播速度在真空中与光速相同，可以用波长、频率(frequency)描述。2.X线具有微粒性波动性不能解释它的光电效应、荧光作用、电离作用等；只能用爱因斯坦的光量子理论，即把X线束看做是由一个个微粒-X光子组成的来解释。与物质相互作用发生能量交换时，突出表现了它的粒子性。微粒性主要表现为X线光子在辐射和吸收时具有能量、质量和动量。X线的波长、频率、波速c和能量E、质量m关系：E=h=c/(2-1)h为普朗克常数，h=6.62610-34Js。,2020/6/6,7,.,（二）X线的特性1、物理特性：穿透性、荧光作用、电离作用、热作用穿透性：X线的能量很大，波长很短，穿透力很强。穿透性与其波长、物质的性质、结构有关。Z高、大的物质，吸收X线多，穿透性差。不透过性组织：骨骼系统，含有大量的钙质，钙的Z(20)较高，骨吸收X线最多；中等透过性组织：软组织(结缔组织、肌肉、软骨等)及体液都是由氢、碳、氮、氧等低Z原子组成，与水相近；可透性组织：脂肪组织成分与软组织相似，但排列稀疏，比软组织小，X线的透过性较好；肺部、胃肠道、副鼻窦及乳突内等均含有气体，也是由氢、氮、氧等组成，但分布非常稀疏，密度很小，透过性能很好。,2020/6/6,8,.,荧光作用：X线照射某些物质时，物质的原子被激发或电离；当恢复到基态时，放射出可见荧光的物质，如CaWO4、铂氰化钡、银激活的硫化锌等。透视用的荧光屏，摄影用的增感屏，影像增强器中的输入屏和输出屏，测定辐射量的闪烁晶体、荧光玻璃等是利用X线的荧光作用制造的。电离作用：具有足够能量的X光子能击脱物质原子的轨道电子产生一次电离，脱离原子的电子再与其它原子碰撞，还会产生二次电离。在固体和液体中，电离后的正、负离子能很快地复合不易收集；气体中的电离电荷却很容易收集起来。根据电离电荷的多少来测定X线的照射(exposure)量。多种测定照射量仪器的探头，如电离室、正比计数管、盖革-弥勒计数管等都是利用这个原理制成。电离作用是X线对于肌体损伤和治疗的基础，但同时对人体也有伤害。,2020/6/6,9,.,热作用：物质吸收X线能量，最终绝大部分都便成热能，使物体升温。物质吸收X线能量，最终绝大部分都将变为热能，使物体产生温升。测定吸收剂量的量热法是利用X线的热作用。,2020/6/6,10,.,2、化学特性感光作用：当X线照射到胶片上的时候，溴化银药膜起化学变化，出现银粒沉淀。着色作用：某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等，经X线长期照射后，其结晶体脱水而改变颜色。3、生物效应特性X线在生物体内能产生电离和激发作用，使生物体产生生物效应。生物细胞特别是增殖性强的细胞，经一定量的X线照射后，可以产生抑制、损伤、甚至坏死。人体组织吸收一定量X线后，因其对X线敏感程度的不同而出现种种反应，这一作用可在放射治疗中得到充分应用。X线对人体的正常组织有一定的损伤作用，必须注意非受检部位和非治疗部位的屏蔽防护，放射工作者应注意自身防护。,2020/6/6,11,.,三、X线的产生,在发现X线之后，人们在研制产生X线设备的过程中，发现每当高速带电粒子撞击物质而突然受阻减速时能产生X线的规律。因此现在所使用的人工辐射源，都是利用高速带电粒子撞击靶物质而产生的。（一）X线产生条件1、电子源：阴极2、高速电子流：有两个方面，其一是高压电场，使电子获得高速动能；其二是高真空度环境，使电子在高速运动中免遭气体分子的阻挡而降低能量，同时也能保护灯丝不致因氧化而被烧毁。3、适当障碍物-靶：阳极,2020/6/6,12,.,(二)X线产生装置,医用X线机分为诊断机和治疗机两大类。用于透视、摄影和特殊检查的X线机统称为诊断用X线机；诊断用X线机的管电压一般在40150kV。用于疾病治疗的统称为治疗用X线机。由主机、机械装置及辅助设备等几部分组成。主机：是产生X线的最基本组成部件，由X线管、高压发生器、控制台组成。,.,(二)X线产生装置,.,(二)X线产生装置,1X线管X线机的心脏。是高真空度的热电子式X线管。X线管是在特制的玻璃管内插入两个电极，一个是产生和发射热电子的阴极(负极)（cathode）；一个是阳极(anode)，也叫阳极靶面(anodetarget)，是高速电子撞击的目标。管内真空度高达10-6mm汞柱。,图2-1,.,阴极由灯丝和集射罩组成。灯丝电压愈高，温度愈高，每秒钟蒸发出的电子数愈多。在阴极和阳极间加上高电压时，从灯丝中蒸发出来的热电子在强电场的作用下奔向阳极形成管电流。阳极主体是铜圆柱体，对着阴极的端面上镶嵌着一块钨板(钨靶)；是高速电子撞击的目标，产生X线的地方。从阴极飞来的高速电子的动能，99%以上都在阳极上变为热能，不到1的能量变为X线能。阳极材料既要熔点高、导热性能好；又要Z高，可提高X线的产生效率。,图2-1,.,(二)X线产生装置,实际焦点(actualfocalspot)：阴极灯丝射向阳极的高速电子流，经聚焦后撞击在阳极靶面上的面积(焦点)。X线管的灯丝是螺管状，理想的实际焦点在靶面上形成的是一近似矩形。实际焦点的大小取决于聚焦槽的形状、宽度和深度。聚焦槽与灯丝位置及其电位分布影响阴极电子流的分布，形成主焦点与副焦点。,图2-2,.,(二)X线产生装置,有效焦点(effectivefocalspot)：实际焦点在X线投射方向上的投影面积。一般为长方形。阳极角：阳极面与X线投射方向之间的夹角。一般在1020。管壳的作用是维持一个高真空度的空间，并起着固定阳极和阴极的作用。主焦点与副焦点：,图2-2,.,(二)X线产生装置,2高压发生器X线管需要的电能应满足：一个是使X线管灯丝加热放射出电子；另一个是使这些电子加速奔向阳极。X线发生器中设有灯丝电路和高压电路，还有限时电路控制X线的照射时间。,.,(二)X线产生装置,3控制台是X线机的控制中心。有多个开关和选择键(旋扭)，如电源开关、工作方式选择键、mA选择键、kV选择键、照射时间选择键等。4机械装置和辅助设备检查床、立柱、支架、轨道等,.,四、X线的产生原理,(一)电子与物质相互作用高速电子被靶物质阻止的过程复杂。高速电子带负电荷，在物质中主要与原子核的正电场及轨道电子的负电场发生作用。高速电子被靶物质阻止的过程是很复杂的，所谓碰撞是带电粒子之间的经典库仑力之间的相互作用，电子在碰撞过程中的能量损失可分为碰撞损失和辐射损失。碰撞损失只涉及原子的外层电子，这部分能量将全部变为热；辐射损失涉及内层电子和原子核。电子与靶原子因碰撞而损失能量过程，就是发生能量转换的过程。,.,2020/6/6,22,这两种产生的机制是：韧致辐射（连续放射）和标识辐射（特征辐射）。,总之，运动电子在物质中碰撞的结果，导致能量的转换，电子的动能变为热能、电离能和辐射能。即,.,(二)X线产生原理X线是在能量转换中产生的。X线组成：连续X线、特征X线。是这两种成分组成的混合射线。1连续X线连续辐射又称轫致辐射(bremsstrahlung)。它是高速电子与靶原子核相互作用时产生的、具有连续波长的X线。连续辐射构成连续X线谱(continuousX-rayspectrum)，与可见光的白光相似，是包括多种能量光子的混合射线。,.,(1)连续X线产生的物理过程：轫致辐射是辐射损失的一种，是产生连续X线的机制。当一个带电体在外电场中速度变化时，带电体将向外辐射电磁波。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。电子向外辐射电磁波损失能量E，电磁波的频率由E=h确定。电子的这种能量辐射叫轫致辐射，这种辐射所产生能量为h的电磁波称为X线光子。,.,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。,图2-3,图2-4,.,(2)连续X线的最短波长：X线强度是随波长的变化而连续变化的。每条曲线都有一个峰值；曲线在波长增加的方向上都无限延展，强度越来越弱；在短波方向上，曲线都存在一个波长极限，称为最短波长(min)。随着kV升高，辐射强度均相应地增强；同时，各曲线所对应的强度峰值和min的位置均向短波方向移动。光子能量(E)与频率(v)成正比，与波长()成反比，如果波长最短(min)，则频率最高(max)，光子能量最大。,图2-4,.,(2)连续X线的最短波长：,图2-3,.,(3)影响连续X线的因素：原子序数、管电流、管电压原子序数Z：kV(U)、mA(i)一定时，与阳极靶面的Z成正比，即I连Z。阳极靶面的原子序数Z越高，X线的强度越大。管电流(mA)：在管电压U、靶材料(Z)一定时，X线的强度取决于管电流。mA越大，在X线管中被加速的电子数量越多，产生的X线强度也就越大，即I连mA。管电压(UorkV)：X线束中光子的最大能量等于被加速电子的动能，电子的动能EeU，改变U，光子的最大能量也改变了，整个X线谱曲线的形状将发生变化。,.,图2-5,.,最大强度对应的波长值称为最强波长。X线诊断中，以最强为中心，邻近两侧的波段起主要作用。,连续X线的总强度：,.,连续X线谱中每条曲线下的面积表示连续X线的总强度，即：由于滤过不同，连续X线的平均能量，一般为最大能量的1/31/2，如最高能量为100keV的连续X线，其平均能量在40keV左右。平均波长约为最短波长的2.5倍。即：,.,例管电压为100kV时，产生连续X线的最短波长、最强波长、平均波长和最大光子能量。,解：产生连续X线的最短波长为：,最强波长：,平均波长：,最大光子能量：,.,2特征X线,特征辐射又称标识辐射(characteristicradiation)，与连续辐射的产生机理完全不同。(1)特征X线产生的物理过程：钨的X线谱，管电压65kV时为连续X线；管电压升至100kV、150kV和200kV时，在三条连续谱线上叠加了一组波长位置不变、强度很大的线状光谱。线状光谱的波长与kV无关，完全由靶材料性质决定。不同靶材料都有自己特定的线状光谱，它表征靶物质的原子结构特性。这种辐射称为特征辐射，由此产生的X线称为特征X线。,.,图2-6,图2-7,.,(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。特征X线是在原子内层电子的跃迁中产生的。产生特征X线必须有一个激发电压(即kV)，例如，要激发K系射线，高速电子的能量(eUk)至少要击脱一个K电子所作的功(Wk)，K系的激发电压应满足：,.,表2-2几种靶材料产生K、L系特征辐射的激发电压(kV)靶材料ZK系激发电压L系激发电压铝(A1)131.560.09铜(Cu)298.980.95钼(Mo)4220.002.87银(Ag)4725.53.97锡(Sn)5029.184.14钨(W)7469.5112.09铅(Pb)8288.0015.86,.,(3)影响特征X线的因素：K系特征X线强度(Ik)：i为管电流；U为管电压；Uk为K系激发电压；K2和n均为常数，n约等于1.51.7。K系特征X线的强度与i成正比，kV大于激发电压时才发生K系放射，并随kV的继续升高K系强度迅速增大。,.,X线两种成分中特征X线只占很少一部分。钨靶X线管，低于K系激发电压(69.51kV)不会产生K系辐射；管电压在80150kV时，特征X线只占1028；管电压高于150kV，特征X线相对减少；高于300kV时，两种成分相比，特征X线可以忽略。医用X线主要使用的是连续辐射，但在物质结构的光谱分析中使用的是特征辐射。,.,五、X线的量与质,X线强度：指在垂直于X线传播方向单位面积上、单位时间内通过光子数量与能量乘积的总和。常用X线强度来表示X线的量。1X线的量X线光子的数目。对于由相同能量的光子组成的单能辐射，其辐射强度为：N为单位时间内通过单位横截面积上的X线光子数；hv为每个光子的能量。,.,对于辐射是由能量完全确定的(h1、h2)光子组成的线状谱，辐射强度：对于辐射是由一切可能能量(由零至某一最大值Emax)的光子组成的连续谱，其辐射强度为：每秒通过S面积的辐射能E：X线强度的SI单位是：Jm-2s-1。,.,由于X线光子的能量大，穿透本领强，直接准确地测定X线的量是困难的，但可用间接的方法来测量。在X线的诊断应用中，可以用X线管的管电流mA与照射时间s的乘积来反应X线的量，通常以mAs为单位。,.,2X线的质,表示X线的硬度，即穿透物质本领的大小。X线的质只与光子能量有关，与光子数无关。一般X线束的成分是连续能谱，当它穿透物质后能量分布又有不同变化，完整地描述它的线质比较复杂。常用表示射线穿透能力的半价层(halfvaluelayer，HVL)来表示X线的质。,.,半价层HVL：是使一束X线的强度衰减到其初始值一半时所需要的标准物质的厚度。诊断用X线常用铝作为表示HVL的物质，HVL愈大表示X线的质愈硬。X线诊断中，以X线管管电压(kV)值来近似描述X线的质。kV愈高，电子从电场中得到的能量愈多，撞击阳极靶的力量愈强，产生的X线的穿透本领愈大。kV愈高，也提高了X线的强度：系数K取决于高压整流方式，指数n由管电压、线束的滤过条件等决定。,.,六、影响X线产生的因素,X线管的靶物质、kV、mA以及高压波形都是直接影响X线量与质的因素。,.,（一）影响X线量的因素,1.靶物质连续X线的强度与靶物质的原子序数(atomnumber)Z成正比(I连Z)。kV和mA都相同，阳极靶的Z高，X线的强度也正比地增大。,.,（一）影响X线量的因素,锡的Z为50，K系特征X线为2529keV；钨的Z为74，K系特征X线约在5870keV；铅的Z82，K系特征X线在7288keV。特征X线完全由靶物质的原子结构特性决定。靶物质的Z愈高，轨道电子的结合能就愈大，特征X线的能量也就愈大，就需要更高的激发电压。,.,（一）影响X线量的因素,2.管电压X线束中的最大光子能量等于高速电子的最大动能，电子的最大动能又决定于kV的峰值。改变kV也就改变了最大光子的动能，整个X线谱的形式也将随之发生变化。mA不变时，随着kV的增高，连续X线谱的min和最强都向短波方向(高能端)移动，X线束中的高能成分增多，X线的质提高。X线强度与kV的平方成正比：IkV2,.,（一）影响X线量的因素,3.管电流电流的大小并不影响X线的质，但在一定的kV下，X线的强度决定于mA。mA愈大，撞击阳极靶面的电子数愈多，产生的X线强度也就愈大。实际X线强度与mA成正比：ImA,.,（一）影响X线量的因素,4.高压波形X线发生器使用的都是脉动高压，有单相半波和全波；三相六脉冲和十二脉冲。不论高压波形怎样，min只决定于kV的峰值(kVp)。但脉动电压时的X线辐射强度都比峰值相应的恒定电压的低。在kVp相同的情况下，六脉冲和十二脉冲所产生的X线比全波整流的硬线成分多，且在mA相同的情况下，X线的辐射强度也比较高。是因为全波整流的X线管工作的大部分时间都比峰值时的恒定电压低，六脉冲和十二脉冲的电压更接近蜂值时的恒定电压。,.,（一）影响X线量的因素,总之，X线的量与靶物质的原子序数Z，管电压的平方，管电流及照射时间成正比。,.,（二）影响X线质的因素,X线的质仅取决于管电压的千伏值：kV,.,七、X线的产生效率,在X线管中产生的X线的能量与加速电子的所消耗电能的比值，叫做X线的产生效率。在X线管中产生的X射线，绝大多数都是连续X线，特征X线比例极少；忽略比例极少的特征X线，即可表示为连续X线的功率（线的总强度）比上电子消耗的功率iU。由此可见，X线的产生效率与管电压和靶物质的原子序数成正比。研究表明绝大部分的高速电子能最后会转变为热能。产生效率是极低的，往往不足0.01。,2020/6/6,52,.,八、X线强度空间分布,1厚靶周围X线强度的空间分布阳极效应：靠近阳极端的射线最弱，靠近阴极端的最强的现象。而且靶角愈小，下降的程度愈大。这种愈靠近阳极，X线强度下降得愈多的现象，就是“足跟”效应，也称阳极效应。,图2-10,.,图2-11,当靶面阳极角为20时，在通过X线管长轴且垂直于焦点平面的平面内测定，则近阳极端X线强度小，近阴极端X线强度大。最大值在110处，分布是非对称性的。在通过X线管短轴且垂直于焦点平面的平面内测定，90处最大，其分布基本上是对称的。,.,阳极效应的影响若规定：X射线束中心线(0)的强度为100%,2020/6/6,55,.,在放射工作中，当成像解剖结构厚度上或密度上差别较大时，阳极效应就很重要。因此成像时一般采用如下方法：一般来说，应使肢体长轴与X线管长轴平行，并将厚度大、密度高的部位置于阴极侧，这样可使成像的探测器辐射量较为均匀。尽量使用中心线附近强度均匀的X射线束摄影。,2020/6/6,56,.,2薄靶周围X线强度的空间分布,图2-13表示不同kV下不同薄靶中产生的X线在周围空间的分布情况。不同角度上的矢径长度代表在该方向上X线强度，即从电子束入射的靶点到各曲线的长度表示X线在该方向上的强度。高能电子束冲击靶时产生的X线集中向前方，X线束变窄。,图2-13,.,图2-14表示一薄靶在不同kV下，产生的X线强度在靶周围分布的变化情况。工作电压在100kV左右时，X线在各方向上强度基本相等。kV升高时，X线最大强度方向逐渐趋向电子束的入射方向，其他方向的强度相对减弱，X线的强度分布趋于集中。,图2-14,.,3X线机周围剂量场的分布,在X线机周围工作环境中，剂量场的分布情况是辐射防护的重要参考资料，可借以发现潜在的异常高剂量区，采取必要的防护措施，减轻工作人员接收照射的危害。还可根据剂量场的资料，计算连续的允许工作时间，及估算X线工作者在特定时间内将受到的照射量。,.,复习,1.X线的本质2.X线的基本特性(1)物理特性：穿透性、荧光、电离、热作用(2)化学效应：感光作用、着色作用(3)生物效应3.X线产生条件(基本条件):电子源、高速电子流、靶面X线管：实际焦点、有效焦点4.X线产生原理连续X线的最短波长、最强波长、平均波长影响连续X线的因素：靶物质、管电流、管电压特征X线：产生物理过程、激发电压、影响因素,.,复习,5.X线的量与质(X线强度)(1)X线的量：mAs、kV2(2)X线的质：kV6.影响X线产生的因素(1)靶物质(2)管电压(3)管电流(4)高压波形7.X线产生效率:很低，1%8.X线强度空间分布(1)厚靶周围X线强度的空间分布(阳极效应)(2)薄靶周围X线强度的空间分布(3)X线机周围剂量场的分布,.,第二节、X线与物质的相互作用,2.1光电效应2.2康普顿效应2.3电子对效应2.4其他作用2.5在诊断放射学中各种作用发生的概率,2020/6/6,62,.,X线是一种能量很大的电磁辐射，当它与物质相互作用的时候，能产生初级电子和次级光子，通过电离和激发过程把能量传递给物质。X线与物质相互作用，不像电子那样通过多次小能量的损失逐渐耗尽其能量，而是在一次相互作用过程中就可损失大部分或全部能量。X线与物质的相互作用都是和原子发生的。这是因为组成分子的各原子间的结合力非常小，不能阻止能量很大的光子，射线的分子效应完全是由于原子的变化造成的。X线在物质中可以引起物理、化学和生物各种效应，这些效应的产生不是简单的能量转换，而是一个很复杂的过程。,2020/6/6,63,.,2020/6/6,64,图2-15X光子在生物组织中的吸收及生物效应过程,.,一、光电效应,1.光电效应光电效应(photoelectriceffect)也称光电吸收。能量为hv的光子通过物质时与物质原子的内层轨道电子相互作用，将全部能量交给电子，获得能量的电子摆脱原子核的束缚成为自由电子(即光电子)，而光子本身整个地被原子吸收，这样的作用过程称为光电效应。,2020/6/6,65,.,根据爱因斯坦光电效应方程，若轨道电子的结合能为EB，则光电子的动能为:E=hv-EB放出光电子的原子变为正离子，原子处于不稳定的激发态，其电子空位很快被外层电子跃入填充，同时放出特征X线光子。有时，特征X线在离开原子前，又将外层电子击脱，该电子称为俄歇电子。光电效应的实质是物质吸收X线使其产生电离过程，此过程中产生次级粒子:负离子(光电子、俄歇电子);正离子(丢失电子的原子);特征辐射。,.,2.光电效应发生概率：物质原子序数Z的影响、入射光子能量的影响、原子边界限吸收的影响(1)物质原子序数Z的影响:光电效应的概率与Z的四次方成正比，即:光电效应概率Z4轨道电子与原子核结合得愈紧密，就愈容易发生光电效应。对于高Z物质，其轨道电子的结合能较大，不仅K层而且其他壳层上的电子也较容易发生光电效应。但对低Z物质，只有K电子结合能较大，所以光电效应几乎都发生在K层。再者，由原子的内层脱出光电子的概率比由外层脱出光电子的概率要大得多。若入射光的能量大于K电子结合能，则光电效应发生在K层的概率占80%，比外层高出4-5倍。,2020/6/6,67,.,2.光电效应发生概率(2)入射光子能量的影响:光电效应发生的条件是入射光子能量必须等于或大于轨道电子结合能。但光子能量愈大光电效应的发生概率反而迅速减小。理论与实验都证明，光电效应的概率大约与光子能量的三次方成反比，即:,2020/6/6,68,.,2.光电效应发生概率(3)原子边界限吸收的影响:如果测出某一种物质对不同波长射线的光电质量衰减系数m(massattenuationcoefficient)，就可以绘出m与入射光子能量hv变化的关系图。物质原子的边界限吸收特性有很大的实用价值，可在防护材料的选取，复合防护材料配方及阳性对比剂的制备等方面得到应用。,2020/6/6,69,.,3.光电效应中的特征辐射X线产生中的特征辐射与光电效应中的特征辐射的意思完全一样，唯一的差别是击脱电子的方式不同：在X线管中击脱轨道电子的是从阴极飞来的高速电子，而在光电效应中则是X线光子，它们的结果都是造成电子空位，产生特征辐射。,2020/6/6,70,碘和钡都是X线检查中常用的对比剂，其特征辐射具有较高的能量(碘是33.2keV;钡是37.4keV)，能穿过人体组织到达胶片产生灰雾。钙是人体内原子序数最高的主要元素，它的K特征辐射只有4keV，远小于X线光子能量，在其发生后的几毫米之内就被吸收了。人体内其他元素的特征辐射的能量就更小了。可见，人体各组织由X线照射所产生光电效应的特征辐射将全被组织吸收。,.,4.光电子的角分布光电子的角分布与光子的能量有关，当光子能量很低时，光电子与入射方向成900角射出的概率最大。随着光子能量的增加，光电子的分布逐渐倾向于前方。5.诊断放射学中的光电效应诊断放射学中的光电效应有利弊两个方面。有利的方面是，它能产生质量好的X线片，其原因是:不产生散射线，减少照片的灰雾;可增强人体不同组织的对比度(contrast)。邻近组织吸收X线的差别愈大，其对比度就愈高。但从被检者接收X线剂量来看，光电效应又是很有害的。因为被检者从光电效应中接收的X线剂量比其他任何作用都多。因为光电效应的发生概率与光子能量的三次方成反比，利用这个特性，在实际工作中可采用高千伏摄影技术，以达到降低剂量的目的。,.,二、康普顿效应,1.康普顿效应康普顿效应(Comptoneffect)又称康普顿散射，是射线光子能量被部分吸收而产生散射线的过程。当具有能量为hv的入射光子与原子的轨道电子相互作用时，光子交给轨道电子一部分能量后，其频率发生改变并与入射方向成角射出(散射光子)，如获得足够能量的轨道电子则脱离原子束缚与光子入射方向成角的方向射出(反冲电子)。,.,2.康普顿效应发生概率:实验和理论证明康普顿质量衰减系数为m：式c2=c1N0中是一个常数。康普顿效应的发生概率受两个方面的影响。(1)物质的原子序数:康普顿效应的发生概率与物质的Z成正比。但此关系只适合氢和其他元素的比较，因为除了氢元素外，大多数材料几乎有相同的(每克电子数)，因此，几乎所有物质的m都相同。,.,(2)入射光子能量:康普顿效应发生概率与入射X线波长成正比，即与入射光子能量成反比：上式表示入射光子的能量比电子的结合能大很多才能发生康普顿效应。随着入射光子能量增加康普顿效应越来越重要，而光电效应很快降低。,2020/6/6,74,.,3.反冲电子及散射光子在康普顿散射中，只有光子能量远远超过电子在原子中的结合能时，才容易发生康普顿效应。在实际处理时，通常忽略轨道电子的结合能，把康普顿效应看成是入射光子与自由电子的碰撞。碰撞时若光子从电子边上擦过，其偏转角度很小，反冲电子获得的能量也很小，这时散射光子却保留了绝大部分能量；如果碰撞更直接些，光子的偏转角度增大，损失的能量增多；正向碰撞时，反冲电子获得的能量最多，这时被反向折回的散射光子仍保留一定的能量。必须指出，光子可在0-180的整个空间范围内散射，而反冲电子飞出的角度则不超过90。,2020/6/6,75,.,3.反冲电子及散射光子散射光子的能量随散射角的增大而减小，在康普顿散射中，散射光子仍保留了大部分的能量，传递给反冲电子的能量是很少的。小角度偏转的光子，几乎仍保留其全部能量。这就会产生一个问题，小角度的散射线不可避免地要到达胶片产生灰雾而降低照片的质量。其原因是，散射线的能量大，滤过板不能将它滤除;由于它的偏转角度小，所以也不能用滤线栅把它从有用线束中去掉。,2020/6/6,76,.,4.散射光子和反冲电子的角分布康普顿散射光子的角分布强烈地依赖于入射光子的能量。对0.1MeV的低能光子产生的散射光子对称于90角分布，随着光子能量的增加，散射光子趋于前方。从曲线上一点到作用点的距离表示在该方向上散射线的强度。这是一个平面图，如果以X线的入射方向为轴旋转一周就成为散射线强度的空间分布图。,2020/6/6,77,.,5.诊断放射中的康普顿效应康普顿效应中产生的散射线是辐射防护中必须引起注意的问题。在X线诊断过程(透视和摄片)中从受检者身上产生的散射线其能量与原射线相差很少，并且散射线比较对称地分布在整个空间，这一点必须引起医生和技术人员的重视，并采取相应的防护措施。另外，散射线增加了照片的灰雾，降低了影像对比度;但与光电效应相比受检者的剂量较低。,2020/6/6,78,.,三、电子对效应,1.电子对效应在原子核场中，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(electricpaireffect)。,2020/6/6,79,.,2.电子对效应的发生概率实验证明，电子对效应质量衰减系数kmnZ2lnh，所以电子对效应的发生概率与物质的原子序数Z2成正比，与单位体积内的原子个数n成正比，也与光子能量的对数值成正比。可见，该作用过程对高能光子和高原子序数物质来说才是重要的。,需要说明的是:在0.01-10MeV这个最常见的能量范围内，除少数例外，几乎所有效应都是由光电效应、康普顿效应和电子对效应这三个基本过程产生的。图2-22对范围很宽的入射光子能量h和吸收物质的原子序数Z简单明了地指出了这三种主要相互作用的相对重要性。,.,四、其他作用,1.相干散射射线与物质相互作用而发生干涉的散射过程称为相干散射(coherentscattering)。否则就是非相干散射，康普顿散射即为非相干散射。相干散射包括瑞利散射、核的弹性散射和德布罗克散射。与康普顿散射相比，核的弹性散射和德布罗克散射的概率非常低，可以忽略不计。当入射光子在低能范围如0.5-200keV时，瑞利散射的概率不可忽略，因此相干散射主要是指瑞利散射。,2020/6/6,81,.,瑞利散射是入射光子被原子的内壳层电子吸收并激发到外层高能级上，随即又跃迁回原能级，同时放出一个能量与入射光子相同，但传播方向发生改变的散射光子。这种只改变传播方向，而光子能量不变的作用过程称为瑞利散射。这实际上就是X线的折射。相干散射是光子与物质相互作用中唯一不产生电离的过程。相干散射的发生概率与物质的Z成正比，并随光子能量的增大而急剧地减少。在整个诊断用X线能量范围内都有相干散射发生，其发生概率不足全部相互作用的5%，对辐射屏蔽的影响不大，但在总的衰减系数计算中要考虑相干散射。相干散射的质量衰减系数与原子序数和入射X线光子能量的关系为:,2020/6/6,82,.,2.光核作用就是光子与原子核作用而发生的核反应。这是一个光子从原子核内击出数量不等的中子、质子和光子的作用过程。对不同物质只有当光子能量大于该物质发生核反应的阈值时，光核反应才会发生。其发生率不到主要作用过程的5%，因此，从入射光子能量被物质吸收的角度考虑，光核反应并不重要。但是应注意，某些核素在进行光核反应时不但产生中子，而且其反应的产物是放射性核素。光核反应在诊断用X线能量范围内不可能发生，在医用电子加速器等高能射线的放疗中发生率也很低。,2020/6/6,83,.,五、在诊断放射学中各种作用发生的概率,在20-100keV诊断用X线能量范围内，只有光电效应和康普顿效应是重要的，相干散射所占的比例很小，并不重要，光核反应可以忽略，电子对效应不可能产生。若忽略占比例很小的相干散射，则在X线诊断中就只有光电效应和康普顿效应两种作用形式。,2020/6/6,84,.,第三节X线的衰减规律,3.1距离引起的衰减3.2物质引起的衰减规律3.3X线通过人体的衰减规律3.4影响X线衰减的因素,2020/6/6,85,.,一、距离引起的衰减,X射线与物质相互作用过程中，物质吸收了X射线后，X射线强度的减弱，即为衰减，包括距离所致的扩散衰减和物质所致的吸收衰减。距离衰减的规律为X射线的强度与距离的平方成反比（真空条件下）。诊断用X射线通过被检体时，X射线光子与人体主要发生光电效应、康普顿效应和相干散射，在此过程中由于散射和吸收，使得X射线强度衰减。,2020/6/6,86,.,二、物质引起的衰减规律,2020/6/6,87,.,（一）单能窄束X射线在物质中的衰减规律,由相同能量的光子组成的射线称为单能X射线，分为单能窄束和单能宽束。1.单能窄束X线：是指不包括散射成分的射线束，其衰减规律如下式中，I0为X射线到达物体表面时的强度I为透过物体后的强度x为吸收物体的厚度为线性衰减系数,2020/6/6,88,.,2.衰减规律,.,（二）单能宽束X射线的衰减规律,宽束X射线是指含有散射成分的X射线束。实际使用的X射线多为宽束X射线。宽束X射线的衰减中值不再是一个常数，它与吸收物质的形状、面积、厚度，探测器与吸收体之间的距离和光子的能量等有关，因此宽束X射线的衰减规律比较复杂，常常在窄束X射线衰减规律的基础上引入积累因子B加以修正。式中，B为积累因子，它与吸收体的几何形状、厚度、原子序数，光子的能量及入射距离等因素有关;单能窄束时B=1，单能宽束时B1。