1、1.3 X射線與物質的相互作用 X-射線成像的物理基礎X-射線與物質的相互作用 X-射線與物質的相互作用的過程: 入射X-射線通過物質時，光子漸漸損失掉，在入射方向，射線愈來愈弱，衰減。 衰減的過程主要有三種：光電吸收，散射和電子對生成。X線光子進入生物組織電子沿徑跡 損失能量康普頓效應電子對效應光電效應高速電子光子軔致輻射電離激發(fā)熱物化階段生化階段生物階段 射線與生物組織相互作用的結果X第三節(jié) X射線與物質的相互作用 一、X射線與物質相互作用系數(shù) 二、光電效應(photoelectric effect) 、康普頓效應(Compton effect) 、電子對效應(electric pair

2、effect) 五、X射線與物質的其它相互作用過程 六、各種相互作用的相對重要性 一、x射線與物質相互作用系數(shù)作用截面（反應截面） 一個入射粒子與單位面積上一個靶粒子發(fā)生相互作用的概率 =-（I/I）/N x b （1b=10-23m2） （巴恩/原子，bam） N：靶物質的靶粒子密度（單位體積內(nèi)的靶粒子數(shù)） x：通過的靶物質的厚度 Nx：表示底面積為單位面積，長為x的柱體內(nèi)的靶粒子數(shù)（單位面積內(nèi)的靶粒子數(shù)） 如單個粒子與物質的相互作用有多種形式，即存在多個相互作用的截面，則總的相互作用截面等于 線性衰減系數(shù) linear attenuation coefficient表示1：X射線光子與每單

3、位厚度的物質發(fā)生相互作用的概率 （線性衰減系數(shù)）= n（m-1） n：靶物質單位體積內(nèi)的靶粒子數(shù) 可見：即作用截面與衰減系數(shù)只是同一物理性質的不同表達方式 表示2：X射線束穿過靶物質時在單位厚度上入射X射線光子數(shù)減少的百分數(shù) dx：光子穿過的物質薄層厚度 dN：穿過dx薄層時，有dN個光子與物質發(fā)生了作用 對于每一種作用形式，定義其相應的線性衰減系數(shù)，總的線性衰減系數(shù)等于質量衰減系數(shù) mass attenuation coefficient 線性衰減系數(shù)與吸收物質的密度成正比，物質密度越大，線性衰減系數(shù)越大，x射線衰減的程度越大，透射能力越弱。而物質的密度隨溫度或氣壓的變化而變化，因此線性衰減

4、系數(shù)也會隨溫度和氣壓的變化而變化。為避免這一缺陷，定義了質量衰減系數(shù)： m= / = n/ （m2kg-1） 物理意義：X光子穿過物體與單位質量厚度的物質發(fā)生相互作用概率. 總質量衰減系數(shù)等于各分質量衰減系數(shù)之和。 發(fā)生過程 X光子通過物質時，與物質原子的內(nèi)層電子或束縛電子（作用對象）發(fā)生相互作用，把全部能量傳遞給該電子，光子消失，獲得能量的電子掙脫原子束縛成為自由電子（光電子）；原子的電子軌道出現(xiàn)一個空位處于激發(fā)態(tài)，它將通過發(fā)射標識x射線的形式回到基態(tài)。次級粒子：光電子，正離子，新的光子（標識輻射光子） Photoelectric Effecte-+photoelectronCharacte

5、risticX-ray lineX-ray photon1.在0和180方向沒有光電子2.入射X光子能量很低時，垂直入射方向出現(xiàn)光電子的頻率最大；隨入射X光子能量增加，角分布逐漸傾向沿光子入射方向發(fā)生條件： 入射光電子的能量某殼層結合能，光電效應不發(fā)生。光電子動能 =入射光電子的能量-該出射光子在原所在原子殼層中的結合能 普通x射線影像技術中，x線能量10-300KeV，生物體K系電子結合能0.5KeV，所以完全可以發(fā)生光電效應，且光電效應占主導地位。作用系數(shù)：因光電效應而導致的X射線光子衰減的系數(shù)稱為光電衰減系數(shù)實驗證明光電質量衰減系數(shù)Z3 /（ ） 即：原子序數(shù)越大，電子在原子中束縛的越緊

6、，其參與光電效應的概率越大；x射線光子能量增大，光電效應概率迅速減小 水鉛LK水和鉛的光電質量衰減系數(shù)與X射線光子能量的關系1keV10keV100keV1MeV10MeV光子能量光電質量衰減系數(shù)光電效應在診斷放射學中的應用：1.無散射線，大大減少了照片的灰霧度2.X射線造影：利用射線衰減與原子序數(shù)z3，使用造影劑來增加人體組織與造影劑之間的吸收差別，提高影像對比度.3.軟X攝影：利用低能射線在軟組織中因光電吸收的明顯差別產(chǎn)生高對比度照片，詳見第二章 。4.高千伏攝影：低能時，入射的射線通過光電效應可全部被人體吸收，受檢者受射線劑量增加，所以應盡量減少光電效應的發(fā)生。一般利用光電效應中射線質量

7、衰減系數(shù)（即發(fā)生概率）與光子能量3次方成反比的原理，在實際工作中采用高千伏攝影，減少光電效應的發(fā)生，可降低射線劑量。發(fā)生過程：當入射X射線光子和原子內(nèi)一個軌道電子發(fā)生相互作用時，光子損失一部分能量，并改變運動方向，成為散射光子；電子獲得能量而脫離原子，成為反沖電子，這個過程稱為康普頓效應， 作用對象： X-射線與物質原子的外層電子或自由電子相互作用。入射X-射線光子把一部分能量傳給電子。1）入射光子與自由電子碰撞中，一部分能量轉移給自由電子，自己的能量下降，頻率降低，波長變長，獲得能量的自由電子脫離原子，稱為反沖電子。電子沿一角度反沖彈出，動能通過電離和激發(fā)過程最后變成熱消耗掉；2) 光子并不

8、消失，但能量減小（從而它的頻率降低），方向改變，這個光子稱散射光子；3) 結果:原射線方向下的光子數(shù)就減少（衰減）了。散射光子和反沖電子的角分布 散射光子可在0 -180的整個空間范圍內(nèi)散射，反沖電子只能出現(xiàn)在0 -90 的范圍內(nèi)。 隨著入射射線能量的增加，反沖電子和散射光子都表現(xiàn)為前沖趨勢1.0 MeV0.1 MeV10 MeV 康普頓反沖電子的角分布作用系數(shù)： 因康普頓效應導致的衰減的系數(shù)稱為康普頓衰減系數(shù)。 實驗證明：康普頓質量衰減系數(shù)1/ 即:入射光子能量越大，康普頓衰減系數(shù)越小。與吸收物質的原子序數(shù)無關。所有物質康普頓質量衰減系數(shù)幾乎相同（除氫元素外，大多數(shù)材料具有相同每克電子數(shù)）。

9、 但康普頓效應發(fā)生概率單位體積內(nèi)的電子總數(shù)，通常原子序數(shù)高的物質較高，發(fā)生康普頓散射的可能性也大一些。康普頓散射效應在診斷放射學中的應用： 診斷x射線放射學中，由人體組織引起的諸多衰減因素中最重要的是康普頓散射，是造成衰減的主要因素。同時散射線增加照片的灰霧，對成像會產(chǎn)生影響，降低了圖像的對比度；由患者身上散射射線的能量與原射線相差很小，且較均勻的分散在整個空間，成為對檢查人員的照射，但與光電效應相比受檢者的劑量較低。返回定義：入射光子與原子核周圍的電場相互作用時，一個光子的全部能量會轉變成具有靜止質量的一個負電子和一個正電子的現(xiàn)象 產(chǎn)生的正負電子對在物質中損失能量后，達到熱平衡，正電子在熱平

10、衡時與物質中的負電子產(chǎn)生淹沒光子，發(fā)出兩個0.511MeV的射線，方向相反。這兩個射線產(chǎn)生的時間非常短，與物質再次相互作用產(chǎn)生光電效應與康普頓效應，產(chǎn)生次級快速電子。作用對象： X-射線與物質原子在原子核區(qū)相互作用過程： X-射線光子的能量 1.02 Mev 產(chǎn)生電子對（一個電子和一個正電子）二者靜止質量所對應于的能量各為：光子有可能在原子核的電場中發(fā)生湮滅產(chǎn)生條件 電子對效應中的電子總動能Eke= -1.022Mev 光子能量 1.022Mev（正負電子的靜止能量） 湮滅輻射：正負電子的靜止質量相等，電荷量相等，電性相反，一般情況下，各自得到1/2 Eke ，當他們通過物質時，會通過電離或者

11、激發(fā)逐漸喪失其動能，當正電子動能完全喪失時，會與物質中的自由電子復合，兩電子消失，產(chǎn)生飛行方向相反能量各為0.511Mev的兩個光子的現(xiàn)象。 A. 相干散射(coherent scattering)五、X線與物質作用的其他過程 射線與物質相互作用而產(chǎn)生干涉(衍射)的散射過程叫相干散射。比如X線對年晶體衍射產(chǎn)生的勞厄斑就是相干散射現(xiàn)象. 相干散射是唯一不產(chǎn)生電離的過程。 光子與原子核作用發(fā)生核反應的過程。比如釋放中子、質子、粒子和光子等。光核作用在X線診斷過程中不能發(fā)生，在放療中發(fā)生率也很低。 B.光核作用X線引發(fā)效應小結光核作用六、各種相互作用的相對重要性總的質量衰減系數(shù)總結： 0.01-0. 8Mev，光電效應占主導 0. 8-4.0Mev，康普頓散射占主導 4.0-10Mev，電子對效應占優(yōu)勢 醫(yī)學影像中，x射線能量3.0Mev,所以無電子對效應。 對低能射線，不管吸收物質的原子序數(shù)如何，主要是光電效應（乳腺攝影）。 對高原子序數(shù)的碘，在整個診斷用射線范圍內(nèi)，以光電效應為主；原子序數(shù)較低的水和骨，隨射線能量的增加，康普頓散射占主要地位。 不同原子序數(shù)、不同光子能量下，衰減系數(shù)各成分所占 的主要區(qū)段放射診斷學中三種作用發(fā)生的相對幾率放射診斷學中作用幾率與Z和E的關系X射線能量(KeV)水（Z=7.4)骨