1、第3章 X射線與物質(zhì)的作用,電離的概念,帶電離子（電子、質(zhì)子、 粒子等）與物質(zhì)的作用,-直接電離。 非帶電離子（光子）與物質(zhì)的作用-間接電離。,3.1 X線與物質(zhì)的作用機(jī)制,X射線與物質(zhì)作用，結(jié)果三個： 1、入射光子在作用過程中被吸收 2、X射線在作用過程中被散射 3、與介質(zhì)沒有作用而穿過,X線與物質(zhì)的作用方式,光電吸收效應(yīng)（Photoelectric Absorption Effect） 康普敦散射（Compton Scattering） 湯姆森散射（Thompson Scattering） 瑞利散射（Rayleigh Scattering） 電子對效應(yīng)（Electric pair effe

2、ct）,湯姆森散射與瑞利散射,湯姆森散射是發(fā)生在低能光子與單個自由電子之間的散射現(xiàn)象。瑞利散射是光子與原子的多個自由電子之間發(fā)生的湯姆森散射的疊加。散射過程中光子只改變方向，沒有能量損失。 隨著光子能量的升高，湯姆森散射或瑞利散射的概率迅速下降，康普頓散射變?yōu)橹饕纳⑸浞绞健Ｒ虼?，湯姆森散射或瑞利散射對醫(yī)學(xué)成像影響不大（乳腺成像除外）。,電子對效應(yīng),當(dāng)X射線光子能量超過1.02MeV時，光子與原子核作用會產(chǎn)生一個正負(fù)電子對。其中的正電子與周圍負(fù)電子發(fā)生湮滅效應(yīng)，輻射兩個能量各為511KeV的光子。,重點介紹,光電吸收效應(yīng) 康普頓散射 與醫(yī)學(xué)成像密切相關(guān),3.1.1 幾個相關(guān)參數(shù),反應(yīng)截面 衰減

3、系數(shù) 半價層,1、反應(yīng)截面,I0,散射光子,探測器,I,X,一個單位靶面積（如1cm2），厚度Xcm，靶內(nèi)單位體積中原子核數(shù)是N，有： I = I0-I = *N*I0*X,反應(yīng)截面,=I/(I0 *N*X) 單位時間反應(yīng)了的光子數(shù) （單位時間入射的總光子數(shù)*單位面積的靶核數(shù)） 表示光子束與單個靶核發(fā)生相互作用的平均概率。量綱：面積。單位：靶恩（barn,b) 1b= 10-24 cm2 t =-總反應(yīng)截面 t= pe + c-近似等于光電吸收截面與康普敦散射截面之和。,反應(yīng)截面,也稱為微觀截面 光子束與介質(zhì)單個靶核作用的幾率 宏觀截面=N t 光子束與介質(zhì)所有靶核作用的幾率，更符合工程實際.

4、量綱=1/cm 核密度：N=NA*/A ,單位：個/ cm3 NA=6.022* 1023/mol，阿伏加德羅常數(shù) 為靶密度，單位：g/cm3 A為靶物質(zhì)的原子量。,= N t =I/(I0 *X) 例：=0.25/cm,光子在其中穿過1cm時，被組織吸收的概率是0.25。,線性衰減系數(shù) 質(zhì)量衰減系數(shù),2、物質(zhì)對輻射的衰減系數(shù),線性衰減系數(shù)：與單位厚度的物質(zhì)發(fā)生作用的光子數(shù)與總光子數(shù)的比值,線性衰減系數(shù),對厚度d積分： I = Ioe-d 上式就是利用線性衰減系數(shù)對單色X線在特定物質(zhì)中衰減的定量描述。 量綱為長度的倒數(shù)，典型為米分之一,衰減系數(shù)之二：質(zhì)量衰減系數(shù),將線性衰減系數(shù)除以衰減物的密度

5、，就是質(zhì)量衰減系數(shù)，即 /。將質(zhì)量衰減系數(shù)引入式上式，得： I = Ioe-( /) d 式中d 實際是射線穿過的單位面積上的物質(zhì)質(zhì)量，稱為質(zhì)量厚度，單位是g/cm2。 質(zhì)量厚度厚度密度,質(zhì)量衰減系數(shù),如果將質(zhì)量衰減系數(shù)用m表示，質(zhì)量厚度用Tm表示，則 質(zhì)量衰減系數(shù)相當(dāng)于將線性衰減系數(shù)對物質(zhì)密度作歸一化，所以質(zhì)量衰減系數(shù)與物質(zhì)密度無關(guān)，只表現(xiàn)物質(zhì)組成的差別。質(zhì)量衰減系數(shù)的單位是cm2/g。,3、線性衰減系數(shù)與反應(yīng)截面的關(guān)系,= N = 宏觀截面與線性衰減系數(shù)完全一致。,4、輻射的穿透能力：半價層,定義：輻射強(qiáng)度下降為原強(qiáng)度的一半時所穿過的 物質(zhì)厚度，通常記為HVL(Half Value Lay

6、er)。 半價層與線性衰減系數(shù)的關(guān)系： 要強(qiáng)調(diào)的是，半價層對輻射的衰減關(guān)系同樣只 適用于單色射線。,3.1.2 光電效應(yīng),1、光電吸收現(xiàn)象 光電作用過程是光致電離的過程，一個輻射光子使原子的一個殼層電子脫離原子，變成光電子。 光子的能量用來克服電子的結(jié)合能使原子電離，剩余部分能量變?yōu)楣怆娮拥膭幽?。這一現(xiàn)象就叫光電效應(yīng)。 如果光電子來自較低能級的殼層（如K、L層），那么留出的空位在被更高能級的電子填充時會產(chǎn)生標(biāo)識輻射光子。這個過程與高速電子轟擊陽極靶產(chǎn)生標(biāo)識輻射X線光子的過程類似。,圖解光電效應(yīng),圖3-7 光電作用示意圖,幾點說明,1）光子能量如低于原子中電子結(jié)合能 E，光電 效應(yīng)不會發(fā)生。 2

7、）hv 略大于 E 時最易發(fā)生，一部分克服 E ， 剩下的一點形成電子動能。 3）電子和標(biāo)識光子將能轉(zhuǎn)換給周圍物質(zhì)，完全 被吸收。 4）生物組織中多數(shù)原子 E = 0.5 KeV，醫(yī)用X線 的能量10KeV-100KeV，完全可能發(fā)生。,光電效應(yīng)的次級粒子,光電子 正粒子（丟了電子的核） 標(biāo)識光子（二次光子），再與物質(zhì)作用，直到完全被吸收,2、光電效應(yīng)發(fā)生的概率,如果輻射光子能量大于原子的K 殼層結(jié)合能，那么發(fā)生光電吸收的微觀截面為 KZ4/E3 其中： Z：衰減物質(zhì)的原子序數(shù)， E：光子能量， K：9.810-24。,光電效應(yīng)的宏觀截面,經(jīng)推導(dǎo)，光電吸收的宏觀截面為 1）考慮到除氫外的大多數(shù)

8、介質(zhì)，包括人體組織，Z/A值的差異很小，可以看作是一個常數(shù)。 2）雖然各種人體組織中都含有大量氫元素，但是每個氫原子只有一個軌道電子，影響有限。,光電效應(yīng)的總幾率,其中：,為常數(shù)。,與介質(zhì)的密度成正比 與介質(zhì)原子序數(shù)的三次方成正比 與光子能量的三次方成反比,光電吸收效應(yīng)的總幾率,3、光電效應(yīng)對X射線成像的作用,1、光電效應(yīng)由較弱的X射線引起，主要產(chǎn)生光電子、正粒子、標(biāo)識光子、不產(chǎn)生X射線，可減少圖像灰霧。 2、造影時利用大原子序數(shù)造影劑光電效應(yīng)概率高的特點，產(chǎn)生高對比度的造影圖像。 3、可增加人體對X射線的吸收。要避免可提高管壓。,3.1.3 康普頓散射,康普敦（A.H.Compton l89

9、21962）研究了X射線經(jīng)金屬或石墨等物質(zhì)散射后的光譜。根據(jù)古典電磁波理論，入射波長應(yīng)與散射波長相等，而康普敦的實驗卻發(fā)現(xiàn)，除有波長不變的散射外，還有大于入射波長的散射存在，這種改變波長的散射稱為康普敦效應(yīng)。,康普頓散射,光的波動說無論如何也不能解釋這種效應(yīng)，而光量子假說卻能成功地解釋它。按照光量子理論，入射X射線是光子束，光子同散射體中的自由電子碰撞時，將把自己的一部分能量給了電子，由于散射后的光子能量減少了，從而使光子的頻率減小，波長變大。因此，康普敦效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，有力地證實了光量子假說。,康普頓散射,能量較高的輻射光子在與物質(zhì)相互作用時，光子方向發(fā)生偏離，能量（頻率、波長）也發(fā)生變化。這一

10、現(xiàn)象由A H Compton首先發(fā)現(xiàn)，他把這一現(xiàn)象解釋為輻射光子與“自由”電子非彈性碰撞的結(jié)果。,圖解康普頓散射,圖4-6 康普敦散射示意圖,康普頓散射,散射光子波長變化： 是散射光子波長， 0為入射光子波長，m0為自由電子靜止質(zhì)量，c是光速，h是普朗克常數(shù)。 根據(jù)此式，散射光子波長改變只取決于散射角度，而與光子能量無關(guān)。,康普頓散射,h/m0c=0.00243nm稱為電子的康普敦波長。 物理意義：入射光子的能量等于電子的靜止能量時的波長。 可由公式推出。,康普頓散射,反沖電子方向與散射光子方向的關(guān)系： =E/m0c2 Em0c2 1 (-)/2,圖解康普頓散射,只取決于散射角度,幾點說明,1

11、）散射光子包含兩種情況 1.與原子入射光子波長相同的光子。入射光子與結(jié)合能大的電子發(fā)生彈性碰撞，能量沒有任何損失。但方向改變。 2.比原光子波長長的光子，表示散射光子能量比原光子減少（非彈性碰撞）。 2）同樣入射光子能量條件下，康普頓散射更易發(fā)生在Z大的物質(zhì)中，因其單位體積中電子數(shù)量中電子數(shù)多些。 3）獲取能量的自由電子，有一部分可以離開原子本身，稱為“反沖電子”。,康普頓散射的次級粒子,運動的自由電子（反沖電子） 散射光子 hv散 新的標(biāo)識光子,2、康普頓散射發(fā)生的概率,與介質(zhì)的原子序數(shù)關(guān)系不大， 與介質(zhì)的密度成正比， 與光子能量成反比。,3、康普頓散射對醫(yī)學(xué)成像的影響,是X射線成像的最大散

12、射線來源，影響成像質(zhì)量。 散射到各個方向，須加強(qiáng)防護(hù)。,3.1.4 電子對效應(yīng),1、電子對效應(yīng)的產(chǎn)生 入射光子與原子核周圍電場作用時，一個光子的能量轉(zhuǎn)化為一個正電子和一個負(fù)電子，稱為“電子對效應(yīng)”。 電子對總動能：,電子對效應(yīng),1)發(fā)生條件： 2）電子對在物質(zhì)中電離或激發(fā)并逐步散失能量。 正電子最后與一個自由電子“同歸于盡”，并產(chǎn)生兩個能量各為0.511MeV方向相反運動的光子。 這稱為電子對的“湮滅效應(yīng)”,電子對效應(yīng),2、電子對效應(yīng)的概率,高能量的光子和大原子序數(shù)的介質(zhì)對電子對效應(yīng)的發(fā)生是有利的。 由于醫(yī)學(xué)成像的射線能量不會超過200KeV，故電子對效應(yīng)在醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域不會出現(xiàn)。,三種作用方式

13、的總結(jié),1) 光子能量一般在 0.01-10MeV 范圍。 2) 0.01-0.8MeV時，光電效應(yīng)占主導(dǎo)。 0.8-4.0MeV時，康普頓散射占主導(dǎo)。 4.0-10.MeV時，電子對效應(yīng)占主導(dǎo)。 3) 醫(yī)學(xué)影像中X線不超過 0.3 MeV，故電子對效應(yīng)不可能發(fā)生。,作用方式的總結(jié),作用方式的總結(jié),X 線在人體組織中的衰減,1）X線100KeV時，透射占30% 2）與人體作用形式： 光電效應(yīng)，康普頓散射 3）光電效應(yīng)占的百分?jǐn)?shù)：,3.2 X線在介質(zhì)中的吸收,包括： 1.化合物與混合物的等效原子序數(shù) 2.邊緣吸收現(xiàn)象 3.連續(xù)能譜X射線在介質(zhì)中的衰減,3.2.1 等效原子序數(shù),如果衰減物是由多種

14、元素構(gòu)成的化合物或混合物，那么原子序數(shù)Z應(yīng)由衰減物的等效原子序數(shù)Ze代替： i為電子分?jǐn)?shù)：第i 種元素在單位體積中電子數(shù)的占有比率。,等效原子序數(shù),等效公式： 其中： ai 為第 i 種元素原子在分子中的原子個數(shù)。 Zi 為第 i 種元素的原子序數(shù)。 例：,表4-1 人體主要組織及部分常用物質(zhì)的Ze、Ze/A和 。,表4.3 人體主要組織的 Ze、Ze/A 表4.4 人體主要構(gòu)成元素的Z/A值,3.2.2 邊緣吸收現(xiàn)象,光電作用的“吸收邊緣” 現(xiàn)象,吸收邊緣也稱吸收限 以鎢靶為例子說明 鎢原子電子結(jié)合能(keV) K：69.525KeV， L：10.207 12.100KeV， M：1.809

15、2.820 KeV,圖4-2 質(zhì)量衰減系數(shù)與光子能量的關(guān)系,吸收邊緣（吸收限）, 隨 E 的增加而下降，因E大則截面小 三大突變分別稱為 K、L、M 吸收限 L 吸收限中又有三個小的起伏， M 中有五個小的起伏 K 的一個吸收限表示光子的能量足以使1s層的一個電子脫離原子，引起原子共振吸收， 有一個明顯增加。L、M層的吸收限也一樣,3.2.3連續(xù)能譜射線在介質(zhì)中的衰減,連續(xù)能譜射線在介質(zhì)中的衰減,X射線的濾過,1.固有濾過 2.附加濾過,為什么要濾過？,3.3 X射線與人體組織的交互,1、人體組織的電子密度和原子序數(shù) 康普敦散射與物體的電子密度有關(guān)，與原子序數(shù)無關(guān)。 骨與軟體組織之間成像時，骨由于密度大與軟體組織，其電子密度也大，這時以康普敦散射為