1、1.3 X射線與物質(zhì)的相互作用,X-射線成像的物理基礎(chǔ)X-射線與物質(zhì)的相互作用 X-射線與物質(zhì)的相互作用的過程: 入射X-射線通過物質(zhì)時(shí)，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(duì)生成。,X線光子進(jìn)入生物組織,電子沿徑跡 損失能量,康普頓效應(yīng),電子對(duì)效應(yīng),光電效應(yīng),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,第三節(jié) X射線與物質(zhì)的相互作用,一、X射線與物質(zhì)相互作用系數(shù),二、光電效應(yīng)(photoelectric effect) 、康普頓效應(yīng)(Compton effect) 、電子對(duì)效應(yīng)(electric pair e

2、ffect),五、X射線與物質(zhì)的其它相互作用過程,六、各種相互作用的相對(duì)重要性,一、x射線與物質(zhì)相互作用系數(shù),作用截面（反應(yīng)截面） 一個(gè)入射粒子與單位面積上一個(gè)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(zhì)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(zhì)的厚度 Nx：表示底面積為單位面積，長(zhǎng)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(gè)粒子與物質(zhì)的相互作用有多種形式，即存在多個(gè)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

3、單位厚度的物質(zhì)發(fā)生相互作用的概率 （線性衰減系數(shù)）= n（m-1） n：靶物質(zhì)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(zhì)的不同表達(dá)方式 表示2：X射線束穿過靶物質(zhì)時(shí)在單位厚度上入射X射線光子數(shù)減少的百分?jǐn)?shù) dx：光子穿過的物質(zhì)薄層厚度 dN：穿過dx薄層時(shí)，有dN個(gè)光子與物質(zhì)發(fā)生了作用 對(duì)于每一種作用形式，定義其相應(yīng)的線性衰減系數(shù)，總的線性衰減系數(shù)等于,質(zhì)量衰減系數(shù) mass attenuation coefficient 線性衰減系數(shù)與吸收物質(zhì)的密度成正比，物質(zhì)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(zhì)的密度隨溫度或氣壓的變化而變化，因此線性

4、衰減系數(shù)也會(huì)隨溫度和氣壓的變化而變化。為避免這一缺陷，定義了質(zhì)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(zhì)量厚度的物質(zhì)發(fā)生相互作用概率. 總質(zhì)量衰減系數(shù)等于各分質(zhì)量衰減系數(shù)之和。,二、主要作用形式,光電效應(yīng)（吸收）（photo electric effect） 康普頓效應(yīng)（散射）（compton scattering） 電子對(duì)效應(yīng)（electric pair effect）,下一頁,發(fā)生過程 X光子通過物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)原子的內(nèi)層電子或束縛電子（作用對(duì)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

5、電子軌道出現(xiàn)一個(gè)空位處于激發(fā)態(tài)，它將通過發(fā)射標(biāo)識(shí)x射線的形式回到基態(tài)。,次級(jí)粒子：光電子，正離子，新的光子（標(biāo)識(shí)輻射光子）,Photoelectric Effect,e-,+,photoelectron,Characteristic X-ray line,X-ray photon,1.在0和180方向沒有光電子 2.入射X光子能量很低時(shí)，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,X-射線與物質(zhì)原子的內(nèi)層電子或束縛電子相互作用。 過程： 若光子能量大于束縛電子的結(jié)合能。 1） 電子被光子擊出：“光電子”產(chǎn)生。光子本身消失了， 2） 物質(zhì)的原子被電

6、離，原殼層處留下空位。 3） “光電子”繼續(xù)撞擊物質(zhì)中的其它原子，它的動(dòng)能以熱的形式 消耗在附近晶格中； 4） 空位為外層電子（自由電子）所填充，產(chǎn)生輻射，發(fā)出標(biāo)識(shí)X-射 線光子。 5) 原子內(nèi)殼層電離時(shí)，所缺一個(gè)電子留下的空位由原子內(nèi)較高能量的電子來補(bǔ)充，但這時(shí)并不發(fā)出輻射而把躍遷的能量交給另一個(gè)較高能量的電子，使之激發(fā)到原子外面成為自由電子，這個(gè)電子就是俄歇電子,發(fā)生條件： 入射光電子的能量某殼層結(jié)合能，光電效應(yīng)不發(fā)生。 光電子動(dòng)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(jié)合能 普通x射線影像技術(shù)中，x線能量10-300KeV，生物體K系電子結(jié)合能0.5KeV，所以完全可以發(fā)生

7、光電效應(yīng)，且光電效應(yīng)占主導(dǎo)地位。 作用系數(shù)： 因光電效應(yīng)而導(dǎo)致的X射線光子衰減的系數(shù)稱為光電衰減系數(shù) 實(shí)驗(yàn)證明光電質(zhì)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，其參與光電效應(yīng)的概率越大；x射線光子能量增大，光電效應(yīng)概率迅速減小,水和鉛的光電質(zhì)量衰減系數(shù)與X射線光子能量的關(guān)系,1keV,10keV,100keV,1MeV,10MeV,光子能量,光電質(zhì)量衰減系數(shù),光電效應(yīng)在診斷放射學(xué)中的應(yīng)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(duì)比度. 3.軟X攝影：利用低能射線在軟組織

8、中因光電吸收的明顯差別產(chǎn)生高對(duì)比度照片，詳見第二章 。 4.高千伏攝影：低能時(shí)，入射的射線通過光電效應(yīng)可全部被人體吸收，受檢者受射線劑量增加，所以應(yīng)盡量減少光電效應(yīng)的發(fā)生。一般利用光電效應(yīng)中射線質(zhì)量衰減系數(shù)（即發(fā)生概率）與光子能量3次方成反比的原理，在實(shí)際工作中采用高千伏攝影，減少光電效應(yīng)的發(fā)生，可降低射線劑量。,習(xí)題1-9：放射診斷學(xué)中的光電效應(yīng),a. 優(yōu)點(diǎn) 提高成像質(zhì)量,b. 缺點(diǎn) 入射X線通過光電效應(yīng)幾乎全部被人,放療時(shí)增加對(duì)腫瘤組織的劑量,因光電轉(zhuǎn)換減少散射線，故減少照片灰霧,利用造影劑可增加對(duì)比度,體吸收，增加了受檢者的劑量，對(duì)人體有負(fù)面作用。,返回,發(fā)生過程：當(dāng)入射X射線光子和原子

9、內(nèi)一個(gè)軌道電子發(fā)生相互作用時(shí)，光子損失一部分能量，并改變運(yùn)動(dòng)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(gè)過程稱為康普頓效應(yīng)，,作用對(duì)象： X-射線與物質(zhì)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(zhuǎn)移給自由電子，自己的能量下降，頻率降低，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，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(dòng)能通過電離和激發(fā)過程最后變成熱消耗掉； 2) 光子并不消失，但能量減小（從而它的頻率降低），方向改變，這個(gè)光子稱散射光子； 3) 結(jié)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

10、分布,康普頓散射光子的角分布,散射光子可在0 -180的整個(gè)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(shì),注:康普頓效應(yīng)的散射線，是X線檢查中最大的散射線來源,且充滿整個(gè)檢查室空間。必須引起工作人員和防護(hù)人員的重視,并采取防護(hù)措施.,散射光子和反沖電子的角分布,散射光子可在0 -180的整個(gè)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(shì),康普頓反沖電子的角分布,作用系數(shù)： 因康普頓效應(yīng)導(dǎo)致的衰減的系數(shù)稱為康普頓衰減系數(shù)。 實(shí)驗(yàn)證明：康普頓質(zhì)量衰減系數(shù)1/

11、 即:入射光子能量越大，康普頓衰減系數(shù)越小。與吸收物質(zhì)的原子序數(shù)無關(guān)。所有物質(zhì)康普頓質(zhì)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)）。 但康普頓效應(yīng)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(zhì)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(yīng)在診斷放射學(xué)中的應(yīng)用： 診斷x射線放射學(xué)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(shí)散射線增加照片的灰霧，對(duì)成像會(huì)產(chǎn)生影響，降低了圖像的對(duì)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(gè)空間，成為對(duì)檢查人員的照射，但與光電效應(yīng)相比受檢者的劑量較低。,返回,定義：入射光子與原

12、子核周圍的電場(chǎng)相互作用時(shí)，一個(gè)光子的全部能量會(huì)轉(zhuǎn)變成具有靜止質(zhì)量的一個(gè)負(fù)電子和一個(gè)正電子的現(xiàn)象,產(chǎn)生的正負(fù)電子對(duì)在物質(zhì)中損失能量后，達(dá)到熱平衡，正電子在熱平衡時(shí)與物質(zhì)中的負(fù)電子產(chǎn)生淹沒光子，發(fā)出兩個(gè)0.511MeV的射線，方向相反。這兩個(gè)射線產(chǎn)生的時(shí)間非常短，與物質(zhì)再次相互作用產(chǎn)生光電效應(yīng)與康普頓效應(yīng)，產(chǎn)生次級(jí)快速電子。,作用對(duì)象： X-射線與物質(zhì)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(duì)（一個(gè)電子和一個(gè)正電子） 二者靜止質(zhì)量所對(duì)應(yīng)于的能量各為：,光子有可能在原子核的電場(chǎng)中發(fā)生湮滅,產(chǎn)生條件 電子對(duì)效應(yīng)中的電子總動(dòng)能Eke= -1.022Mev 光子能量

13、1.022Mev（正負(fù)電子的靜止能量） 湮滅輻射：正負(fù)電子的靜止質(zhì)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(dāng)他們通過物質(zhì)時(shí)，會(huì)通過電離或者激發(fā)逐漸喪失其動(dòng)能，當(dāng)正電子動(dòng)能完全喪失時(shí)，會(huì)與物質(zhì)中的自由電子復(fù)合，兩電子消失，產(chǎn)生飛行方向相反能量各為0.511Mev的兩個(gè)光子的現(xiàn)象。,作用系數(shù)： 電子對(duì)效應(yīng)的質(zhì)量衰減系數(shù)與原子序數(shù)成正比。 當(dāng)能量較低時(shí)，作用系數(shù)隨X射線光子能量線性增加；高能時(shí)，隨射線光子能量的變化逐漸變慢（對(duì)數(shù)關(guān)系）。 所以，電子對(duì)效應(yīng)的截面與Z成正比，隨X射線能量增大而增大。,返回,當(dāng)h 2mec2時(shí),當(dāng)h2mec2時(shí),電子對(duì)線性衰減系數(shù)，用符號(hào)“ ”

14、表示； 電子對(duì)質(zhì)量衰減系數(shù)，用符號(hào)“ ”表示。,A. 相干散射(coherent scattering),五、X線與物質(zhì)作用的其他過程,射線與物質(zhì)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(duì)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(yīng)的過程。比如釋放中子、質(zhì)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(yīng)小結(jié),光核作用,在探測(cè)x射線時(shí)，主要利用x射線與物質(zhì)的三種相互作用（光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)與電子對(duì)效應(yīng)）。這三種效應(yīng)，一次作用損失掉全部或大部分能量，然后產(chǎn)生次級(jí)電子，再在物質(zhì)中產(chǎn)生電離與激發(fā)等效應(yīng)，我們可以對(duì)其產(chǎn)生的電子進(jìn)行探測(cè)。這三種效應(yīng)互相競(jìng)爭(zhēng)，其產(chǎn)生的截面與x射線的能量以及物質(zhì)的特性有關(guān).,總結(jié)：作為整體效應(yīng)，不管哪種作用占優(yōu)勢(shì)， X線能量，光電效應(yīng)發(fā)生的概率，衰減量，透過量。,X線引發(fā)效應(yīng)小結(jié),六、各種相互作用的相對(duì)重要性,總的質(zhì)量衰減系數(shù) 總結(jié)： 0.01-0. 8Mev，光電效應(yīng)占主導(dǎo) 0. 8-4.0Mev，康普頓散射占主導(dǎo) 4.0-10Mev，電子對(duì)效應(yīng)占優(yōu)勢(shì) 醫(yī)學(xué)影像中，x射線能量3.0Mev,所以無電子對(duì)效應(yīng)。 對(duì)低能射線，不管吸收物質(zhì)的原子序數(shù)如何，主要是光電效應(yīng)（乳腺攝影）。 對(duì)高原子序數(shù)的碘，在整個(gè)診