成像理论第二章 02.ppt

第二节 X线与物质的相互作用,X线是一种光子能量很大的电磁辐射，当它与物质作用时，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能量，而是通过一次相互作用就可损失大部分或全部能量。,X线与物质的作用都是和原子发生作用。组成分子的各原子间的结合力很小，不能阻止能量很大的X光子，射线的分子效应完全是由于原子的变化造成的。X线在物质中引起物理的、化学的和生物的各种效应，这些效应的产生不是简单的能量转换，而是一个复杂的过程。,当X光子进入生物组织后，与电子相互作用，形成高速电子和散射线。高速电子在通过组织时，与沿途原子相互作用，使其电离或激发，所以这些都产生化学变化和生物损伤。有些高速电子还可以发生辐射性碰撞而产生轫致辐射，这些轫致辐射与散射线又像原射线一样继续与物质的原子作用，重复上述过程。通常一个入射X线光子的全部能量都转移给电子，平均需30次左右的相互作用,X线通过物质时仅引起少量的初级电离，而绝大部分的电离都是由初级电离产生的电子继续与物质作用时产生的次记电离。所谓X线的生物效应，其实是它们次级电子所产生的生物效应,图2-15表示X线光子进入生物组织后，光子能量在其中转移、吸收及最终引起生物效应。可以看出，在物质中每经历一次相互作用，光子的一部分能量转移给电子，另一部分则被散射光子带走,电子、原子核、带电粒子的电场及原子核的介子场发生相互作用作用结果：光子吸收、弹性散射和非弹性散射。发生吸收时，光子能量全部变为其他形式能量弹性散射仅仅改变辐射的传播方向非弹性散射不仅改变辐射的方向，同时也部分地吸收光子的能量,光电效应、康普顿效应及电子对效应是三种主要过程，损失其能量的绝大部分；其他过程，如相干散射等造成的能量损失所占比例甚少。,一、光电效应,1、光电效应 也称为光电吸收。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），而光子本身整个被原子吸收，这样作用过程称为光电效应。爱因斯坦因此获得诺贝尔物理学奖,爱因斯坦光电方程 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，该电子称俄歇电子,光电效应示意图,光电效应实质：物质吸收X线使其产生电离过程此过程中产生次级粒子：（1）负离子（光电子、俄歇电子）（2）正离子（失去电子的原子）（3）特征辐射2、光电效应发生概率三方面因素限制（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：,轨道电子与原子核结合越紧密越容易发生光电效应对于高Z物质，除K层电子容易发生光电效应，其他壳层也易发生。低Z物质，几乎只有K层电子发生。,（2）入射光子能量的影响 光电效应发生的条件：入射光子能量轨道电子结合能，但光子能量越大光电效应发生的概率反而迅速减小。理论与实验证明，光电效应概率大约与光子能量的三次方成反比：,（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，就可以绘出m与入射光子能量hv变化的关系图。图2-17水和铅的光电质量衰减系数随入射光子能量的变化曲线。,3、光电效率中的特征辐射X线产生中的特征辐射和光电效应中的特征辐射的意思完全相同。在X线管中击脱轨道电子的是从阴极飞来的高速电子；光电效应中的是X光子击脱轨道电子。他们的结果相同都是造成电子空位，产生特征辐射,图2-18碘的特征辐射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，其发生后几毫米之内就被吸收。人体其他元素的特征辐射能更小。可见，人体组织由X线照射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90角射出的概率最大。随光子能量的增加，光电子的分布逐渐倾向于前方。能量低 大角度分散能量高 小角度集中（电离方向）,5、诊断放射学中的光电效应优点 提高成像质量(1)因光电转换减少散射，故减少照片灰雾;(2)可增强人体不同组织的对比度（3）放疗时增加对肿瘤组织的剂量缺点 入射X线通过光电效应几乎全部被人 体吸收，增加了受检者的剂量，对人体有负面作用。因光电效应发生概率与光子能量的三次方成反比，利用这个特性，在实际工作中采用高千伏摄影技术，达到降低剂量的目的,二、康普顿效应,1、康普顿效应又称康普顿散射，是射线光子能量被部分吸收而产生散射线的过程。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），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的方向射出（反冲电子），这个作用过程成为康普顿效应,这个过程是康普顿和我国物理学家吴有训首先发现，故称为康普顿吴有训效应,阿瑟康普顿Arthur Holly Compton1892-1962美国芝加哥大学实验物理学家X射线研究因发现康普顿效应 1927年诺贝尔物理学奖,康普顿自制的X线管,吴有训（1897.4.21977.11.30）物理学家、教育家，中国近代物理研究最杰出的奠基人之一。1922年入美国芝加哥大学就读。1925年获博士学位。回国后先后担任清华大学教授和系主任、理学院院长、西南联合大学理学院院长、清华大学金属研究所所长、中央大学校长等职，两度当选为中国物理学会会长。全国解放后，历任上海交通大学校务委员会主任、华东教育部长、中科院近代物理研究所所长、中科院副院长、中国科协副主席等职,2、康普顿效应发生的概率康普顿质量衰减系数：（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，因除氢外，大多数材料几乎有相同的（每克电子数）（表2-3），因此，几乎所有物质的 相同,（2）入射光子的能量：康普顿效应的发生概率与波长成正比，即与入射光子能量成反比。随着入射光子能量的增加康普顿效应越来越重要，而光电效应很快降低。,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，把康普顿效应看成入射光子与自由电子的碰撞。,三种碰撞情况：1、若光子从电子边上擦过，其偏转角度很小，反冲电子获得能量也很小，这时散射光子却保留绝大部分能量；2、如果碰撞更直接些，光子的偏转角度增大，损失的能量增多；3、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。,光子可以在0180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。散射光子的能量随散射角 的增大而减小根据能量守恒和动力守恒，康普顿散射中光子波长的改变（2-27）对于给定的散射角，光子波长的改变与入射光子的能量无关，只与散射角有关。,散射光子能量：散射光子的最小能量？当入射光子能量不变时，散射光子能量随散射角如何变化？,康普顿散射中，散射光子保留了大部分能量，传递给反冲电子的能量很少。存在问题：散射线能量大，滤过板不能滤掉；由于是小角度偏转，滤线栅也不能滤掉。产生结果：小角度偏转的光子，几乎仍保留其全部能量。小角度的散射线不可避免要到达胶片产生灰雾而降低照片质量,注:康普顿效应的散射线，是X线检查中最大的散射线来源,且充满整个检查室空间。必须引起工作人员和防护人员的重视,并采取防护措施,4、散射光子和反冲电子的角分布,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，这个过程称为电子对效应。,一个电子的静止质量能，一个电子对的静止质量能1.02MeV。根据能量守和定率，要产生电子对效应，入射光子的能量必须大于等于1.02MeV。光子能量超过该能量的部分转变为正、负电子的动能，即：式中正负电子的动能不一定相等。,正电子与电子的静止质量相等，所带电量相等，但性质相反。生成的正、负电子在物质中穿行，通过电离或激发不断损失其自身的能量，最后慢化的正电子在停止前的一刹那与物质中的自由电子结合，随即向相反方向射出两个能量各为0.51MeV的光子，该作用称为湮灭。,2、电子对发生概率原子序数Z的平方成正比，单位体积内的原子个数n，光子能量hv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。,原子序数、光子能量与三种基本作用的关系在0.0110MeV这个常见范围，几乎所有效应都是由光电效应、康普顿效应、电子对效应这三个基本过程产生,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。否则就是非相干散射，康普顿效应是非相干散射相干散射：瑞利散射、核的弹性散射、德布罗克散射当入射光子在低能范围0.5200keV时，瑞利散射概率不可忽视，因此相干散射主要是指瑞利散射,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。只改变方向，能量没变，实际上是折射,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质量衰减系数与原子序数和入射X线光子能量的关系：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较小。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%。,2、光核作用：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。发生条件：发生概率5%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。,五、在诊断放射学中各种作用发生概率,在20100keV诊断用X线能量范围:光电效应和康普顿效应是重要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发生。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。,表2-4 诊断放射学中两种作用概率与Z和hv的关系,水代表低Z物质，如肌肉、脂肪等；骨代表人体中的中等Z物质；碘化钠代表高Z物质。数据说明，随hv增大，光电效应概率下降。对低Z是迅速下降，对高Z是缓慢下降，对中等Z物质的骨介于两者之间。对20kV的低能X线，各种物质以光电效应为主。,谢谢！,