X射線與物質(zhì)的相互作用課件

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)§1.3X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(guò)程:

入射X-射線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，光子漸漸損失掉，在入射方向，射線愈來(lái)愈弱，衰減。衰減的過(guò)程主要有三種：光電吸收，散射和電子對(duì)生成。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)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

σ=-（△I/I）/N·△xb（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(guò)的靶物質(zhì)的厚度

N·△x：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

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)

線性衰減系數(shù)μlinearattenuationcoefficient表示1：X射線光子與每單位厚度的物質(zhì)發(fā)生相互作用的概率

μ（線性衰減系數(shù)）=σ·n（m-1）

n：靶物質(zhì)單位體積內(nèi)的靶粒子數(shù)可見(jiàn)：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(guò)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(guò)的物質(zhì)薄層厚度

dN：穿過(guò)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)等于醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)質(zhì)量衰減系數(shù)massattenuationcoefficient

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)：

μm=μ/

=σ

n/

（m2kg-1）

物理意義：X光子穿過(guò)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。

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)二、主要作用形式光電效應(yīng)（吸收）（photoelectriceffect）康普頓效應(yīng)（散射）（comptonscattering）電子對(duì)效應(yīng)（electricpaireffect）下一頁(yè)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)定義：

X光子通過(guò)物質(zhì)時(shí)，與物質(zhì)原子的內(nèi)層電子或束縛電子發(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(gè)空位處于激發(fā)態(tài)，它將通過(guò)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）

PhotoelectricEffecte-+photoelectronCharacteristicX-raylineX-rayphoton醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)

作用對(duì)象：

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(guò)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(lái)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

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)1.在0°和180°方向沒(méi)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醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)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

/（?ν）3

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

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)光電效應(yīng)在診斷放射學(xué)中的應(yīng)用：1.無(wú)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(lái)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中因光電吸收的明顯差別產(chǎn)生高對(duì)比度照片，詳見(jiàn)第二章。4.高千伏攝影：低能時(shí)，入射的射線通過(guò)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。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)習(xí)題：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(guò)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。返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)發(fā)生過(guò)程：當(dāng)入射X射線光子和原子內(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(guò)程稱為康普頓效應(yīng)，

醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)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(guò)電離和激發(fā)過(guò)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。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)

注:康普頓效應(yīng)的散射線，是X線檢查中最大的散射線來(lái)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.①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)。②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)醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)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/?ν

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(wú)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。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)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。返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)定義：入射光子與原子核周圍的電場(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(méi)

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。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)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(guò)程：

X-射線光子的能量>1.02Mev

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)生湮滅醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)產(chǎn)生條件電子對(duì)效應(yīng)中的電子總動(dòng)能Eke=?ν-1.022Mev∴光子能量?ν＞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1/2Eke

，當(dāng)他們通過(guò)物質(zhì)時(shí)，會(huì)通過(guò)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。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)作用系數(shù)：

①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。②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。返回醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)

A.相干散射X線與物質(zhì)作用的其他過(guò)程

射線與物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生干涉(衍射)的散射過(guò)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(guò)程。

光子與原子核作用發(fā)生核反應(yīng)的過(guò)程。比如釋放中子、質(zhì)子、β粒子和γ光子等。光核作用在X線診斷過(guò)程中不能發(fā)生，在放療中發(fā)生率也很低。

B.光核作用醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)X線引發(fā)效應(yīng)小結(jié)光核作用++eehfhfhf’+hfZee-e+醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)

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(guò)量↑。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)-1.3節(jié)三、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)：

①

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.