辐射与物质的相互作用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 辐射与物质的相互作用,1、辐射与物质的作用类型及能量损失,2、电离辐射的生物学作用,3、生物靶的调节作用,4、影响电离辐射作用的主要因素,1,.,辐射与物质的作,用类型及能量损失,A,.,辐射与物质作用的种类,一.,X（,）,射线与物质的作用,二,.,射线与物质的作用,三.,射线与物质的作用,四.中子,与物质的作用,五.带电重粒子,与物质的作用,一.,X(,),射线与物质的相互作用,.,光电效应,.,康普顿效应,+,+,e,e,h,f,hf,h,f,.,电子对效应,+,h,f,Ze,e,-,e,+,1、,X,线与物质相互作用的过程,(1).,光电效应特征,放出光电子的原子变成正离子并处于激发态；外层电子向内层填充产生特征,X,线;特征线离开原子前又击出外层(俄歇)电子.,光电子、正离子、特征,X,光子、俄歇电子,光电效应的次级粒子,.,光电效应,(,光子与原子内层电子作用,）,(2).,光电效应的发生几率,a.,原子序数的影响,光电效应几率,Z,4,内层比外层发生几率大45倍,但必须大于结合能,c.,原子边界限吸收的影响,b.,入射光子能量,的影响,光电效应几率,防护材料选取的依据,L,限,K,限,吸收限,吸收限,光子能量,光电质量衰减系数,.,光电效应,(,光子与原子内层电子作用,）,3).,光电子的角分布,光电子的角分布与入射,X,光子能量有关,能量低,大角度分散,能量高,小角度集中,（电离方向）,.,光电效应,(,光子与原子内层电子作用,）,(4).,放射诊断学中的光电效应,a.,优点,提高成像质量,b.,缺点,入射,X,线通过光电效应几乎全部被人,放疗时增加对肿瘤组织的剂量,因光电转换减少散射线，故减少照片灰雾,利用造影剂可增加对比度,.,光电效应,(,光子与原子内层电子作用,）,体吸收，增加了受检者的剂量，对人体有负面作用。,(1).,康普顿效应的发生几率,原子序数的影响,康普顿效应几率,Z/A,除氢元素外，大多数材料具有相同的,Z/A,b.,入射光子能量,的影响康普顿效应几率,.,康普顿效应,(,与原子外层电子作用,）,Crystal grating,X-Ray,o,（,o,）,康普顿,散射波长,spectra,o,:,入射波长,波长,(2).散射光子的波长,hf,o,X,Y,hf,考虑：,Compton wavelength,electron,(3).散射光子和反冲电子的角分布,散射光子能量,反冲电子动能,散射角与反冲角关系,(3).散射光子和反冲电子的角分布,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.,效应发生几率,.,电子对效应,A.,相干散射,2、,X,线与物质作用的其他过程,射线与物质相互作用而产生干涉(衍射)的散射过程叫相干散射。比如,X,线对年晶体衍射产生的劳厄斑就是相干散射现象.,相干散射是唯一不产生电离的过程。,光子与原子核作用发生核反应的过程。比如释放中子、质子、,粒子和,光子等。光核作用在,X,线诊断过程中不能发生，在放疗中发生率也很低,。,B,.,光核作用,A,.,X,线引发效应总结,3、,各种作用发生的相对几率,光核作用,普通散射,B,.,Z,和,h,f,与三种作用的关系,3、,各种作用发生的相对几率,C,.,放射诊断学中,三种作用发生的相对几率,表2 放射诊断学中作用几率与,Z,和,h,f,的关系,X,射,线能量,(,KeV,),水,（,Z=7.4),骨,（,Z=13.8),碘化钠,（,Z=49.8),光电,(%),康普顿,(%),光电,(%),康普顿,(%),光电,(%),康普顿,(%),20,70,30,89,11,94,6,60,7,93,31,69,95,5,100,1,99,9,91,88,12,3、,各种作用发生的相对几率,4.,X(,),射线在物质中的衰减,当,X,线通过物质时，由于光电效应、康普顿效应和电子对效应等作用，使射线的强度衰减。即物质所致的衰减。,射线在物质中的衰减,随距离衰减,物质所致衰减,(,W/m,2,),A,、,单能,X,线在物质中的衰减规律,(1)、,窄束,X,线在物质中的衰减规律,4.,X(,),射线在物质中的衰减,光子数表示则满足,ln,I,ln,I,0,x,光子数减少但频率不变！,（,=0,.2 cm,-1,),4.,X(,),射线在物质中的衰减,A,、,单能,X,线在物质中的衰减规律,积累因子:某物质元中,X,光子计数率与未碰撞物质的,X,光子计数率之比,B。,(2)、,宽束,X,线在物质中的衰减规律,N,s,:物质元散射,X,光子计数率,B,是描述散射光子影响反映宽束和窄束区别的物理量,宽束,X,线的衰减规律,B,可以通过台劳级数展开近似计算求得,4.,X(,),射线在物质中的衰减,B,、,连续,X,线在物质中的衰减规律,(1)、连续,X,线在物质中的衰减规律,4.,X(,),射线在物质中的衰减,光子数,水模厚度,单能,X,线,连续,X,线,4.,X(,),射线在物质中的衰减,B,、,连续,X,线在物质中的衰减规律,(1)连续,X,线在物质中的衰减规律,影响因素,(2)、,X,线的滤过,低能,X,线不能透过人体(吸收)，对形成,X,线影像不起作用，但却大大增加被检者皮肤照射量。为减少无用低能光子对皮肤和浅表组织的伤害，需采用适当的滤过措施，在管口放置一定均匀厚度的金属，吸掉低能部分，使平均能量增高。,4.,X(,),射线在物质中的衰减,B,、,连续,X,线在物质中的衰减规律,(2)、,X,线的滤过,a、,固有滤过,包括,X,线管的玻璃管壁、绝缘油、管套上的窗口和不可拆卸的滤过板。用铝当量表示。,铝当量：指一定厚度的滤过材料用相同衰减效果的铝板厚度表示。一般诊断,X,光机的固有滤过在0.5 2,mmAl,。,对软组织摄影则需要低滤过,X,线,以增加软组织对比度.,4.,X(,),射线在物质中的衰减,B,、,连续,X,线在物质中的衰减规律,b、,附加滤过,包括附加滤过板、遮光器的滤过等。,根据衰减厚度能量分布不同,依具体情况选择管电压和材料形状厚度,4.,X(,),射线在物质中的衰减,滤过板厚度及对照射剂量的影响,使用低滤过高千伏摄影,对受检者十分有害.而厚度滤过技术对受检者降低剂量有重要意义,.,铝板厚度(,mmAl,),皮肤照射量C/kg),照射量下降百分数(%),0,0.5,1.0,3.0,6.14,10,-4,4.78 10,-4,3.28 10,-4,1.20 10,-4,0,22,47,80,4.,X(,),射线在物质中的衰减,B,、,连续,X,线在物质中的衰减规律,楔形或梯形滤过板,4.,X(,),射线在物质中的衰减,B,、,连续,X,线在物质中的衰减规律,C、,诊断放射学中,X,线的衰减,(1)、,人体的构成元素和组织密度,人体内除少量的钙、磷等中等原子序数物质外，其余全由低原子序数物质组成。人体吸收,X,线最多的是由,Ca,3,(PO,4,),2,组成的门牙，吸收,X,线最少的是充满气体的肺。,4.,X(,),射线在物质中的衰减,C、,诊断放射学中,X,线的衰减,有效原子序数：在相同照射条件下,1,kg,复杂物质与1,kg,单质吸收辐射能相同时单质的原子序数。,a,i,为第,i,种元素在单位体积中电子数的占有比率,Z,i,为第,i,种元素的原子序数。如水中:氧的电子数比率,2.68:3.34，氢的电子数比率0.66:3.34。氧、氢的原子序数分别为8和1，所以,4.,X(,),射线在物质中的衰减,C、,诊断放射学中,X,线的衰减,有效原子序数的近似公式为,a,i,为第,i,种元素原子在分子中的原子个数，,Z,i,为第,i,种元素的原子序数。如水中：氧原子个数为1，氢原子个数为2，所以占有人体大部分成分的水有效原子序数为,4.,X(,),射线在物质中的衰减,C、,诊断放射学中,X,线的衰减,(2)、,X,线通过人体的衰减规律,人体各组织器官,X,线的衰减各异，一般按骨骼、肌肉、脂肪和空气的顺序由大到小排列。而随管电压(,h,f,),增加衰减减小。,以光电效应吸收为主,4.,X(,),射线在物质中的衰减,C、,诊断放射学中,X,线的衰减,以手部拍片为例，说明,X,线在人体不同组织中的衰减差别及与管电压的关系。用,40kV,拍片,骨,肌肉,而用,150kV,拍片,骨,肌肉,衰减差别大，形成高对比度,4.,X(,),射线在物质中的衰减,(2)、,X,线通过人体的衰减规律,表5 人体不同组织的线衰减系数,(m,-1,),管电压(,kV),脂肪(,10,2,),肌肉(,10,2,),骨骼(,10,2,),40,50,60,70,80,90,100,110,120,130,140,150,0.3393,0.2653,0.2196,0.2009,0.1905,0.1832,0.1801,0.1774,0.1755,0.1742,0.1732,0.1724,0.4012,0.2933,0.2455,0.2213,0.2076,0.1994,0.1942,0.1906,0.1882,0.1864,0.1852,0.1842,2.4434,1.4179,0.9677,0.7342,0.6047,0.5408,0.4865,0.4530,0.4298,0.4132,0.4010,0.3918,二、,其他,射,线与物质的作用,射线即电子流，带有负电，其质量很小，因此在运行中容易被其他电子所偏转，所以其径迹曲折，其实际穿透深度小于其径迹长度。在,射线径迹的末端,电离密度最大，这是由于此时电子能量已显著降低，速度减慢,与靶物质原子作用几率加大,单位距离内形成的离子对增多。,1,.,射线与物质的作用,二、,其他,射,线与物质的作用,在临床上使用直线加速器发生的高能电子流照射组织时，主要的电离作用产生在深部，而,90,Sr,放射源放出的,射线则在浅层（12,mm）,引起最大电离作用。射程长短取决于电子能量的大小。,1,.,射线与物质的作用,二、,其他,射,线与物质的作用,射线即氦核组成的粒子流，由2个质子和2个中子组成，故带有2个正电荷，质量数为4，比电子质量大约8000倍。,粒子在组织中通过较慢，穿透距离甚短，最多只几百微米。故,射线由外照射对机体不会产生严重危害。,2,.,射线与物质的作用,二、,其他,射,线与物质的作用,但发射,粒子的放射性核素进入体内时，由于其物理特征，其电离密度较大，造成的损伤则更为严重。此外，放射性治疗中用快中子或负,介子,照射组织时，在组织中将产生,粒子，对杀伤癌细胞将起重要作用。,2,.,射线与物质的作用,二、,其他,射,线与物质的作用,中子不带电,通过组织时不干扰带电物质,只有在与原子核直接碰撞时发生相互作用.但慢中子或热中子(能量在0.5,eV,以下)进入原子核易被俘获,而快中子(能量大于20,keV,)与原子核主要发生弹性碰撞.在中子与质子(氢核)的一次碰撞中,中子的部分能量传给质子,产生反冲质子,这种带正电重粒子在组织中速度很快下降,引起高密度电离作用。,3,.,中子,与物质的作用,二、,其他,射,线与物质的作用,中子与氧、碳、氮等原子核也发生弹性散射，其反冲核引起高密度的电离。快中子与组织中更重的原子核相互作用可引起非弹性散射产生,射线。此外,中子与物质的原子核作用还会产生核反应,在反应过程中释放带电重粒子、,光子或产生放射性核素。,3,.,中子,与物质的作用,二、,其他,射,线与物质的作用,快中子作用于组织时可产生带电重粒子。此外，高能加速器还可将重粒子加速，使其具有穿透深部组织的能力。例如，质子、氦核、负,介子等可在数厘米深处产生高密度的电离，达到集中杀死癌细胞的作用,4,.,带电重粒子,与物质的作用,二、,其他,射,线与物质的作用,关于负,介子的研究近年来特别受到放射治疗领域的关注.负,介子属于亚原子粒子,其质量为电子的276倍,电荷同于电子,由同步回旋加速器将质子加速到极高能量(500 700,MeV,),而作用于石墨或铅靶时产生.当其穿入组织被碳、氧、氢等原子核捕获,释放,粒子、中子和质子,产生高密度电离作用。,4,.,带电重粒子,与物质的作用,1,.,辐射与物质的作,用类型及能量损失,B,.,传能线密度与相对生物效应,一.,传能线密度（,LET）,定义,带电粒子在组织(或其他,物质,)中经过一定距离时由于碰撞而损失,的能量.(,J/m),生物损害与,LET,值正相关。高,LET,粒子在给定体积内产生变化的几率高，但并非无限增加。,1,.,辐射与物质的作,用类型及能量损失,B,.,传能线密度与相对生物效应,一.,传能线密度（,LET）,线,硬,X,线,软,X,线,线,细胞或生物大分子,粒子种类,电荷,能量,(,MeV,),LET,(GeV/m,),电子,光子,质子,粒子,中子(间接),-11,+2,0.01,0.1,0.1,1,200,kV(,电子击出),X,线,60,Co,线,小,2,5,10,小,3.4,5,2.5,14.1,12.3,2.3,0.42,0.25,0.436,0.22,92,16,8,4,260,140,95,1580(峰值20),330(峰值7),各种电离粒子的,LET,值,1,.,辐射与物质的作,用类型及能量损失,B,.,传能线密度与相对生物效应,二.,相对生物效应（,RBE）,辐射生物效应不仅决定于辐射条件,还受能量分布的制约.,LET,决定了生物效应的程度或频度.这种差别用,相对生物效应,表示,.(,RBE),标准,X,(,),线常以,250,kV X,线或,60,Co,的,线为基础.比如引起相同生物损害所需,X,(,),线剂量是,射线的,10,倍,故,射线的,RBE,为10。,1,.,辐射与物质的作,用类型及能量损失,B,.,传能线密度与相对生物效应,二.,相对生物效应（,RBE）,辐射种类,相对生物效应,X、,射线,粒子,热中子,中能中子,快中子,粒子,重反冲核,1,1,3,58,10,10,20,