X線同物質(zhì)的相互作用

1、1、什么是吸收、什么是吸收2 、X線與物質(zhì)的作用類(lèi)型、對(duì)象、條件、幾線與物質(zhì)的作用類(lèi)型、對(duì)象、條件、幾率、產(chǎn)物和特點(diǎn)（率、產(chǎn)物和特點(diǎn)（光電效應(yīng)光電效應(yīng)康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng)）3、 X線的減弱規(guī)律線的減弱規(guī)律什么是吸收什么是吸收: X線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于與物質(zhì)原子發(fā)線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，由于與物質(zhì)原子發(fā)生各種相互作用，使得生各種相互作用，使得X線在行進(jìn)方向上線在行進(jìn)方向上強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象稱(chēng)為稱(chēng)為物質(zhì)對(duì)物質(zhì)對(duì)X線的吸收線的吸收。1、吸收同物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)無(wú)關(guān)；、吸收同物質(zhì)的光學(xué)性質(zhì)無(wú)關(guān)；2、作用的原子性；、作用的原子性；3、每次作用光子損失大部或全部的能量；、每次作用光子損失大部或全部的能量；4、作

2、用過(guò)程的復(fù)雜性。、作用過(guò)程的復(fù)雜性。X線引起生物損傷線引起生物損傷的作用過(guò)程的作用過(guò)程 產(chǎn)生高速電子與物產(chǎn)生高速電子與物質(zhì)原子作用，發(fā)生質(zhì)原子作用，發(fā)生韌致輻射，再與原韌致輻射，再與原子作用，再產(chǎn)生高子作用，再產(chǎn)生高速電子速電子直至直至能能量耗盡量耗盡/生物損傷生物損傷發(fā)生發(fā)生吸收、彈性散吸收、彈性散射、非彈性散射射、非彈性散射最主要有四種作用：最主要有四種作用： 光電效應(yīng)（光電效應(yīng)（吸收吸收） 康普頓效應(yīng)（康普頓效應(yīng)（非彈性散射非彈性散射） 電子對(duì)效應(yīng)（電子對(duì)效應(yīng)（吸收吸收） 瑞利散射（瑞利散射（彈性散射彈性散射）（一）產(chǎn)物（一）產(chǎn)物特征特征(熒光熒光)X線、線、光電子和俄歇電子光電子和俄歇

3、電子（二）發(fā)生條件（二）發(fā)生條件 hW+E hW概念概念內(nèi)層內(nèi)層相關(guān)因素：相關(guān)因素：a、光子能量、光子能量 h b、原子序數(shù)、原子序數(shù) Z c、軌道電子結(jié)合能、軌道電子結(jié)合能 W在能發(fā)生光電效應(yīng)的前提下（在能發(fā)生光電效應(yīng)的前提下（hW）：（對(duì)應(yīng)有對(duì)應(yīng)有臨界波長(zhǎng)臨界波長(zhǎng)）2、發(fā)生幾率反比于光子能量三次方、發(fā)生幾率反比于光子能量三次方 光光1/（h）33、發(fā)生幾率正比于電子的結(jié)合能、發(fā)生幾率正比于電子的結(jié)合能 光光W（1）內(nèi)層電子比外層電子更易發(fā)生光電效應(yīng)）內(nèi)層電子比外層電子更易發(fā)生光電效應(yīng)（2）高）高Z比低比低Z更易發(fā)生光電效應(yīng)更易發(fā)生光電效應(yīng)（3）低能）低能X線：線：光光Z4 高能高能X線、高

4、線、高Z： 光光Z5 人體各組織在人體各組織在X線照射下，發(fā)生光電效應(yīng)所線照射下，發(fā)生光電效應(yīng)所產(chǎn)生的特征產(chǎn)生的特征X線，為線，為，無(wú)法穿透人體組，無(wú)法穿透人體組織到達(dá)膠片，將織到達(dá)膠片，將被人體自身所吸收。被人體自身所吸收。 人體組織中：人體組織中：Ca （Z=20） 4 keV 診斷診斷X線：線：20100 keV 人工造影劑：人工造影劑：I （Z=53） 33.2 keV Ba（Z=56） 37.4 keV 增加高能散射線增加高能散射線穿透人體到達(dá)膠穿透人體到達(dá)膠片片形成灰霧提高對(duì)比形成灰霧提高對(duì)比彰顯組織輪廓彰顯組織輪廓 有利于提高照片質(zhì)量有利于提高照片質(zhì)量（1）(正常組織光電效應(yīng)正常

5、組織光電效應(yīng))能量全轉(zhuǎn)化、全吸收，無(wú)散能量全轉(zhuǎn)化、全吸收，無(wú)散射線，減少照片灰霧；射線，減少照片灰霧；（2）光光Zn，指數(shù)級(jí)正比例關(guān)系，增強(qiáng)天然組織，指數(shù)級(jí)正比例關(guān)系，增強(qiáng)天然組織間對(duì)比。間對(duì)比。 對(duì)組織密度差異起放大顯示作用對(duì)組織密度差異起放大顯示作用 人工造影人工造影 長(zhǎng)波軟線長(zhǎng)波軟線 - 軟組織攝影軟組織攝影 全部吸收，誘發(fā)生物損傷全部吸收，誘發(fā)生物損傷 診斷中采用高能硬線減少光電效應(yīng)，診斷中采用高能硬線減少光電效應(yīng)，減少生物損傷，減少生物損傷， 治療中采用高能硬線避免體表光電治療中采用高能硬線避免體表光電吸收，誘發(fā)深層生物效應(yīng)，吸收，誘發(fā)深層生物效應(yīng)，相同之處相同之處：均與內(nèi)層電子發(fā)生

6、作用均與內(nèi)層電子發(fā)生作用產(chǎn)生產(chǎn)生X線波長(zhǎng)固定：特征線波長(zhǎng)固定：特征X線線/標(biāo)識(shí)標(biāo)識(shí)X線線均需克服內(nèi)層電子軌道結(jié)合能均需克服內(nèi)層電子軌道結(jié)合能W相異之處：相異之處：入射粒子能量轉(zhuǎn)換不同：入射粒子能量轉(zhuǎn)換不同：全部轉(zhuǎn)換全部轉(zhuǎn)換 / 部分轉(zhuǎn)換部分轉(zhuǎn)換入射粒子種類(lèi)不同：入射粒子種類(lèi)不同：X線光子線光子 / 高速電子高速電子發(fā)生幾率不同：發(fā)生幾率不同：稍大于稍大于Wk / 大于大于Wk 概念概念：X線光子與原子線光子與原子外層外層軌道電子作用軌道電子作用時(shí)，交給軌道電子時(shí)，交給軌道電子部分部分能量后，改變頻率和能量后，改變頻率和方向散射，而軌道電子脫離原子軌道射出。方向散射，而軌道電子脫離原子軌道射出。

7、（一）（一）產(chǎn)物產(chǎn)物：反沖電子和散射光子：反沖電子和散射光子（二）（二）發(fā)生條件發(fā)生條件： h W 入射入射h +外層外層e （自由碰撞）（自由碰撞）散射散射h +反沖反沖e散射光子散射光子反沖電子反沖電子外層電子外層電子入射光子入射光子正碰正碰（h1010）：）： 散射角散射角180，散射散射h能能量最小量最??；反沖角；反沖角0 ，反沖反沖e能量最能量最大。大。側(cè)碰側(cè)碰（ h11）：散射角）：散射角0，散射散射h能量最大；能量最大； 反沖角反沖角90 ，反沖反沖e能量為零。能量為零。散射光子散射光子反沖電子反沖電子外層電子外層電子入射光子入射光子散射光子獲得大部分能量散射光子獲得大部分能量

8、小散射角的散射線小散射角的散射線：能量大，濾過(guò)板無(wú)法吸收；角能量大，濾過(guò)板無(wú)法吸收；角度小，濾線柵無(wú)法消除度小，濾線柵無(wú)法消除 將到達(dá)膠片產(chǎn)生灰霧將到達(dá)膠片產(chǎn)生灰霧影響照片質(zhì)量影響照片質(zhì)量1、作用對(duì)象不同：、作用對(duì)象不同：內(nèi)層電子內(nèi)層電子/外層電子外層電子2、作用條件不同：、作用條件不同：稍大于稍大于W/遠(yuǎn)大于遠(yuǎn)大于W3、對(duì)光子能量的吸收程度不同：、對(duì)光子能量的吸收程度不同：全部吸收全部吸收/少量吸收少量吸收4、能量分配不同：、能量分配不同：特征特征X線線/散射散射X線線5、對(duì)照片質(zhì)量的影響不同：、對(duì)照片質(zhì)量的影響不同：增強(qiáng)對(duì)比增強(qiáng)對(duì)比/降低對(duì)比降低對(duì)比6、對(duì)被檢者的危害程度不同：、對(duì)被檢者的

9、危害程度不同：危害大危害大/危害小危害小 概念概念：在原子核電場(chǎng)或電子場(chǎng)中，一個(gè)入：在原子核電場(chǎng)或電子場(chǎng)中，一個(gè)入射光子突然消失而轉(zhuǎn)化為一對(duì)正、負(fù)電子射光子突然消失而轉(zhuǎn)化為一對(duì)正、負(fù)電子（一）（一）產(chǎn)物產(chǎn)物：正、負(fù)電子：正、負(fù)電子（二）（二）發(fā)生條件發(fā)生條件：光子能量極高光子能量極高核電場(chǎng)：核電場(chǎng)：E光光1.02MeV（對(duì)應(yīng)（對(duì)應(yīng)2個(gè)電子的靜止質(zhì)量）個(gè)電子的靜止質(zhì)量）電子場(chǎng)：電子場(chǎng)：E光光2.04MeV（對(duì)應(yīng)（對(duì)應(yīng)4個(gè)電子的靜止質(zhì)量）個(gè)電子的靜止質(zhì)量）核電場(chǎng)發(fā)生幾率電子場(chǎng)發(fā)生幾率核電場(chǎng)發(fā)生幾率電子場(chǎng)發(fā)生幾率（三）在診斷（三）在診斷X線范圍內(nèi)，電子對(duì)效應(yīng)一般線范圍內(nèi)，電子對(duì)效應(yīng)一般不可能出現(xiàn)不可

10、能出現(xiàn) 電子對(duì)效應(yīng)對(duì)應(yīng)管電壓：電子對(duì)效應(yīng)對(duì)應(yīng)管電壓：1.02MeV1020kV 診斷診斷X線對(duì)應(yīng)管電壓：線對(duì)應(yīng)管電壓：30150kV（四）電子對(duì)效應(yīng)發(fā)生后，正電子很快與自由電子復(fù)（四）電子對(duì)效應(yīng)發(fā)生后，正電子很快與自由電子復(fù)合，反向釋放合，反向釋放2個(gè)等能量光子，發(fā)生湮滅輻射。個(gè)等能量光子，發(fā)生湮滅輻射。 和和湮滅輻射湮滅輻射反映反映能量質(zhì)量相互轉(zhuǎn)換能量質(zhì)量相互轉(zhuǎn)換1、概念：、概念：X線與物質(zhì)作用，能發(fā)生干涉的散射過(guò)程線與物質(zhì)作用，能發(fā)生干涉的散射過(guò)程 反映反映X線的波動(dòng)性，散射后形成相干光源線的波動(dòng)性，散射后形成相干光源2、瑞利散射：最主要的相干散射、瑞利散射：最主要的相干散射 （康普頓效應(yīng)

11、為非相干散射）（康普頓效應(yīng)為非相干散射）3、相干散射的特點(diǎn)：、相干散射的特點(diǎn)：（1）對(duì)光子能量無(wú)吸收，但光子行進(jìn)方向改變。）對(duì)光子能量無(wú)吸收，但光子行進(jìn)方向改變。（2）對(duì)物質(zhì)無(wú)電離作用，不造成生物組織損傷。）對(duì)物質(zhì)無(wú)電離作用，不造成生物組織損傷。（3）在整個(gè)診斷范圍內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)，但只占）在整個(gè)診斷范圍內(nèi)都會(huì)出現(xiàn)，但只占5%。相同之處相同之處：均沒(méi)有能量的吸收和改變均沒(méi)有能量的吸收和改變出射粒子的運(yùn)動(dòng)方向均發(fā)生了改變出射粒子的運(yùn)動(dòng)方向均發(fā)生了改變相異之處：相異之處：作用對(duì)象不同：原子內(nèi)層電子作用對(duì)象不同：原子內(nèi)層電子/原子核電場(chǎng)原子核電場(chǎng)入射粒子種類(lèi)不同：入射粒子種類(lèi)不同：X線光子線光子/高速電子

12、高速電子聯(lián)系：聯(lián)系：相干散射某種程度上等同于彈性散射相干散射某種程度上等同于彈性散射（一）（一）X線與物質(zhì)所有相互作用的匯總（線與物質(zhì)所有相互作用的匯總（五部分五部分）：）：相干散射相干散射（特征（特征X線）線）光子能量范圍光子能量范圍 0.01MeV100MeV時(shí)，三種基本作用為：時(shí)，三種基本作用為： 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 康普頓效應(yīng)康普頓效應(yīng) 電子對(duì)效應(yīng)電子對(duì)效應(yīng)*臨界元素臨界元素Z：對(duì)應(yīng)一定：對(duì)應(yīng)一定 h，兩種效應(yīng)幾率相等的，兩種效應(yīng)幾率相等的Z1、光子能量低于、光子能量低于0.8MeV時(shí)，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)時(shí)，光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)同時(shí)發(fā)生，且同時(shí)發(fā)生，且 Z一定，一定， h越低，光電效應(yīng)

13、越占優(yōu)勢(shì)越低，光電效應(yīng)越占優(yōu)勢(shì) h 一定，大于臨界一定，大于臨界Z，光電效應(yīng)優(yōu)勢(shì)，反之則康普頓優(yōu)勢(shì)，光電效應(yīng)優(yōu)勢(shì)，反之則康普頓優(yōu)勢(shì)2、光子能量在、光子能量在0.84MeV時(shí)，無(wú)論原子序數(shù)多少及光時(shí)，無(wú)論原子序數(shù)多少及光子能量如何變化，康普頓效應(yīng)都占主導(dǎo)地位。子能量如何變化，康普頓效應(yīng)都占主導(dǎo)地位。3、光子能量大于、光子能量大于4MeV時(shí)，康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)時(shí)，康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)同時(shí)發(fā)生，且同時(shí)發(fā)生，且Z一定，一定， h越低，康普越低，康普頓效應(yīng)越占優(yōu)勢(shì)頓效應(yīng)越占優(yōu)勢(shì)h 一定，小于臨界一定，小于臨界Z，康普頓效應(yīng)優(yōu)勢(shì)，反之康普頓效應(yīng)優(yōu)勢(shì)，反之則電子對(duì)效應(yīng)優(yōu)勢(shì)則電子對(duì)效應(yīng)優(yōu)勢(shì)1、診斷、診斷

14、X線范圍多在線范圍多在20100keV，此時(shí)電子對(duì)效應(yīng)不，此時(shí)電子對(duì)效應(yīng)不可能發(fā)生可能發(fā)生2、（、（診斷意義上診斷意義上）X線與物質(zhì)的基本作用有三種：線與物質(zhì)的基本作用有三種：光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和相干散射，前兩種占主導(dǎo)和相干散射，前兩種占主導(dǎo)（軟組織）（高Z）3、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)的發(fā)生幾率同組織、光電效應(yīng)和康普頓效應(yīng)的發(fā)生幾率同組織Z有關(guān)有關(guān)水（軟組織）水（軟組織）/低低Z：低能光電效應(yīng)占優(yōu)；高能康普頓效應(yīng)占優(yōu)：低能光電效應(yīng)占優(yōu)；高能康普頓效應(yīng)占優(yōu)骨骼骨骼/較高較高Z：低能光電效應(yīng)占優(yōu)；高能康普頓效應(yīng)占優(yōu)：低能光電效應(yīng)占優(yōu)；高能康普頓效應(yīng)占優(yōu)碘化鈉碘化鈉/極高極高Z：

15、能量范圍內(nèi)光電效應(yīng)全程占優(yōu)：能量范圍內(nèi)光電效應(yīng)全程占優(yōu)應(yīng)用：應(yīng)用：提高光電效應(yīng)發(fā)生幾率，提高組織對(duì)比度，提高光電效應(yīng)發(fā)生幾率，提高組織對(duì)比度， 減少散射，提高成像質(zhì)量減少散射，提高成像質(zhì)量（吸收劑量增加吸收劑量增加）（軟組織軟組織）（高高Z）（一）（一）X線強(qiáng)度減弱的兩種方式線強(qiáng)度減弱的兩種方式1、距離所致的減弱：、距離所致的減弱：I1/22、物質(zhì)所致的減弱：、物質(zhì)所致的減弱： a、光子能量、光子能量 b、原子序數(shù)、原子序數(shù) c、物質(zhì)密度、物質(zhì)密度 d、每克電子數(shù)、每克電子數(shù)1、光子能量、光子能量h 光子能量光子能量 ，透過(guò)量，透過(guò)量 2、原子序數(shù)、原子序數(shù)Z 低低Z物質(zhì)，光子能量物質(zhì)，光子能

16、量 ，透過(guò)量，透過(guò)量 高高Z物質(zhì)，光子能量物質(zhì)，光子能量 ，透過(guò)量還可能，透過(guò)量還可能 K邊界邊界:光電效應(yīng)幾率發(fā)生突變激增，吸收驟顯光電效應(yīng)幾率發(fā)生突變激增，吸收驟顯3、物質(zhì)密度、物質(zhì)密度d 衰減強(qiáng)度衰減強(qiáng)度密度密度概念：概念：指某些高指某些高Z物質(zhì)的射線吸物質(zhì)的射線吸收系數(shù)曲線在一定能量水平時(shí)，收系數(shù)曲線在一定能量水平時(shí)，曲線顯示一銳利邊緣的不連續(xù)鋸曲線顯示一銳利邊緣的不連續(xù)鋸齒邊界。齒邊界。機(jī)理：機(jī)理：主要是由于高主要是由于高Z物質(zhì)物質(zhì)K層層電子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率在電子發(fā)生光電效應(yīng)的幾率在K邊邊界附近發(fā)生躍變，導(dǎo)致吸收系數(shù)界附近發(fā)生躍變，導(dǎo)致吸收系數(shù)呈現(xiàn)鋸齒緣激變。呈現(xiàn)鋸齒緣激變。 對(duì)應(yīng)

17、對(duì)應(yīng)K層電子結(jié)合能層電子結(jié)合能Wk利用：利用： I/Ba 造影造影 I （Z=53） 33.2keV Ba（Z=56） 37.4keVK邊界處于診斷邊界處于診斷X線范圍，光電線范圍，光電效應(yīng)顯著，可獲得高對(duì)比影像。效應(yīng)顯著，可獲得高對(duì)比影像。33.2keV（軟組織軟組織）（高高Z）33.2由于由于I在在33.2kev處存在處存在K邊界邊界現(xiàn)象，現(xiàn)象，此處的光電效應(yīng)發(fā)生幾率顯著增加，此處的光電效應(yīng)發(fā)生幾率顯著增加，利于獲得高對(duì)比度影像利于獲得高對(duì)比度影像 遵循指數(shù)衰減指數(shù)衰減規(guī)律：I=I0e-xdIIdx 意義意義：通過(guò)單位厚度物質(zhì)時(shí)通過(guò)單位厚度物質(zhì)時(shí)X線強(qiáng)度的相對(duì)變化線強(qiáng)度的相對(duì)變化 其中：強(qiáng)

18、度減少單位：m-1單能：所有光子能量相同；單能：所有光子能量相同；窄束：方向一致無(wú)散射線窄束：方向一致無(wú)散射線 單能窄束為理想情況單能窄束為理想情況 規(guī)律規(guī)律：（：（對(duì)于單能窄束對(duì)于單能窄束X線）線） 光子數(shù)目等比減少；光子能量守恒光子數(shù)目等比減少；光子能量守恒 單能窄束X線通過(guò)物質(zhì)后的衰減圖43ZK同時(shí)：波長(zhǎng)越短，吸收越少（硬線穿透力強(qiáng)硬線穿透力強(qiáng)）原子序數(shù)越高，吸收越多（高密度物質(zhì)難穿透高密度物質(zhì)難穿透） 以上為窄束X線（理論上理論上）的吸收規(guī)律430ZKIdxdIeIIx由于散射線的存在，窄束由于散射線的存在，窄束X線實(shí)際上為寬束線實(shí)際上為寬束X線線即，既有衰減后的原發(fā)即，既有衰減后的原發(fā)X線（窄束），又有其他方線（窄束），又有其他方向上的散射線向上的散射線 寬束寬束X線實(shí)際強(qiáng)度指數(shù)規(guī)律衰減的窄束線實(shí)際強(qiáng)度指數(shù)規(guī)律衰減的窄束X線強(qiáng)度線強(qiáng)度意義：意義：測(cè)量點(diǎn)強(qiáng)度稍大于指數(shù)衰減值測(cè)量點(diǎn)強(qiáng)度稍大于指數(shù)衰減值 （影響防護(hù)估算影響防護(hù)估算）對(duì)于寬束對(duì)于寬束X線的吸收，引入修正因子線的吸收，引