腫瘤放射物理學(xué)-第三章 帶電粒子和物質(zhì)相互作用ppt課件

1、南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所上次課內(nèi)容回想：核外電子運(yùn)動(dòng)形狀由主量子數(shù)核外電子運(yùn)動(dòng)形狀由主量子數(shù)n，軌道角動(dòng)量，軌道角動(dòng)量l，軌道方向，軌道方向量子數(shù)量子數(shù)ml，和自旋量子數(shù)，和自旋量子數(shù)ms決議。決議。主量子數(shù)主量子數(shù)n：決議層數(shù)和每層可包容的電子個(gè)數(shù)。：決議層數(shù)和每層可包容的電子個(gè)數(shù)。軌道角動(dòng)量量子數(shù)軌道角動(dòng)量量子數(shù)l可取值：可取值：0，n-1,決議原子軌道決議原子軌道的外形和電子能量高低。的外形和電子能量高低。軌道方向量子數(shù)軌道方向量子數(shù)ml：描畫(huà)原子軌道或電子云在空間的：描畫(huà)原子軌道或電子云在空間的伸展方向。伸展方向。自旋磁量子數(shù)自旋磁量子數(shù)ms：決議了電子自旋

2、角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方：決議了電子自旋角動(dòng)量在外磁場(chǎng)方向上的分量，向上的分量， ms= 1/2，表示電子順著磁場(chǎng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，表示電子順著磁場(chǎng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)； ms= -1/2，表示電子逆著磁場(chǎng)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，表示電子逆著磁場(chǎng)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所l原子核的穩(wěn)定性原子核的穩(wěn)定性中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)的比例關(guān)系中子數(shù)與質(zhì)子數(shù)的比例關(guān)系核子數(shù)的奇偶性核子數(shù)的奇偶性重核的不穩(wěn)定性重核的不穩(wěn)定性放射性活度放射性活度 A：指一定量的放射性核素在一個(gè)很短：指一定量的放射性核素在一個(gè)很短的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生核衰變數(shù)除以該時(shí)間間隔之商的時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生核衰變數(shù)除以該時(shí)間間隔之商活度的國(guó)際單位是貝可勒

3、爾活度的國(guó)際單位是貝可勒爾Bq1/2ln20.693/T南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所 三種衰變類型：衰變衰變衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換動(dòng)畫(huà)動(dòng)畫(huà)南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所衰變類型衰變類型衰變衰變?cè)雍俗园l(fā)地放出原子核自發(fā)地放出粒子也就是氦的原粒子也就是氦的原子核而變?yōu)榱硪环N原子核的過(guò)程稱為子核而變?yōu)榱硪环N原子核的過(guò)程稱為衰變。衰變后質(zhì)量數(shù)減衰變。衰變后質(zhì)量數(shù)減4 4，電荷數(shù)減，電荷數(shù)減2.2.QHeYXAZAZ4242式中，式中，X代表衰變前的母核，代表衰變前的母核，Y代表衰變后的子核。代表衰變后的子核。Q表示衰變能。表示衰變能。南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方

4、醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所衰變類型衰變類型衰變衰變-原子核自發(fā)的放射出電子原子核自發(fā)的放射出電子e-e-或正電子或正電子e+e+或或俘獲一個(gè)軌道電子的轉(zhuǎn)變過(guò)程稱為俘獲一個(gè)軌道電子的轉(zhuǎn)變過(guò)程稱為衰變。衰變。為了區(qū)別，放射電子的稱為為了區(qū)別，放射電子的稱為-衰變，發(fā)射出衰變，發(fā)射出的電子稱為的電子稱為-粒子；粒子；放射正電子的稱為放射正電子的稱為+衰變，發(fā)射出的正電子衰變，發(fā)射出的正電子稱為稱為+粒子；粒子；俘獲軌道電子的稱軌道電子俘獲。俘獲軌道電子的稱軌道電子俘獲。 南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所衰變類型衰變類型衰變衰變 三種類型三種類型衰變：衰變： 衰變：衰變：+ + 衰變：

5、衰變：軌道電子俘獲：軌道電子俘獲：式中：式中： 和和 表式中微子和反中微子。表式中微子和反中微子。Q Q為衰變?yōu)樗プ兡?。由于衰變產(chǎn)物為三體，因此，能。由于衰變產(chǎn)物為三體，因此，粒子的能粒子的能量由量由0 0到一個(gè)最大值呈鐘罩型延續(xù)分布。到一個(gè)最大值呈鐘罩型延續(xù)分布。1AAZZXYeQ1AAZZXYeQ1AAZZXeYQ南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所衰變類型衰變類型衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換衰變和內(nèi)轉(zhuǎn)換，衰變后的子核很能夠處于激發(fā)態(tài)，原子衰變后的子核很能夠處于激發(fā)態(tài)，原子核有兩種方式退激：核有兩種方式退激：衰變：以衰變：以射線方式釋放能量，躍遷到低的射線方式釋放能量，躍遷到低的能態(tài)或者基

6、態(tài)，這種躍遷的過(guò)程稱能態(tài)或者基態(tài)，這種躍遷的過(guò)程稱躍遷。能躍遷。能量在量在 KeV KeVMeVMeV內(nèi)轉(zhuǎn)換：原子核的激發(fā)能轉(zhuǎn)換給軌道電子，使內(nèi)轉(zhuǎn)換：原子核的激發(fā)能轉(zhuǎn)換給軌道電子，使電子發(fā)射出去。電子發(fā)射出去。南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所 衰變衰變有些核素在進(jìn)展有些核素在進(jìn)展 、 -、 +、或或EC衰衰變時(shí)，處于激發(fā)態(tài)的子核在向基態(tài)躍遷時(shí)變時(shí)，處于激發(fā)態(tài)的子核在向基態(tài)躍遷時(shí)，多余的能量以光子即，多余的能量以光子即射線的方式發(fā)射出射線的方式發(fā)射出來(lái)，即為來(lái)，即為衰變。衰變。 hvXXAZAmZ南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所 例如，放療中常用的鈷例如，

7、放療中常用的鈷-60-60源，銫源，銫- -源和銥源和銥-192-192源源均即具有均即具有放射性，同時(shí)也具有放射性，同時(shí)也具有放射性。原子放射性。原子核能級(jí)的間隔普通在核能級(jí)的間隔普通在10-3MeV10-3MeV以上，故以上，故射線能量射線能量低限是低限是10-3MeV10-3MeV，高端可到達(dá)，高端可到達(dá)MeVMeV能量級(jí)。能量級(jí)。南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所衰變衰變Cs BaBa：鋇南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所+ photon)140. 0(996992/ 1MeVETcTchTm南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所 射線特點(diǎn)：射線特點(diǎn)：1、光子是從原子核中發(fā)射的；、光子是

8、從原子核中發(fā)射的；2、經(jīng)常伴隨在、經(jīng)常伴隨在 、 衰變之后；衰變之后；3、單能；、單能；4、 射線的能量與原子核相關(guān)。射線的能量與原子核相關(guān)。 南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所內(nèi)轉(zhuǎn)換內(nèi)轉(zhuǎn)換有時(shí)原子核發(fā)生有時(shí)原子核發(fā)生躍遷時(shí)不發(fā)射躍遷時(shí)不發(fā)射光子，而光子，而是把多余的能量交給核外繞行的電子是把多余的能量交給核外繞行的電子(主要是主要是K層電子層電子)，使它脫離原子核的束縛而放射出，使它脫離原子核的束縛而放射出來(lái)，這種景象稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換來(lái)，這種景象稱為內(nèi)轉(zhuǎn)換(internal conversion)，電子的能量是固定的，近似于，電子的能量是固定的，近似于光子的能量光子的能量。 南方

9、醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所內(nèi)轉(zhuǎn)換不是內(nèi)光電效應(yīng)。即不能以為是原子核先內(nèi)轉(zhuǎn)換不是內(nèi)光電效應(yīng)。即不能以為是原子核先放出放出射線射線(光子光子)，由，由射線光子再擊出核射線光子再擊出核外的軌道電子而發(fā)生光電效應(yīng)。外的軌道電子而發(fā)生光電效應(yīng)。緣由是發(fā)生內(nèi)轉(zhuǎn)換的概率要比發(fā)生內(nèi)光電效應(yīng)的緣由是發(fā)生內(nèi)轉(zhuǎn)換的概率要比發(fā)生內(nèi)光電效應(yīng)的概率要大很多。概率要大很多。南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所 常用放射性同位素的衰變方式，半衰期和射線能量常用放射性同位素的衰變方式，半衰期和射線能量 放射性核素放射性核素 符號(hào)符號(hào) 射線射線 射線平均能量射線平均能量 半衰半衰期期 銥銥1

10、92 192Ir 0.36MeV 74.2d 鈷鈷60 60Co 1.25MeV 5.271a 鐳鐳226 226Ra 0.83MeV 1590a 銫銫 Cs 0.662MeV 33.0a 金金198 198Au 0.412MeV 2.7d 碘碘125 125I 28KeV 59d 锎锎252 252Cf n 2.35MeV 2.65a 南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所利用核反響堆消費(fèi)是人工放射性核素的主要來(lái)源，制備的途徑利用核反響堆消費(fèi)是人工放射性核素的主要來(lái)源，制備的途徑有兩種：有兩種：1 1、利用反響堆中的強(qiáng)中子束照射靶核，靶核俘獲中子而生成放、利用反響堆中的強(qiáng)中子束

11、照射靶核，靶核俘獲中子而生成放射性核素；射性核素；2 2、利用中子引起重核裂變，從裂變碎片中提取放射性核素。、利用中子引起重核裂變，從裂變碎片中提取放射性核素。這樣制備出來(lái)的核素是豐中子核素，通常具有這樣制備出來(lái)的核素是豐中子核素，通常具有- -衰變。衰變。高能加速器也可以用來(lái)消費(fèi)放射性核素，這樣制備出來(lái)的核素高能加速器也可以用來(lái)消費(fèi)放射性核素，這樣制備出來(lái)的核素是缺中子核素，通常具有是缺中子核素，通常具有+ +衰變。衰變。南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所在制備放射性核素時(shí)，假設(shè)中子束的注量率堅(jiān)持不變，那么人工放射在制備放射性核素時(shí)，假設(shè)中子束的注量率堅(jiān)持不變，那么人工放射

12、性核素的數(shù)目一方面以固定的產(chǎn)生率添加，另一方面生成的放射性核性核素的數(shù)目一方面以固定的產(chǎn)生率添加，另一方面生成的放射性核素也在衰減，因此它隨時(shí)間的變化率可表示為：素也在衰減，因此它隨時(shí)間的變化率可表示為：南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所解：0lntdNPNdtdNNPdtdNNdtdNdtNNtNC e 令解得通解：Cu.2()()u2()tttttttttttNu edNueuedtueueu ePuPePeuCPeNC ePC e 把 換成公式帶入原方程中得兩邊積分：將 代入公式 中：0,0(1)ttNPCPNe 由初始條件：時(shí)最后得：南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科

13、大學(xué)醫(yī)療儀器研究所1/2ln2T將代入南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院醫(yī)療儀器研究所生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院醫(yī)療儀器研究所第三章第三章 帶電粒子與帶電粒子與 物質(zhì)相互作用物質(zhì)相互作用南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所總述總述 原子的核外電子因與外界相互作用獲得足夠的能量，掙脫原子的核外電子因與外界相互作用獲得足夠的能量，掙脫原子核對(duì)它的束縛，呵斥原子的電離。原子核對(duì)它的束縛，呵斥原子的電離。 電離是由具有足夠動(dòng)能的帶電粒子，如電子，質(zhì)子，電離是由具有足夠動(dòng)能的帶電粒子，如電子，質(zhì)子，粒粒子等，與原子中的電子的碰撞引起的。子等，與原子中的電子的碰撞引

14、起的。 不帶電粒子，如光子，中子等，本身不能使物質(zhì)電離，但不帶電粒子，如光子，中子等，本身不能使物質(zhì)電離，但能借助于它們與原子的殼層電子或原子核作用產(chǎn)生的次級(jí)能借助于它們與原子的殼層電子或原子核作用產(chǎn)生的次級(jí)粒子，如電子，反沖核等，隨后與物質(zhì)中的原子作用，引粒子，如電子，反沖核等，隨后與物質(zhì)中的原子作用，引起原子的電離。起原子的電離。南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所普通特征普通特征帶電粒子與原子核外電子的非彈性碰撞帶電粒子與原子核外電子的非彈性碰撞碰撞碰撞損失損失帶電粒子與原子核的非彈性碰撞帶電粒子與原子核的非彈性碰撞輻射損失輻射損失帶電粒子與原子核的彈性碰撞帶電粒子與原子

15、核的彈性碰撞帶電粒子與原子核發(fā)生核反響帶電粒子與原子核發(fā)生核反響南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所帶電粒子與原子核外電子的非彈性碰撞帶電粒子與原子核外電子的非彈性碰撞- -電電離，激發(fā)離，激發(fā)當(dāng)帶電粒子從靶物質(zhì)原子旁經(jīng)過(guò)的時(shí)候，入當(dāng)帶電粒子從靶物質(zhì)原子旁經(jīng)過(guò)的時(shí)候，入射粒子和軌道電子之間的庫(kù)倫力使電子遭射粒子和軌道電子之間的庫(kù)倫力使電子遭到吸引或排斥，從而獲得一部分能量到吸引或排斥，從而獲得一部分能量電離：假設(shè)軌道電子獲得足夠的能量，就會(huì)電離：假設(shè)軌道電子獲得足夠的能量，就會(huì)引起原子發(fā)生電離，原子成為正離子，軌引起原子發(fā)生電離，原子成為正離子，軌道電子成為自在電子。道電子成為

16、自在電子。當(dāng)原子內(nèi)殼電子被擊出，外殼電子向內(nèi)殼躍當(dāng)原子內(nèi)殼電子被擊出，外殼電子向內(nèi)殼躍遷放出特征遷放出特征X X射線。射線。南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所激發(fā)激發(fā)入射帶電粒子傳送給原子核外電子較少能入射帶電粒子傳送給原子核外電子較少能量，電子缺乏以擺脫原子核束縛，那么可量，電子缺乏以擺脫原子核束縛，那么可以引起原子以引起原子“激發(fā)激發(fā)，使電子從低能級(jí)躍，使電子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。遷到高能級(jí)。處于激發(fā)的原子很不穩(wěn)定，躍遷到高能級(jí)處于激發(fā)的原子很不穩(wěn)定，躍遷到高能級(jí)的電子會(huì)自發(fā)躍遷回低能級(jí)而使原子回到的電子會(huì)自發(fā)躍遷回低能級(jí)而使原子回到基態(tài)，同時(shí)釋放出特征基態(tài)，同時(shí)釋放出特

17、征X X射線或俄歇電子，射線或俄歇電子，X X射線能量或俄歇電子等于高低能級(jí)能量射線能量或俄歇電子等于高低能級(jí)能量的差值。的差值。南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所 視頻： Characteristic x ray.flv南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所假設(shè)電離出來(lái)的電子具有足夠的動(dòng)能，能進(jìn)一步使物質(zhì)電假設(shè)電離出來(lái)的電子具有足夠的動(dòng)能，能進(jìn)一步使物質(zhì)電離，那么稱它們?yōu)榇渭?jí)電子或離，那么稱它們?yōu)榇渭?jí)電子或電子，由次級(jí)電子引起電子，由次級(jí)電子引起的電離稱為次級(jí)電離。的電離稱為次級(jí)電離。碰撞損失碰撞損失帶電粒子與核外電子的非彈性碰撞，導(dǎo)致的電離損失和激帶電粒子與

18、核外電子的非彈性碰撞，導(dǎo)致的電離損失和激發(fā)，稱為碰撞損失或電離損失。發(fā)，稱為碰撞損失或電離損失。南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所帶電粒子與原子核的非彈性碰撞帶電粒子與原子核的非彈性碰撞輻射損失輻射損失 當(dāng)帶電粒子從原子核附近擦過(guò)時(shí)，在原子核當(dāng)帶電粒子從原子核附近擦過(guò)時(shí)，在原子核庫(kù)侖力作用下庫(kù)侖力作用下, ,運(yùn)動(dòng)方向和速度發(fā)生改動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向和速度發(fā)生改動(dòng)，帶電粒子的一部分動(dòng)能就變成具有延續(xù)能帶電粒子的一部分動(dòng)能就變成具有延續(xù)能譜的譜的X X線輻射出來(lái)，這種輻射稱為線輻射出來(lái)，這種輻射稱為“軔致輻軔致輻射射。因電子質(zhì)量小，與原子核碰撞時(shí)運(yùn)。因電子質(zhì)量小，與原子核碰撞時(shí)運(yùn)動(dòng)形狀改

19、動(dòng)顯著。動(dòng)形狀改動(dòng)顯著。南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所視頻： Bremsstrahlung.flv南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所帶電粒子與原子核的彈性碰撞帶電粒子與原子核的彈性碰撞帶電粒子與靶物質(zhì)原子核發(fā)生庫(kù)侖場(chǎng)相互作帶電粒子與靶物質(zhì)原子核發(fā)生庫(kù)侖場(chǎng)相互作用時(shí)，雖然帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向和速度發(fā)用時(shí)，雖然帶電粒子的運(yùn)動(dòng)方向和速度發(fā)生了改動(dòng)，但不輻射光子，也不激發(fā)原子生了改動(dòng)，但不輻射光子，也不激發(fā)原子核，那么這種相互作用滿足動(dòng)能和動(dòng)量守核，那么這種相互作用滿足動(dòng)能和動(dòng)量守恒定律，屬?gòu)椥耘鲎?，也稱彈性散射。恒定律，屬?gòu)椥耘鲎?，也稱彈性散射。南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療

20、儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所帶電粒子與原子核發(fā)生核反響帶電粒子與原子核發(fā)生核反響當(dāng)一個(gè)帶電粒子具有足夠高的能量約當(dāng)一個(gè)帶電粒子具有足夠高的能量約100MeV100MeV，并且與原子核的碰撞間隔小，并且與原子核的碰撞間隔小于原子核半徑時(shí)，假設(shè)有一個(gè)或數(shù)個(gè)核于原子核半徑時(shí)，假設(shè)有一個(gè)或數(shù)個(gè)核子被入射粒子擊中，它們將分開(kāi)原子核。子被入射粒子擊中，它們將分開(kāi)原子核。失去核子的原子核處于高能量的激發(fā)態(tài)，失去核子的原子核處于高能量的激發(fā)態(tài)，將經(jīng)過(guò)發(fā)射所謂的將經(jīng)過(guò)發(fā)射所謂的“蒸發(fā)粒子蒸發(fā)粒子主要主要是一些較低能量的核子和是一些較低能量的核子和射線退激。射線退激。南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)

21、醫(yī)療儀器研究所續(xù)續(xù)當(dāng)核反響發(fā)生時(shí)，入射粒子的一部分動(dòng)能被中子和當(dāng)核反響發(fā)生時(shí)，入射粒子的一部分動(dòng)能被中子和射射線帶走，而不是以原子激發(fā)和電離的方式被部分吸收線帶走，而不是以原子激發(fā)和電離的方式被部分吸收，因此，這將影響到吸收劑量的空間分布。，因此，這將影響到吸收劑量的空間分布。對(duì)于質(zhì)子束，假設(shè)在劑量計(jì)算的時(shí)候未思索核反響，對(duì)于質(zhì)子束，假設(shè)在劑量計(jì)算的時(shí)候未思索核反響，計(jì)算值會(huì)偏離計(jì)算值會(huì)偏離1%-2%。對(duì)于電子束，核反響的奉獻(xiàn)相對(duì)于軔致輻射完全可以對(duì)于電子束，核反響的奉獻(xiàn)相對(duì)于軔致輻射完全可以忽略。忽略。南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所除上面引見(jiàn)的作用方式以外，當(dāng)一個(gè)粒子與

22、其反粒子發(fā)除上面引見(jiàn)的作用方式以外，當(dāng)一個(gè)粒子與其反粒子發(fā)生碰撞時(shí)，它們的質(zhì)量能夠轉(zhuǎn)化為生碰撞時(shí)，它們的質(zhì)量能夠轉(zhuǎn)化為輻射的能量，這種輻射的能量，這種輻射稱為湮滅輻射。輻射稱為湮滅輻射。例如，當(dāng)一個(gè)正電子與一個(gè)負(fù)電子碰撞的時(shí)候，產(chǎn)生兩例如，當(dāng)一個(gè)正電子與一個(gè)負(fù)電子碰撞的時(shí)候，產(chǎn)生兩個(gè)能量為個(gè)能量為0.511MeV的的光子。光子。南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所表征能量損失的術(shù)語(yǔ)表征能量損失的術(shù)語(yǔ)線性碰撞阻止身手：入射帶電粒子在靶物線性碰撞阻止身手：入射帶電粒子在靶物質(zhì)中穿行單位長(zhǎng)度路程時(shí)電離損失的平質(zhì)中穿行單位長(zhǎng)度路程時(shí)電離損失的平均能量均能量(單位：?jiǎn)挝唬篔.m-1、Me

23、V-1)線性輻射阻止身手：入射帶電粒子在靶物線性輻射阻止身手：入射帶電粒子在靶物質(zhì)中穿行單位長(zhǎng)度路程時(shí)輻射損失的平質(zhì)中穿行單位長(zhǎng)度路程時(shí)輻射損失的平均能量均能量質(zhì)量碰撞阻止身手：等于線性碰撞阻止身質(zhì)量碰撞阻止身手：等于線性碰撞阻止身手除以靶物質(zhì)的密度手除以靶物質(zhì)的密度(單位：?jiǎn)挝唬篔.m2.kg-1 、MeV2.g-1) 質(zhì)量輻射阻止身手：入射帶電粒子在靶物質(zhì)量輻射阻止身手：入射帶電粒子在靶物質(zhì)中穿行單位質(zhì)量厚度時(shí)輻射損失的平質(zhì)中穿行單位質(zhì)量厚度時(shí)輻射損失的平均能量均能量南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所傳能線密度傳能線密度linear energy transfer; LE

24、T：特定能量的帶電粒子在靶物質(zhì)中穿行單位特定能量的帶電粒子在靶物質(zhì)中穿行單位間隔時(shí)間隔時(shí),由能量轉(zhuǎn)移小于某一特定值的歷次由能量轉(zhuǎn)移小于某一特定值的歷次碰撞所呵斥的能量損失。是描畫(huà)輻射質(zhì)量碰撞所呵斥的能量損失。是描畫(huà)輻射質(zhì)量的物理量。的物理量。()dELdl當(dāng)當(dāng)時(shí)，時(shí)，L=dE/dlcol南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所 上述定義中，上述定義中，是能量截止值，即凡由能量轉(zhuǎn)移是能量截止值，即凡由能量轉(zhuǎn)移小于小于值的碰撞所呵斥的能量傳送均以為是在部值的碰撞所呵斥的能量傳送均以為是在部分授予物質(zhì)的。分授予物質(zhì)的。 生物效應(yīng)依賴于電離輻射微觀體積內(nèi)部分授予的生物效應(yīng)依賴于電離輻射微觀

25、體積內(nèi)部分授予的能量。高能量。高LETLET的輻射比低的輻射比低LETLET輻射有更高的生物學(xué)輻射有更高的生物學(xué)效應(yīng)。效應(yīng)。南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所電離損失和輻射損失的相對(duì)重要性電離損失和輻射損失的相對(duì)重要性總質(zhì)量阻止身手定義為帶電粒子在密度為總質(zhì)量阻止身手定義為帶電粒子在密度為的介質(zhì)中穿過(guò)路程的介質(zhì)中穿過(guò)路程dl時(shí)，一切方式的能量時(shí)，一切方式的能量損失損失dE除以除以dl而得到的商，用符號(hào)而得到的商，用符號(hào)S/表表示。示。對(duì)于電子，在臨床運(yùn)用的能量范圍內(nèi)，總的對(duì)于電子，在臨床運(yùn)用的能量范圍內(nèi)，總的能量損失可以為就是電離損失和輻射損失能量損失可以為就是電離損失和輻射

26、損失之和，其他作用過(guò)程的能量損失可以忽略之和，其他作用過(guò)程的能量損失可以忽略不計(jì)。不計(jì)。南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所總質(zhì)量阻止身手總質(zhì)量阻止身手S/可以表示為：可以表示為：重帶電粒子：輻射損失可以忽略重帶電粒子：輻射損失可以忽略電子：輻射損失和電離損失的相對(duì)重要性電子：輻射損失和電離損失的相對(duì)重要性Z：靶原子的原子序數(shù)：靶原子的原子序數(shù) E：入射電子的動(dòng)能：入射電子的動(dòng)能(S/ ) col 質(zhì)量碰撞阻止身手；質(zhì)量碰撞阻止身手；(S/ ) rad質(zhì)量輻射阻止身手質(zhì)量輻射阻止身手colradSSScolSS800radcolSZEMeVS南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大

27、學(xué)醫(yī)療儀器研究所定量關(guān)系定量關(guān)系-電離損失電離損失電離損失電離損失(質(zhì)量碰撞阻止身手：重帶電粒子質(zhì)量碰撞阻止身手：重帶電粒子)式中：式中： 南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所 簡(jiǎn)寫(xiě)為：簡(jiǎn)寫(xiě)為： 式中：式中： z z ：重帶電粒子的電荷數(shù)：重帶電粒子的電荷數(shù) Ne Ne：靶物質(zhì)每克電子數(shù)：靶物質(zhì)每克電子數(shù) E E ：入射粒子能量：入射粒子能量 2ecolSdEzNdxE 南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所定量關(guān)系定量關(guān)系-輻射損失輻射損失輻射損失輻射損失式中：式中：m: 入射粒子靜止質(zhì)量；入射粒子靜止質(zhì)量；E：入射粒子：入射粒子能量；能量；z：入射粒子電荷：入

28、射粒子電荷Z：靶物質(zhì)原子序數(shù)；：靶物質(zhì)原子序數(shù)；N：?jiǎn)挝毁|(zhì)量靶物質(zhì)中：?jiǎn)挝毁|(zhì)量靶物質(zhì)中的原子數(shù)的原子數(shù)1輻射損失與入射帶電粒子的輻射損失與入射帶電粒子的m2成反比，成反比，輕帶電粒子的輻射損失比重帶電粒子的輻輕帶電粒子的輻射損失比重帶電粒子的輻射損失大得多如一樣質(zhì)量的電子的輻射射損失大得多如一樣質(zhì)量的電子的輻射損失要比質(zhì)子大一百萬(wàn)倍，而重帶電粒損失要比質(zhì)子大一百萬(wàn)倍，而重帶電粒子的韌致輻射引起的能量損失可以忽略。子的韌致輻射引起的能量損失可以忽略。222radSdEz ZNEdxm 南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所式中：式中：m: m: 入射粒子靜止質(zhì)量；入射粒子靜止質(zhì)量；

29、E E：入射粒子能量；：入射粒子能量；z z：入射粒子電荷：入射粒子電荷Z Z：靶物質(zhì)原子序數(shù)；：靶物質(zhì)原子序數(shù)；N N：?jiǎn)挝毁|(zhì)量靶物質(zhì)中的原子數(shù)：?jiǎn)挝毁|(zhì)量靶物質(zhì)中的原子數(shù)2 2輻射損失與輻射損失與Z2Z2成正比，闡明重元素物質(zhì)中的韌致輻射損失比輕物質(zhì)大；成正比，闡明重元素物質(zhì)中的韌致輻射損失比輕物質(zhì)大；222radSdEz ZNEdxm 南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所式中：式中：m: 入射粒子靜止質(zhì)量；入射粒子靜止質(zhì)量；E：入射粒子：入射粒子能量；能量；z：入射粒子電荷：入射粒子電荷Z：靶物質(zhì)原子序數(shù)；：靶物質(zhì)原子序數(shù)；N：?jiǎn)挝毁|(zhì)量靶物質(zhì)中：?jiǎn)挝毁|(zhì)量靶物質(zhì)中的原子數(shù)的原

30、子數(shù)3輻射損失與入射粒子能量成正比，這與輻射損失與入射粒子能量成正比，這與電離損失的情況不同。電離損失的情況不同。上述能量損失上述能量損失(電離損失電離損失+輻射損失輻射損失)用用“阻止阻止身手身手描畫(huà)。描畫(huà)。222radSdEz ZNEdxm 南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所質(zhì)量角散射身手質(zhì)量角散射身手當(dāng)一平行電子束垂直入射到一吸收塊時(shí)，與物質(zhì)當(dāng)一平行電子束垂直入射到一吸收塊時(shí)，與物質(zhì)發(fā)生各種相互作用，一部分被吸收，余下的部分會(huì)發(fā)生各種相互作用，一部分被吸收，余下的部分會(huì)經(jīng)多次散射后從吸收塊另一側(cè)飛出。經(jīng)多次散射后從吸收塊另一側(cè)飛出。這些散射電子的飛行方向能夠各不一樣，從

31、而構(gòu)這些散射電子的飛行方向能夠各不一樣，從而構(gòu)成一個(gè)散射角的概率分布。這種分布的根本特征可成一個(gè)散射角的概率分布。這種分布的根本特征可用國(guó)際輻射單位與丈量委員會(huì)用國(guó)際輻射單位與丈量委員會(huì)ICRUICRU定義的質(zhì)量定義的質(zhì)量角散射身手角散射身手(mass angular scattering power)(mass angular scattering power)來(lái)來(lái)描畫(huà)。質(zhì)量角散射身手定義為均方散射角描畫(huà)。質(zhì)量角散射身手定義為均方散射角 除以除以吸收塊密度吸收塊密度 和厚度和厚度 之積所得的商。之積所得的商。2l南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所 對(duì)于高能電子和高原子序數(shù)資

32、料，質(zhì)量角散射身手的計(jì)算對(duì)于高能電子和高原子序數(shù)資料，質(zhì)量角散射身手的計(jì)算公式為：公式為： 對(duì)于低能電子和低原子序數(shù)資料，質(zhì)量角散射身手的計(jì)算對(duì)于低能電子和低原子序數(shù)資料，質(zhì)量角散射身手的計(jì)算公式為：公式為：南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所結(jié)論結(jié)論質(zhì)量角散射身手與原子序數(shù)的平方成正比，質(zhì)量角散射身手與原子序數(shù)的平方成正比，因此當(dāng)一樣能量的電子入射到高原子序數(shù)因此當(dāng)一樣能量的電子入射到高原子序數(shù)資料的吸收塊時(shí)，要比入射到低原子序數(shù)資料的吸收塊時(shí)，要比入射到低原子序數(shù)的吸收塊時(shí)，被散射得更厲害；的吸收塊時(shí)，被散射得更厲害；質(zhì)量角散射身手與入射電子動(dòng)量的平方近似質(zhì)量角散射身手與入射電子動(dòng)量的平方近似成反比，因此隨著電子能量添加，散射角成反比，因此隨著電子能量添加，散射角身手減小。身手減小。南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所南方醫(yī)科大學(xué)醫(yī)療儀器研究所射程射程帶電粒子與物質(zhì)的相互作用過(guò)程中，不斷的帶電粒子與物質(zhì)的相互作用過(guò)程中，不斷的損失其能量，最終將損失一切的動(dòng)能而停損失其能量，最終將損失一切的動(dòng)能而停頓運(yùn)動(dòng)。頓運(yùn)動(dòng)。粒子從入射位置至完全停頓位置沿運(yùn)動(dòng)軌跡粒子從入射位置至完全停頓位置沿運(yùn)動(dòng)軌跡所經(jīng)過(guò)的間隔稱為途徑長(zhǎng)度所經(jīng)過(guò)的間隔稱為途徑長(zhǎng)度沿入射方向從入射位置至完全停頓位置所經(jīng)沿入射方向從入射位