輻射與物質(zhì)的相互作用課件

輻射與物質(zhì)的相互作用§1、輻射與物質(zhì)的作用類型及能量損失§2、電離輻射的生物學(xué)作用§3、生物靶的調(diào)節(jié)作用§4、影響電離輻射作用的主要因素輻射與物質(zhì)的相互作用§1.輻射與物質(zhì)的作用類型及能量損失A.輻射與物質(zhì)作用的種類一.X（γ）射線與物質(zhì)的作用二.β

射線與物質(zhì)的作用三.α射線與物質(zhì)的作用四.中子與物質(zhì)的作用五.帶電重粒子與物質(zhì)的作用輻射與物質(zhì)的相互作用一.X(γ)射線與物質(zhì)的相互作用輻射與物質(zhì)的相互作用Ⅰ.光電效應(yīng)Ⅱ.康普頓效應(yīng)++eehfhfhf’Ⅲ.電子對效應(yīng)+hfZee-e+1、X線與物質(zhì)相互作用的過程輻射與物質(zhì)的相互作用(1).光電效應(yīng)特征放出光電子的原子變成正離子并處于激發(fā)態(tài)；外層電子向內(nèi)層填充產(chǎn)生特征X線;特征線離開原子前又擊出外層(俄歇)電子.光電子、正離子、特征X光子、俄歇電子光電效應(yīng)的次級(jí)粒子Ⅰ.光電效應(yīng)(光子與原子內(nèi)層電子作用）輻射與物質(zhì)的相互作用(2).光電效應(yīng)的發(fā)生幾率a.原子序數(shù)的影響

光電效應(yīng)幾率

Z4

內(nèi)層比外層發(fā)生幾率大4~5倍但必須大于結(jié)合能c.原子邊界限吸收的影響b.入射光子能量的影響

光電效應(yīng)幾率防護(hù)材料選取的依據(jù)L限K限吸收限吸收限光子能量光電質(zhì)量衰減系數(shù)Ⅰ.光電效應(yīng)(光子與原子內(nèi)層電子作用）輻射與物質(zhì)的相互作用(3).光電子的角分布

光電子的角分布與入射X光子能量有關(guān)能量低—大角度分散能量高—小角度集中（電離方向）Ⅰ.光電效應(yīng)(光子與原子內(nèi)層電子作用）輻射與物質(zhì)的相互作用(4).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線通過光電效應(yīng)幾乎全部被人放療時(shí)增加對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比度Ⅰ.光電效應(yīng)(光子與原子內(nèi)層電子作用）體吸收，增加了受檢者的劑量，對人體有負(fù)面作用。輻射與物質(zhì)的相互作用(1).康普頓效應(yīng)的發(fā)生幾率原子序數(shù)的影響

康普頓效應(yīng)幾率

Z/A

除氫元素外，大多數(shù)材料具有相同的Z/Ab.入射光子能量的影響

康普頓效應(yīng)幾率Ⅱ.康普頓效應(yīng)(與原子外層電子作用）輻射與物質(zhì)的相互作用CrystalgratingX-Ray

o

（>

o）康普頓

散射波長

spectra

o:入射波長波長(2).散射光子的波長輻射與物質(zhì)的相互作用

hfoXYhf考慮：Comptonwavelengthelectron輻射與物質(zhì)的相互作用(3).散射光子和反沖電子的角分布散射光子能量反沖電子動(dòng)能散射角與反沖角關(guān)系輻射與物質(zhì)的相互作用(3).散射光子和反沖電子的角分布

注:康普頓效應(yīng)的散射線，是X線檢查中最大的散射線來源,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.輻射與物質(zhì)的相互作用效應(yīng)發(fā)生幾率Ⅲ.電子對效應(yīng)輻射與物質(zhì)的相互作用

A.相干散射2、X線與物質(zhì)作用的其他過程

射線與物質(zhì)相互作用而產(chǎn)生干涉(衍射)的散射過程叫相干散射。比如X線對年晶體衍射產(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)生電離的過程。

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

B.光核作用輻射與物質(zhì)的相互作用

A.X線引發(fā)效應(yīng)總結(jié)3、各種作用發(fā)生的相對幾率光核作用普通散射輻射與物質(zhì)的相互作用

B.Z和hf與三種作用的關(guān)系3、各種作用發(fā)生的相對幾率輻射與物質(zhì)的相互作用

C.放射診斷學(xué)中三種作用發(fā)生的相對幾率表2放射診斷學(xué)中作用幾率與Z和hf的關(guān)系X射線能量(KeV)水（Z=7.4)骨（Z=13.8)碘化鈉（Z=49.8)光電(%)康普頓(%)光電(%)康普頓(%)光電(%)康普頓(%)207030891194660793316995510019999188123、各種作用發(fā)生的相對幾率輻射與物質(zhì)的相互作用4.X(γ)射線在物質(zhì)中的衰減

當(dāng)X線通過物質(zhì)時(shí)，由于光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對效應(yīng)等作用，使射線的強(qiáng)度衰減。即物質(zhì)所致的衰減。射線在物質(zhì)中的衰減隨距離衰減物質(zhì)所致衰減(W/m2)輻射與物質(zhì)的相互作用A、單能X線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律(1)、窄束X線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律4.X(γ)射線在物質(zhì)中的衰減輻射與物質(zhì)的相互作用光子數(shù)表示則滿足lnIlnI0x光子數(shù)減少但頻率不變?。é?0.2cm-1)4.X(γ)射線在物質(zhì)中的衰減輻射與物質(zhì)的相互作用A、單能X線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律積累因子:某物質(zhì)元中X光子計(jì)數(shù)率與未碰撞物質(zhì)的X光子計(jì)數(shù)率之比B。(2)、寬束X線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律Ns:物質(zhì)元散射X光子計(jì)數(shù)率B是描述散射光子影響反映寬束和窄束區(qū)別的物理量寬束X線的衰減規(guī)律B可以通過臺(tái)勞級(jí)數(shù)展開近似計(jì)算求得4.X(γ)射線在物質(zhì)中的衰減輻射與物質(zhì)的相互作用B、連續(xù)X線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律(1)、連續(xù)X線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律4.X(γ)射線在物質(zhì)中的衰減輻射與物質(zhì)的相互作用光子數(shù)水模厚度單能X線連續(xù)X線4.X(γ)射線在物質(zhì)中的衰減B、連續(xù)X線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律(1)連續(xù)X線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律輻射與物質(zhì)的相互作用影響因素輻射與物質(zhì)的相互作用(2)、X線的濾過

低能X線不能透過人體(吸收)，對形成X線影像不起作用，但卻大大增加被檢者皮膚照射量。為減少無用低能光子對皮膚和淺表組織的傷害，需采用適當(dāng)?shù)臑V過措施，在管口放置一定均勻厚度的金屬，吸掉低能部分，使平均能量增高。4.X(γ)射線在物質(zhì)中的衰減B、連續(xù)X線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律輻射與物質(zhì)的相互作用(2)、X線的濾過

a、固有濾過包括X線管的玻璃管壁、絕緣油、管套上的窗口和不可拆卸的濾過板。用鋁當(dāng)量表示。

鋁當(dāng)量：指一定厚度的濾過材料用相同衰減效果的鋁板厚度表示。一般診斷X光機(jī)的固有濾過在0.5~2mmAl。對軟組織攝影則需要低濾過X線,以增加軟組織對比度.4.X(γ)射線在物質(zhì)中的衰減B、連續(xù)X線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律輻射與物質(zhì)的相互作用

b、附加濾過包括附加濾過板、遮光器的濾過等。根據(jù)衰減厚度能量分布不同,依具體情況選擇管電壓和材料形狀厚度4.X(γ)射線在物質(zhì)中的衰減輻射與物質(zhì)的相互作用濾過板厚度及對照射劑量的影響

使用低濾過高千伏攝影,對受檢者十分有害.而厚度濾過技術(shù)對受檢者降低劑量有重要意義.鋁板厚度(mmAl)皮膚照射量(C/kg)照射量下降百分?jǐn)?shù)(%)00.51.03.06.14×10-44.78×10-43.28×10-41.20×10-402247804.X(γ)射線在物質(zhì)中的衰減B、連續(xù)X線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律輻射與物質(zhì)的相互作用楔形或梯形濾過板4.X(γ)射線在物質(zhì)中的衰減B、連續(xù)X線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律輻射與物質(zhì)的相互作用C、診斷放射學(xué)中X線的衰減(1)、人體的構(gòu)成元素和組織密度

人體內(nèi)除少量的鈣、磷等中等原子序數(shù)物質(zhì)外，其余全由低原子序數(shù)物質(zhì)組成。人體吸收X線最多的是由Ca3(PO4)2組成的門牙，吸收X線最少的是充滿氣體的肺。4.X(γ)射線在物質(zhì)中的衰減輻射與物質(zhì)的相互作用C、診斷放射學(xué)中X線的衰減

有效原子序數(shù)：在相同照射條件下,1kg復(fù)雜物質(zhì)與1kg單質(zhì)吸收輻射能相同時(shí)單質(zhì)的原子序數(shù)。

ai為第i種元素在單位體積中電子數(shù)的占有比率,Zi為第i種元素的原子序數(shù)。如水中:氧的電子數(shù)比率2.68:3.34，氫的電子數(shù)比率0.66:3.34。氧、氫的原子序數(shù)分別為8和1，所以4.X(γ)射線在物質(zhì)中的衰減輻射與物質(zhì)的相互作用C、診斷放射學(xué)中X線的衰減

有效原子序數(shù)的近似公式為ai為第i種元素原子在分子中的原子個(gè)數(shù)，Zi為第i種元素的原子序數(shù)。如水中：氧原子個(gè)數(shù)為1，氫原子個(gè)數(shù)為2，所以占有人體大部分成分的水有效原子序數(shù)為4.X(γ)射線在物質(zhì)中的衰減輻射與物質(zhì)的相互作用C、診斷放射學(xué)中X線的衰減(2)、X線通過人體的衰減規(guī)律

人體各組織器官X線的衰減各異，一般按骨骼、肌肉、脂肪和空氣的順序由大到小排列。而隨管電壓(hf)增加衰減減小。以光電效應(yīng)吸收為主4.X(γ)射線在物質(zhì)中的衰減輻射與物質(zhì)的相互作用C、診斷放射學(xué)中X線的衰減

以手部拍片為例，說明X線在人體不同組織中的衰減差別及與管電壓的關(guān)系。用40kV拍片骨肌肉而用150kV拍片骨肌肉

衰減差別大，形成高對比度4.X(γ)射線在物質(zhì)中的衰減(2)、X線通過人體的衰減規(guī)律輻射與物質(zhì)的相互作用表5人體不同組織的線衰減系數(shù)μ(m-1)管電壓(kV)脂肪(×102)肌肉(×102)骨骼(×102)4050607080901001101201301401500.33930.26530.21960.20090.19050.18320.18010.17740.17550.17420.17320.17240.40120.29330.24550.22130.20760.19940.19420.19060.18820.18640.18520.18422.44341.41790.96770.73420.60470.54080.48650.45300.42980.41320.40100.3918輻射與物質(zhì)的相互作用二、其他射線與物質(zhì)的作用

β射線即電子流，帶有負(fù)電，其質(zhì)量很小，因此在運(yùn)行中容易被其他電子所偏轉(zhuǎn)，所以其徑跡曲折，其實(shí)際穿透深度小于其徑跡長度。在β

射線徑跡的末端,電離密度最大，這是由于此時(shí)電子能量已顯著降低，速度減慢,與靶物質(zhì)原子作用幾率加大,單位距離內(nèi)形成的離子對增多。1.β

射線與物質(zhì)的作用輻射與物質(zhì)的相互作用二、其他射線與物質(zhì)的作用在臨床上使用直線加速器發(fā)生的高能電子流照射組織時(shí)，主要的電離作用產(chǎn)生在深部，而90Sr放射源放出的β射線則在淺層（1~2mm）引起最大電離作用。射程長短取決于電子能量的大小。1.β

射線與物質(zhì)的作用輻射與物質(zhì)的相互作用二、其他射線與物質(zhì)的作用α射線即氦核組成的粒子流，由2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子組成，故帶有2個(gè)正電荷，質(zhì)量數(shù)為4，比電子質(zhì)量大約8000倍。α粒子在組織中通過較慢，穿透距離甚短，最多只幾百微米。故α射線由外照射對機(jī)體不會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重危害。2.α射線與物質(zhì)的作用輻射與物質(zhì)的相互作用二、其他射線與物質(zhì)的作用但發(fā)射α粒子的放射性核素進(jìn)入體內(nèi)時(shí)，由于其物理特征，其電離密度較大，造成的損傷則更為嚴(yán)重。此外，放射性治療中用快中子或負(fù)π介子照射組織時(shí)，在組織中將產(chǎn)生α粒子，對殺傷癌細(xì)胞將起重要作用。2.α射線與物質(zhì)的作用輻射與物質(zhì)的相互作用二、其他射線與物質(zhì)的作用中子不帶電,通過組織時(shí)不干擾帶電物質(zhì),只有在與原子核直接碰撞時(shí)發(fā)生相互作用.但慢中子或熱中子(能量在0.5eV以下)進(jìn)入原子核易被俘獲,而快中子(能量大于20keV)與原子核主要發(fā)生彈性碰撞.在中子與質(zhì)子(氫核)的一次碰撞中,中子的部分能量傳給質(zhì)子,產(chǎn)生反沖質(zhì)子,這種帶正電重粒子在組織中速度很快下降,引起高密度電離作用。3.中子與物質(zhì)的作用輻射與物質(zhì)的相互作用二、其他射線與物質(zhì)的作用中子與氧、碳、氮等原子核也發(fā)生彈性散射，其反沖核引起高密度的電離。快中子與組織中更重的原子核相互作用可引起非彈性散射產(chǎn)生γ射線。此外,中子與物質(zhì)的原子核作用還會(huì)產(chǎn)生核反應(yīng),在反應(yīng)過程中釋放帶電重粒子、γ光子或產(chǎn)生放射性核素。3.中子與物質(zhì)的作用輻射與物質(zhì)的相互作用二、其他射線與物質(zhì)的作用快中子作用于組織時(shí)可產(chǎn)生帶電重粒子。此外，高能加速器還可將重粒子加速，使其具有穿透深部組織的能力。例如，質(zhì)子、氦核、負(fù)π介子等可在數(shù)厘米深處產(chǎn)生高密度的電離，達(dá)到集中殺死癌細(xì)胞的作用4.帶電重粒子與物質(zhì)的作用輻射與物質(zhì)的相互作用二、其他射線與物質(zhì)的作用關(guān)于負(fù)π介子的研究近年來特別受到放射治療領(lǐng)域的關(guān)注.負(fù)π介子屬于亞原子粒子,其質(zhì)量為電子的276倍,電荷同于電子,由同步回旋加速器將質(zhì)子加速到極高能量(500~700MeV)而作用于石墨或鉛靶時(shí)產(chǎn)生.當(dāng)其穿入組織被碳、氧、氫等原子核捕獲,釋放α粒子、中子和質(zhì)子,產(chǎn)生高密度電離作用。4.帶電重粒子與物質(zhì)的作用輻射與物質(zhì)的相互作用§1.輻射與物質(zhì)的作用類型及能量損失B.傳能線密度與相對生物效應(yīng)一.傳能線密度（LET）定義帶電粒子在組織(或其他物質(zhì))中經(jīng)過一定距離時(shí)由于碰撞而損失的能量.(J/m)生物損害與LET值正相關(guān)。高LET粒子在給定體積內(nèi)產(chǎn)生變化的幾率高，但并非無限增加。輻射與物質(zhì)的相互作用§1.輻射與物質(zhì)的作用類型及能量損失B.傳能線密度與相對生物效