最新肿瘤放射物理学第四章X射线和物质的相互作用PPT文档.ppt
2023/4/30,1,一、作用特点X射线是电磁辐射，不带电，无静止质量。与物质的相互作用机制与带电粒子完全不同：X线不能直接引起物质原子电离或激发，而是先把能量传递给带电粒子。,2023/4/30,2,X 射线与物质相互作用是通过一次碰撞损失大部分或全部能量，而带电粒子则是通过许多次相互作用逐渐损失能量。穿过物质时其强度遵循指数衰减规律:I=I0e-t；而带电粒子有确定射程，在射程之外就观察不到带电粒子了。,2023/4/30,3,二、相互作用方式(能量小于30MeV)光电效应：X射线全部能量转移给原子中的束缚电子，使其从原子中发射出来，光子本身消逝康普顿散射：光子与核外电子发生非弹性碰撞,光子的一部分能量转移给电子使它反冲出来，而散射光子的能量和运动方向发生变化电子对效应：光子与靶原子核的库仑场作用光子转化为正负电子对。,2023/4/30,4,相干散射：X()光子具有波粒二象性，即粒子也是电磁波。当入射电磁波从原子附近经过时，引起轨道电子共振，振荡电子将发射波长相同但方向不同的电磁波，不同轨道电子发射的电磁波具有相干性，故此过程称为相干散射。在这个过程中，低能光子(hmec2)与束缚电子弹性碰撞（电子位置不变），原子保持初始状态，光子能量不变，主要沿入射方向发射。,2023/4/30,5,相干散射（续）：光子能量低，靶原子序数较大时，相干散射占优势。光子能量高(hmec2)，靶原子序数小时，相干散射与康普顿散射相比可以忽略。x ray interactions.flv光致核反应：高能光子与原子核作用引起核反应核共振反应：入射X射线使原子核处于激发态，退激时放出射线在100KeV-30MeV能量范围。后三种效应1%,2023/4/30,6,三、作用截面与作用系数截面：描述粒子与物质相互作用概率的物理量，定义为一个入射光子与单位面上一个靶原子发生某一相互作用的几率，用符号表示，单位是m2 其专用单位是“巴恩”，1b=10-24cm2=10-28m2,2023/4/30,7,考虑一单能平行X光子束入射到物质中，如下图。在厚度t=0处，与X光子束入射方向垂直的单位面积上的光子数为I0；穿过了dt薄层时，有dI个光子与物质发生了相互作用，在厚度t处，单位面积上的光子数为I。其中，dI-光子数目变化；I-入射光子数；n-单位体积靶原子数;dt-靶物质厚度;：线性衰减系数=n,2023/4/30,8,1、线性衰减系数线性衰减系数表示X()光子与每单位厚度物质发生相互作用的概率，即光子穿过靶物质时在单位厚度上入射光子数减少的百分数。衰减系数与光子能量和靶物质材料有关，与入射光子数无关。对于连续能谱的窄束光子，衰减系数随靶物质厚度而变化，这就是“射线变硬”现象。线性衰减系数随温度和气压而变化。,2023/4/30,9,2、质量衰减系数/质量衰减系数/表示X()光子与每单位质量厚度物质发生相互作用的概率，等于线性衰减系数除以物质密度。任何物质都会热胀冷缩，并且有气、液、固三相变化。物质的密度会随温度或气压变化而变化，同时线性衰减系数也将随温度或气压而变化。因此，由定义可知，质量衰减系数温度和气压无关。/=n/式中 n：单位体积靶原子数。,2023/4/30,10,3、线性能量转移系数tr线性能量转移系数tr表示X()光子在物质中穿行单位距离时，其总能量由于各种相互作用转移给带电粒子动能的份额。设光子能量为h，其中转移为带电粒子动能的部分为Etr，则有：tr=*(Etr/h)式中，Etr：转移给带电粒子的动能 h：入射光子能量：线性衰减系数,2023/4/30,11,4、质能转移系数tr/质量能量转移系数tr/定义为 除以 的商：是X()光子穿过“质量厚度”为 的物质层时，因相互作用而转给带电粒子动能的份额。式中，：物质密度 E：入射光子能量 N：入射X()光子数,2023/4/30,12,5、质能吸收系数en/质能吸收系数表示X()光子在物质中穿行单位质量厚度时，真正被物质吸收的那部分所占份额。X()光子转移给次级电子的动能，有一部分通过韧致辐射和湮灭辐射而损失，真正被物质所吸收的能量应等于X()光子转移给次级电子的动能减去因辐射而损失的能量。质能转移系数和质能吸收系数之间的关系为：式中，g：转移给次级电子的动能因辐射而损失的份额,2023/4/30,13,6、半价层 HVL半价层HVL定义为X()射线束流强度减弱到其初始值一半时所需要的某种物质的衰减块的厚度。HVL与线性衰减系数之间的关系为：HVL=ln2/=0.693/,2023/4/30,14,四、光电效应1、光电子发射：能量为hv的X()光子与物质原子的轨道电子发生相互作用，把全部能量传递给对方，X()光子消失，获得能量的电子挣脱原子束缚成为自由电子（或称光电子）；原子的电子轨道出现一个空穴而处于激发态，它将通过发射特征X线或俄歇电子的形式回到基态，这个过程称为光电效应,2023/4/30,15,2023/4/30,16,（续）h=Ee+Bi 式中，Ee：光电子动能 Bi：电子在壳层中束缚能电子在原子中束缚越紧，原子核参与此过程的几率越大，即光电效应的几率越大，因此在K壳层击出光电子的几率最大，约占80%,2023/4/30,17,2、特征X射线和俄歇电子发生光电效应时从内壳打出电子，该壳留下空穴使原子处于激发态。有两种退激过程：特征X射线：外壳层电子向内壳层跃迁使原子退激，壳层之间束缚能之差以X射线形式发射俄歇电子：原子的激发能交给外层电子使电子发射出来,2023/4/30,18,2023/4/30,19,3、光电效应总截面 ph 每个原子光电效应总截面与原子序数、光子能量间的关系(h 大于K层结合能时)：ph Zn/(h)3 式中 h：光子能量 n：是原子序数的函数，相关取值44.8，低原子序数近似取4，高原子序数取4.8 Z：原子序数,2023/4/30,20,4、光电效应线性衰减系数-ph光电效应线性衰减系数ph与原子序数、光子能量间的关系(h大于K层结合能时)：ph ph Zn/(h)3 质量衰减系数ph/：ph/ph Zn-1/(h)3光电效应线性衰减系数随原子序数增加迅速增加光电效应线性衰减系数随光子能量增加迅速减少,2023/4/30,21,如图所示，水的光电质量衰减系数/与X()光子能量在双对数坐标中呈线性关系，并且直线斜率近似为-3。对于铅，关系曲线由下降段和上升段构成：能量为14keV的三个相邻突升位正好对应铅的L层3个子壳层的结合能；能量为88.3keV的突升位正好是铅的K层电子结合能，这说明当X()光子能量增加到等于某壳层电子结合能时，此壳层才参与光电效应，使/上升到较高的数值，然后随能量增加而下降。,2023/4/30,22,由于水分子中的氢原子和氧原子的K层电子结合能均小于1keV，因而图中水的光电质量衰减系数曲线观察不到突变现象。对于铅的曲线，在hv1MeV时，曲线斜率由-3变化为-1，这说明 随能量增加而下降的速度变慢。,2023/4/30,23,5、光电效应光电子角分布相对于X()光子的入射方向，光电子沿不同角度方向运动概率不同，形成所谓的角分布。由能量和动量守恒限制：在00和1800没有光电子低能光子：垂直入射方向（900）概率最大高能光子：沿近00方向发射,90 0 低能光子h 00 高能光子,2023/4/30,24,1、反应机制当入射X()光子与原子内一个轨道电子发生作用时，光子损失一部分能量，并改变运动方向，电子获得能量而脱离原子，这个过程称为“康普顿效应”2、与光电效应的区别光电效应中光子本身消失，能量全部转移给电子。康普顿效应光子把部分能量转移给电子光电效应发生在束缚最紧的内壳层电子康普顿效应发在束缚最松的外壳层电子,五、康普顿效应,2023/4/30,25,2023/4/30,26,3、康普顿效应能量分布入射光子能量h与反冲电子能量Ee和散射光子能量h的关系：散射光子能量：反冲电子能量：式中，为入射光子能量h和电子的静止能量mec2的比值，mec2=0.511MeV,2023/4/30,27,散射角一定时，散射光子能量随入射光子能量增大而增大。随入射光子能量增大，散射光子越朝前向散射。入射光子能量一定时，散射光子能量随散射角增大而减小。,2023/4/30,28,=0时，h=h，Ee=0，散射光子能量最大，反冲电子能量为0，说明X()光子从电子旁边掠过，它的能量没有损失。,2023/4/30,29,=90时，h0.511MeV。这说明不管入射X()光子能量有多高，900散射光子的能量最大不超过0.511MeV,2023/4/30,30,=180时，h0.256MeV，这说明不管入射X()光子能量有多高，1800散射光子的能量最大不超过0.256MeV。入射的光子与电子发生对心碰撞，光子被反弹回来，而反冲电子沿光子入射方向飞出。,2023/4/30,31,4、康普顿效应原子散射总截面当入射光子能量E mec2 时：c=8Z02/3 0是电子经典半径，等于e2/mec2=2.810-13cm截面与入射光子能量无关，与Z呈正比。,2023/4/30,32,当入射光子能量Emec2时：c=Z02(mec2/E)ln(2 E/mec2)+1/2与Z成正比，近似与光子能量成反比,2023/4/30,33,注意：每个电子的康普顿效应总截面和散射截面均与原子序数无关。康普顿效应可以看成是X线光子和处于静止的自由电子之间的弹性碰撞，因此每个原子的康普顿效应总截面和散射截面均与原子序数成正比。,2023/4/30,34,5、散射光子的角分布,散射光子的角分布是指散射光子数目随角的变化情况。可用参数 表示。下图给出了散射光子的角分布与散射角、入射X()光子能量的关系，随X()光子能量的增加，散射光子越是朝前散射。,2023/4/30,35,6、反冲电子的角分布,随入射X()光子能量增加，反冲电子的角分布也是朝前向散射。,2023/4/30,36,1、反应机制当光子从原子核旁经过时，在原子核库仑场作用下，光子转化为一个正电子和一个负电子。,六、电子对效应,x ray interactions.flv,2023/4/30,37,2、特点入射光子的能量必须E2mec2=1.02MeVB.与光电效应类似，必须有第三者原子核参与，才能维持能量和动量守恒。由于原子核反冲动能小，可以忽略,原子核 正电子 h 负电子,2023/4/30,38,C.在电子的库仑场作用下也可产生电子对，由于电子质量小、反冲能量大，入射光子能量必须E4m0c2=2.04MeV。但发生的概率相对于原子核库伦场发生电子对效应的概率要小得多。D.正电子在吸收体中慢化使其动能为零，与电子相互作用产生两个射线，此称为“电子对湮灭”,原子核 正电子 h 负电子,2023/4/30,39,电子对湮灭,2023/4/30,40,正负电子对的能量和角度分布能量分布：E=Ee+Ee-+2m0c2 2m0c2 是正、负电子的静止能量；Ee+Ee-分别是正负电子的动能。由于Ee+Ee-=常数，正电子和负电子之间能量分配是任意的。但单个电子的动能可以取0(E-2m0c2)之间任何值，但出现在整个范围中间部分的电子数目要比两端多。,2023/4/30,41,角度分布：由动量守恒，正负电子对沿入射光子方向前角发射。光子能量越大，发射方向越前倾,电子对效应截面E2m0c2 pZ2 EE2m0c2 pZ2 ln E,2023/4/30,42,湮灭光子的能量和角度分布能量分布：E1+E2=2m0c2 且 E1=E2=m0c2=0.511MeV角度分布：湮灭前正负电子的动能和动量为零，因此运动方向相反,2023/4/30,43,各种相互作用的相对重要性,三种作用形式与光子能量、吸收物质原子序数间相互关系,2023/4/30,44,各种相互作用的相对重要性10KeV-30KeV：低能X射线、高原子序数吸收体光电效应占优势30KeV-25MeV：中能X射线、低原子序数吸收体康普顿效应占优势25MeV-100MeV：高能X射线、高原子序数吸收体电子对效应占优势,
