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
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1、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,
2、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),
3、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
4、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
5、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,
6、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,2023/4/3
7、0,13,6、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
8、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
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