第八章 电离辐射及其医学应用

8.2.4 中子与物质的相互作用 (1) 中子分类
慢中子 (0~1 keV)、中能中子 (1 keV~500 keV)、快中子 (0.5 MeV~10MeV)以及高能中子(大于10MeV)。
慢中子: 又可分为热中子 (平均能量0.025eV)、超热中子 (能量1~10eV)、 共振中子(1 eV~1 keV)。 散射：弹性散射 & 非弹性散射 (2) 中子与物质的相互作用 核反应 (a) 弹性散射 中子损失的能量与相互作用原子核的质量有关。原子 核质量越小，获得能量越大。通常采用含氢的水、含 氘的重水、石墨或有机化合物作为中子的慢化剂。中 子用于治疗时，其与氢原子的作用不容忽视。
(3) 跃迁与内转换电子
① 跃迁：处于激发状态的核，跃迁到较低的激发态 直至基态，发射出 射线。
② 内转换电子：在某些情况下，原子核从激发态向较 低能态跃迁时，产生的能量直接交给内层电子， 使该电子脱离原子束缚成为自由电子。
｛内转换占11%
射线占89%
(4) 俄歇电子 在发生轨道电子俘获和发射内转换电子的情况下，核
8.1.1 基于非核过程的电离辐射 一、X射线 (1) X射线发生装置 普通X射线机包括：电子源，球形真空管，加速电场 和阳靶。
T:高速电子动能(~100keV) Z:靶原子序数(74W, 42Mo) 碰撞损失热量 辐射损失X射线
(2) X射线的强度和硬度 X射线的强度(intensity)是指单位时间内通过与X射线传 播方向垂直的单位面积的辐射总能量。
电离辐射的医学应用 ：放射学、核医学、放射免疫分析 (1) 放射学：包括诊断用的放射影像技术、治疗用的放射
治疗技术，以及作为介入手术导引的数字减影技术。
(2) 核医学：利用含放射性核素的放射性药物，通过其在
人体内不同组织器官及肿瘤的分布或放射性强度的变 化来进行诊断 (影像与非影像) 或治疗。
(3) 放射免疫分析：是利用标记了放射性核素的抗原与 非标记的抗原对特异性抗体进行竞争免疫反应，从
而进行体外超微量分析。
第一节 学
(1) 非核过程
电离辐射基础物理
电离辐射产生过程 ：(1) 非核过程，(2) 核过程。
核外电子碰撞过程(例如X射线)，或电离后加速输出(例 如电子束、质子束、重离子束)。 (2) 核过程 与原子核本身密切相关，产生于核反应或核衰变 (例如 射线、中子束、 射线、 射线)。
=KZ43
L1/2=ln2/
(2) 半价层
(3) 质量吸收系数和质量半价层 m= / Lm=L I=I0exp(-m Lm )
8.2.2 粒子、重离子与物质的相互作用 (1) 粒子在空气中的电离
(2) 其他带电粒子，例如质子、 重离子、负介子等与物 质的相互作用和粒 子相似。 8.2.3 粒子(电子束)与物质的相互作用 (1) 电离作用：比粒子几率小很多。 (2) 吸收规律：I=I0exp(-L) (3) 辐射&防护：产生X射线， 射线和X射线的防护。
(d) 医学应用
(i) 中子活化分析——痕量金属元素检测。
(ii) 中子刀 利用遥控后装技术将中子源送进肿瘤内部，借助中 子射线近距杀死癌细胞．中子射线的生物作用比X、 射线强2~8倍，适用于敏感性较差的肿瘤或复 发性肿瘤．
(iii) 硼中子俘获疗法
把含硼元素的肿瘤亲和药物注入人体，该种药物能 迅速浓聚于病灶部分，此时用超热中子射线照射， 可以在靶区引起核反应，所释放的高能射线只杀死 肿瘤细胞而不损伤周围组织．该疗法被认为是目前 治疗脑胶质瘤的最好方法．
第三节
1. 电离辐射普遍存在
电离辐射的生物效应
2. 强烈的电离辐射会引起明显的生物效应: 损伤机体细胞，导致生物的遗传突变。
电离辐射的生物效应一方面有助于治疗策略的制订， 一方面也有助于对自身的辐射防护。
8.3.6 相关计量概念
一、照射量 X射线或射线在质量为dm的空气中释放出来的全部电 子完全被空气阻止时， 在空气中产生任一种符号的离 子总电荷的绝对值dQ除以dm，即
四、基于核过程的几种医用电离辐射的来源 1. 射线 ① 放射治疗中射线来源
60 27
59Co(n,)60Co
Co60 Ni β 28
② 核医学的诊断中，由放射性药物释放射线
SPECT成像常用 99mTc，123I，67Ga，111In，201Tl， PET成像采集的射线源于电子对湮灭，β β 2γ （11C ， 13N ， 15O ，18F）
表8－2 医学上最常用的几种发射射线的放射性核素性质
2. 粒子 粒子用于治疗包括近距离放射治疗和核医学中的体内 药物治疗。常用的放射性核素有 32 P, 89 Sr, 90 Y, 131 I, 153Sm, 186Re等等。基本上均通过反应堆制备。
3. 粒子
释放粒子的放射性核素在医学中尚未应用到临床。

(b) 非弹性散射
非弹性散射一般是快中子、高能中子在重核上发生的。 (c) 中子核反应
慢中子和中能中子主要引起中子俘获效应, (n,)反应。 快中子主要发生散射，其次诱发(n, ) , (n, p) , (n, )。 高能中子则除以上反应外，还可能发生(n, 2n)反应。
中子活化分析: 中子俘获反应产生放射性物质的性质可 用于定性及定量检测微量或痕量元素，应用范围：环境、 地质、法医学、考古学、材料学、生物医学。
(4) X射线基本特性 ①电离作用 ②荧光作用 ③光化学作用
④生物效应 二、高能电子束
⑤贯穿本领
电子加速器高能电子束
三、质子束和重离子束 质子加速器高能质子束 离子加速器高能离子束
8.1.2 基于核过程的电离辐射 基于核衰变: 射线、 粒子、 粒子、俄歇电子等。 基于核反应: 快中子束、 - 介子束等。 一、原子、原子核与放射性 1. 质子和中子 核素: 具有相同质子数Z、中子数N的同一类原子， 同质异能素: Z 同 A 同, 能态不同, 如 同位素: Z同, 如: 2. 电子
频率由低到高分为: 无线电波、微波、红外线、可见
光、紫外线、X射线和 射线等。
粒子辐射既有能量, 又有静止质量 如: 粒子、粒子、内转换电子、俄歇电子、中子、
质子、重离子等。
(2) 依据作用的方式：非电离辐射和电离辐射。
非电离辐射不引起物质电离，只引起分子能级改变， 包括无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线等。 电离辐射则引起物质电离， 直接电离：粒子、 粒子、电子、质子、重离子等。 间接电离： X射线、 射线、中子。
4. 中子束 ① 快中子束治癌中子的来源：氘和氚(d+T)的聚变反应；
氘和氘离子(d+D)的聚变反应，氘和铍(d+Be)的核反应； 质子和铍(p+Be)的核反应。 ② 超热中子硼中子俘获疗法中子的来源：反应堆引出的 快中子慢化成为超热中子。
第二节
电离辐射与物质的相互作用
8.2.1 X射线、 射线与物质的相互作用 作用形式：光电效应、康普顿效应和电子对效应 一、光电效应 光电效应是低能X射线、 射线与物质相互 作用的主要机制。 X 射线、 射线撞击一 个原子内层轨道电子时， 其能量全部转移给电子，使其具有动能而脱离原子飞出， 而X射线、射线本身消失，这种过程称为光电效应。 出射光电子能量 =入射光子能量-电子结合能
强度调节：(1)调节管电压， (2) 调节管电流，毫安率。 X射线的硬度(hardness)是指X射线的贯穿本领。 硬度调节：调节管电压，千伏率。
表8-1 X射线按硬度的分类和用途
名称 极软X射线 管电压/kV 最短波长/nm 5~20 0.25~0.062 主要用途 组织摄影,表皮治疗
软X射线
硬X射线 极硬X射线
电子及 “ 轨道 ”
3. 放射性核素衰变及其类型
放射性核衰变(nuclear decay): 不稳定的放射性核素能够 自发地以各种方式转变成另外的核。 衰变前的核称为母核，衰变生成的新核称为子核。
天然稳定核素约280种，天然放射性核素约30种， 人工放射性核素(人造核素/人工核素)超过2000多种， 核衰变类型: 衰变、 衰变、衰变. 核衰变过程遵守的守恒定律: ① 质量能量守恒, ③ 核子数守恒,
三、核反应 1. 核反应概念 核反应是原子核与粒子、质子、中子、重离子等粒子 相互作用引起的变化。 核反应方程简写：A1 X(a, b) A 2 Y X 表示靶核，a 入射粒子，b 出射粒子，Y 剩余核 2. 核反应类型 (1) 中子核反应 [(n,)、(n,)、(n,p)、(n,2n)、(n,f)] (2) 质子核反应[(p,)、(p,d)、(p,n)、(p,)] (3) 离子核反应[(d,)、(d,p)、(d,n)、(,p)、(,n)、(,)] (4) 光核反应[(,n)、(,d)、(,)]
= dQ /dm
照射量仅适用于X或射线和空气介质。专用单位R(伦琴) 1 R=2.58×10-4C／kg
二、吸收剂量D 吸收剂量D反映受照物质吸收辐射能量的程度，定义为
D d E / dm 单位质量的物质从电离辐射中吸收的平均能量。
吸收剂量的专用单位是戈瑞(Gy, Gray)，单位符号为Gy。 1Gy等于1 kg受照物质吸收1J的辐射能量，即
E0=2mec2+E++E-
E+ +E- =E0 - 2mec2
四、物质对X射线的吸收规律 当X射线通过物质时，与物质的原子发生以上三种相互 作用，X射线的能量降低，强度随着X射线深入物质的 程度而减弱，这种现象叫做物质对X射线的吸收。 朗伯—比尔定律 (1) 线性吸收系数 I=I0exp(- L )
1Gy = 1J· -1 （1 rad ＝ 0.01 Gy） kg
二、康普顿效应
康普顿效应是中能X射线、 射线与物质相互作用主要 机制。
当X射线、 射线与物质相互作用时，将部分能量转移 给电子使其脱离原子飞出这种过程称为康普顿效应。