放射防护课件6.X(γ )射线射线在物质中的衰减规律

(二)质量衰减、质能转移及质能吸收系数

质量衰减系数 X线在物质中可发生各种相互 作用，相互作用的光子数可用发生相互作用的 几率来表示。 线性衰减系数μ 是入射光子在物质中穿行单位 距离时，平均发生总的相互作用的几率。


μ =τ +σ c+σ
coh+k

τ 为光电线性衰减系数；σ c为康普顿线性衰 减系数；σ coh为相干散射线性衰减系数；k为


μ en /ρ叫做质能吸收系数，SI单位是 m2．kg-1。 在计算X线吸收剂量及研制各种X线剂量 仪时，经常用到质能吸收系数。
碳的能量转移、能量吸收
光子能量(MeV)
0.01
Etr (MeV)
0.00865
Een (MeV)
0.00865
0.1
1.0 10 100
0.0141
0.440 7.30 95.62
The main contents


概述 单能窄束X线的衰减规律 单能宽束X线的衰减规律 连续X线的衰减规律 X线通过人体的衰减规律 影响X线衰减的因素
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概述



线衰减系数 质量衰减系数、质能转移及质能吸收系数 混合物和化合物质量衰减与质能吸收系数
tr s en


μ
2· -1。 / ρ 的 SI 单位是 m kg tr
(二)质量衰减、质能转移及质能吸收系数 3．质能吸收系数


光子与物质相互作用过程中转移给次级电子的 能量，有一部分是通过轫致辐射损失掉，真正 被物质吸收的能量等于光子转移给次级电子的 能量减去因轫致辐射损失的能量： μ en=μ tr(1－g)
X(γ )射线在物质中的衰减
X线的衰减规律

X线强度的衰减，包括距离与物质所致的衰减。
*距离引起衰减：从X线管焦点发出的X线向空间各个方向 辐射，在以焦点为中心而半径不同的球面上的X线强度与 距离(即半径)的平方成反比，叫X线强度衰减的平方反比 法则。 该定律只在真空中成立，在空气中由于气体的吸收严格说 是不成立的，但由于空气引起的衰减很少，在一般摄影中 可忽略不计。故在一般摄影中，可通过改变X射线管焦点 到胶片的距离来调节X射线的强度。
HVL ln 2 / 0.693/

与线性衰减系数的意义一样，HVL亦是X射线光 子能量和衰减物质材料的函数，当指明衰减材料 后，HVL表示该种物质对X射线光子的衰减能力。
窄束X线及其指数衰减规律
窄束X线及其指数衰减规律



单能窄束X线在通过物质时只有光子个数 的减少，无光子能量的变化。 其指数衰减规律就是射线强度在物质层 中都以相同的比率衰减。 很厚的吸收物质层，仍可能有一定强度 的射线透过，不可能完全被吸收。




*单能窄束X线的指数衰减规律： I ＝I 0e -μ x I0、I分别为X线入射到物体表面时的强 度和到达厚度为x处的强度；x为吸收物 质厚度，单位为m 。 还可表示成： I ＝ I 0e -μ mxm xm＝△Xρ 为质量厚度，单位为kg· m-2。 上两式只适用于单能窄束辐射。
(二)质量衰减、质能转移及质能吸收系数 2．质能转移系数

物质中吸收的就是电子转移部分能量。


X线能量的电子转移部分：
μ
tr=τ tr+σ tr+ktr
μ tr为线性能量转移系数，表示X线光子在物质中 穿行单位长度距离时，由于各种相互作用，能量 转移给电子的份额。μ tr的SI单位是m-1。 τ tr 、σ tr 、ktr分别为光电效应、康普顿效应和 电子对效应过程中光子能量转移为电子能量的线 能量转移系数。
N Nn Ns Ns B 1 Nn Nn Nn
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Nn为物质中未经碰撞的原射线光子的计数率， Ns为在物质中散射光子的计数率， N为在物质中光子的总计数率，N＝Ns＋Nn。
(二)积累因子


物理意义：其大小反映了散射光子数对总光 子数的贡献。B大于1。在理想的窄束条件下， Ns＝0，B＝1。 积累因子的大小与吸收体的厚度、原子序数 和几何条件，以及源与吸收体和考虑点之间 的相对位置，X射线光子的能量等因素有关。 对于积累因子可以通过近似计算法求得：


设光子的能量为hν，其中转移给带电粒 子的动能的部分为Etr，则μtr和μ的关系可 表示为：
Etr tr h
(二)质量衰减、质能转移及质能吸收系数 2．质能转移系数


质能转移系数为： tr tr tr ktr
质能转移系数表示X线在物质中穿行质量 厚度为1kg· m-2时，因相互作用其能量转 移给电子的份额。


物质引起衰减：X线通过物质时，由于X线光子与构
成物质的原子发生相互作用而产生光电效应、康普 顿效应和电子对效应等，在此过程中由于散射和吸
收使X线强度衰减。性质和厚度有关，而且还取决于
辐射自身的性质。

X射线强度在物质中的衰减规律是X射线摄影、透视 及X-CT检查的基本依据，同时也是屏蔽防护设计的 理论根据。
(二)质量衰减、质能转移及质能吸收系数



质能转移系数μ tr/ ρ 表示这些过程中光子能 量转移给带电粒子的总和。 因光核反应及其它过程的发生几率很小，带电 粒子的能量主要来自光电效应、康普顿散射、 电子对效应。传递给带电粒子的能量，其中又 有一部分转移给轫致辐射。 质能吸收系数μ en /ρ表示扣除轫致辐射能量 后，光子交给带电粒子的能量中用于造成电离、 激发，真正被物质吸收的那部分能量所占的份 额。
g表示能量变为轫致辐射的份额，随吸收体原 子序数的增加而增大。当次级电子能量在MeV 以下时，g常忽略不计。 μ en为线性能量吸收系数，表示X线在物质中 穿行单位长度时，能量真正被物质吸收的份额。

(二)质量衰减、质能转移及质能吸收系数 3．质能吸收系数
en tr 1 g
g
(一)线性衰减系数
K
(一)线性衰减系数




当吸收体不存在时，K点辐射强度为I0 在辐射源和探测器之间放置厚度为△X的很薄一 层物质，由于吸收和散射K点的辐射强度变为I。 强度改变 I－I0＝-△I，-表示强度的衰减。 用不同的吸收体、不同能量的射线进行测量时： － △ I ＝μ I 0 △X 辐射在穿过薄吸收层时，辐射强度的衰减与物 质层的厚度及辐射的I0成正比，同时与线性衰 减系数μ 的数值有关；μ 随辐射束中光子能量 的增加而减小。
n x
(一)连续X线的衰减特点 连续能谱的X线束是从某一最小值到某一 最大值之间的各种能量的光子组成的混 合射线，其平均能量一般在最高能量的 1/3到1/2之间。

在X线与物质的三个主要作用过程中，X线光子 能量都有一部分转化为电子(光电子、反冲电 子及正负电子对)的动能，另一部分则被-些次 级光子(特征X线、康普顿散射及湮灭辐射)带 走，总的衰减系数可表示为两部分的和，即：

μ =μ
tr+μ s


μ
μ
trX线光子能量的电子转移部分；
s
X线光子能量的辐射转移部分。
一、单能窄束X线的衰减规律




X线通过一定厚度的物质层时，有些光子 与物质发生了相互作用，有些则没有。 光电效应和电子对效应，则光子被物质 吸收。 康普顿效应，则光子被散射，散射光子 也可能穿过物质层。 穿过物质层的X线光子: a.原射线束中的光子，能量和方向均未 变化,即高能成分 b.散射光子，能量和方向都发生改变。
0.0141
0.440 7.04 71.9
(二)质量衰减、质能转移及质能吸收系数



质量衰减系数μ /ρ表示入射X线与物质相互作 用的总几率，是所有可能发生的相互作用的几 率之和。 发生相干散射或其它弹性碰撞时，光子能量既 不被吸收，也不转移给带电粒子，它的能量全 部给了散射光子。 在光电效应、康普顿散射、电子对产生和光核 反应(光子与原子核作用发生的核反应)等过程 中，部分能量被次级光子带走，其余部分转移 给带电粒子。
电子对效应线性衰减系数。
(二)质量衰减、质能转移及质能吸收系数 质量衰减系数

总的质量衰减系数等于各相互作用过程 的质量衰减系数的和：
c coh k

至于每一项在总衰减系数中所占的比例， 随光子能量和吸收物质Z而变化。
质 量 衰 减 系 数
(二)质量衰减、质能转移及质能吸收系数 2．质能转移系数
1m kg ??cm g
2 2
1
1
(二)质量衰减、质能转移及质能吸收系数

μ m优点：不受吸收物质的密度和物理状 态的影响。如水、冰和水蒸汽，虽然它们的
密度和物理状态不同，但它们的μ m都一样，质 量厚度“lkg· m-2” 的水、冰和水汽对X线都有同 等量的衰减。


μ m ＝ K λ 3 Z4 λ 愈短，X线衰减愈少，穿透本领愈强； Z愈高，X线衰减愈大。
虽然也用半价层来描述X线的质，但在屏蔽设 计中，不能简单地套用与此半价层相应的单能 射线的衰减结果。

(一)连续X线的衰减特点

理论上连续能谱窄束X射线的衰减可这样描述：
I I1 I 2 I n I 01e
1 x
I 02 e
2 x
I 0 n e
窄束X线及其指数衰减规律


单能辐射：由相同能量的光子组成的辐射。 窄束X线：是指不包括散射成分的射线束， 通过物质层后的X线光子，仅由未经相互 作用或称为未经碰撞的原射线光子所组成。 “窄束”是指物理意义上的“窄束”。即 使射线束有一定宽度，只要其中没有散射 光子，就可称之为"窄束"。