5-2第五章第二节X线的衰减规律讲解

(一)窄束X线及其指数衰减规律
*单能窄束X线的指数衰减规律：

I＝I0e-μ x
(2-38)
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＝ I0e-μ mxm
(2-39)
xm＝△Xρ 为质量厚度，单位为kg·m-2。
I


I 0 x
(2-34)
得：
△xρ 表示面积为1m2、厚度为△xm的立方
体所包含物质层的质量，称为质量厚度，
SI单位“kg·m-2”。
μ /ρ 表示X线在穿过质量厚度为1kg.m-2 的物质层后X线强度减少的分数值。质量 衰减系数用μ m表示，SI单位“m2.kg-1” 。
用质能吸收系数代替质量衰减系数计算 宽束的衰减，对防护是安全的。
(一)宽束X线的衰减规律
宽束的衰减规律比较复杂，与吸收物质 厚度的关系在半对数坐标中不是直线， 而出现弯曲。
计算屏蔽体厚度时，在窄束的指数衰减 规律上加入积累因子B修正

I=BI0e-μ x
(2-50)
积累因子是描述散射光子影响的物理量，
4．混合物和化合物质量衰减与质能吸收系数
有效原子序数经验公式：

Z

2.94
a1Z12.94

a2
Z 2.94 2



an
Z 2.94 n
(2-48)
近似式：

1
Z


a1Z14 a1Z1

a2
Z
4 2
a2Z2





anLeabharlann Baidu
Z
4 n
anZn
3
The main contents
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
一、单能窄束X线的衰减规律
(一)窄束X线及其指数衰减规律
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。
上两式只适用于单能窄束辐射。
(一)窄束X线及其指数衰减规律
(a)不论吸收体多厚辐射强度不能降低为0。 (b) 直线的斜率就是线性衰减系数值。
(一)窄束X线及其指数衰减规律
(一)窄束X线及其指数衰减规律
图2-31装置的线束中。设有1000个单能 光子入射，通过第一个1cm厚的水层后， 光子数减少20％，变为800个；再通过第 二个1cm厚的水层，又衰减了剩余光子的 20％，成为640个，依此类推。
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 p
(2-42)
μ trX线光子能量的电子转移部分；
μ p X线光子能量的辐射转移部分。
“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"。
(一)窄束X线及其指数衰减规律
K
(一)窄束X线及其指数衰减规律
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。
X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。
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。
(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 有一部分转移给韧致辐射。
质能吸收系数μ en /ρ表示扣除韧致辐射能量 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。
(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。
不同的辐射量有不同的积累因子。 常用的积累因子：
光子数积累因子、能量积累因子、吸收 剂量积累因子、照射量积累因子 应用较多的是照射量积累因子。
三、连续X线的衰减规律
(一)连续X线的衰减特点
(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。
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 I0 △X
(2-33)
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。
(一)窄束X线及其指数衰减规律

(2-33)
μ 表示X线穿过单位厚度的物质层时强度 减少的百分数值。其SI单位 m-1。
μ 近似正比于吸收物质的密度，随材料 的物理状态变化。
为避开同吸收物质密度的相关性便于使 用，通常采用质量衰减系数μ /ρ 。
(一)窄束X线及其指数衰减规律

将式(2-33)右面乘除吸收体的密度ρ
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 (2-41)
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。
*1 ． 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
(一)窄束X线及其指数衰减规律
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＝Kλ 3Z4
(2-37)
λ 愈短，X线衰减愈少，穿透本领愈强； Z愈高，X线衰减愈大。
(二)质量衰减、质能转移及质能吸收系数
4．混合物和化合物质量衰减与质能吸收系数
如果物质是混合物，其密度为ρ ，所含各元素 的质量衰减系数分别为(μ /ρ )l、(μ /ρ )2、……
各组成元素的重量百分比为ω 1、ω 2、……。
混合物总的质量衰减系数：

(2-47)
用同样的形式可计算混合物的质能吸收系数。
给电子的份额。 μ tr/ρ的SI单位是
m2·kg-1。
(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，有一部分是通过韧致射损失掉，真正被
物质吸收的能量等于光子转移给次级电子的能
量减去因韧致辐射损失的能量：

μ en=μ tr(1－g)
(2-45)
τ a 、σ a 、ka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。
(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 a a ka

(2-44)
质能转移系数表示X线在物质中穿行质量 厚度为kg·m-2时，因相互作用其能量转移
反映了宽束与窄束的差别。
(二)积累因子
积累因子B可表示为物质中所考虑的那一点的 光子总计数率与未经碰撞的原射线光子计数率 之比，即：
B N Nn Ns 1 Ns
Nn
Nn
Nn
(2-51)
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、宽束X线的衰减规律
*(一)宽束X线的衰减规律
把图2-29中的两个准直器去掉后，在屏蔽层中 发生散射的光子，可能穿过屏蔽层到达探测器， 这是宽束的情况。
(一)宽束X线的衰减规律
宽束与窄束的主要区别在于散射的影响。 宽束情况下，散射光子经过一次或多次 散射仍可到达探测器而被记录。
若用窄束的衰减规律来处理宽束的问题， 对屏蔽是不安全的。
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。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。
(二)质量衰减、质能转移及质能吸收系数
▲1．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
(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 a+σ a+ka
(2-43)
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。
4．混合物和化合物质量衰减与质能吸收系数
化合物分子中各原子的化学结合能很小， 可把化合物作为混合物来处理。
研究混合物或化合物等复杂物质对X线的 衰减规律时，经常用到有效原子序数。
有效原子序数是指在相同的照射条件下， l kg复杂物质与1 kg单质所吸收的辐射 能相同时，此单质的原子序数就称为复 杂物质的有效原子序数。
距离时，平均发生总的相互作用的几率。
μ =τ +σ c+σ coh+k
(2-40)
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
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 *1．质量衰减系数
相干散射：X线光子具有波粒二相性，既是粒子也是 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，称为 相干散射，又成瑞利散射。(发生几率与Z成正比，随 光子能量增大而急剧减少，发生几率＜全部作用5%)。
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。
(一)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。
g表示能量变为韧致辐射的份额。
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

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。
(2-49)
al、a2、a3分别是元素Zl、Z2、Z3所含电子的分 数值。
4．混合物和化合物质量衰减与质能吸收系数
水的有效原子序数是Z水=7.64 PMMA： [化] polymethyl methacrylate, 聚甲基丙
烯酸甲酯。 人体的软组织与水的有效原子序数相近，实
验证明水和软组织对X线的吸收也非常一致， 可用水作软组织的仿真模型。 骨的有效原子序数是14，可用原子序数为13 的铝代替作仿真模型。
一般X线束具有连续分布的能谱，当它 穿过一定厚度的物质层时，各能谱成分 的衰减速率并不一样，它不遵守指数衰 减规律，连续X线束的衰减规律比单能 射线复杂得多。
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。