第二次课 第一章第二节 X线同物质的相互作用-2012

应用：提高光电效应发生几率，提高组织对比度， 减少散射，提高成像质量（吸收剂量增加）
（软组织） （高Z）
七、X线的减弱规律
（一）X线强度减弱的两种方式 1、距离所致的减弱： I∝1/γ2 2、物质所致的减弱：
a、光子能量 b、原子序数 c、物质密度 d、每克电子数
（二）（吸收物质）影响X线减弱的因素
I BI 0 e
x
其中B为大于1的修正系数
（四）物质对连续X线的吸收规律
（1）各能谱成分吸收速率不一样，总吸收不遵循 指数衰减规律。 （2）连续X线通过吸收体以后，强度减少，能谱变 窄。（低能成分减少，高能成分相对增加，平均
能量升高。） ----物质越厚，原子序数越高，则能量提升越明显
（3）平均能量越高，减弱速率越小。 ----初始能量越高，则衰减越少，射线越硬，穿透
人工造影：增加高能散射线→穿透人体到达胶 片→形成灰雾提高对比→彰显组织轮廓
（五）光电效应对照片质量的影响
有利于提高照片质量
（1）(正常组织光电效应)能量全转化、全吸收，无散 射线，减少照片灰雾； （2）τ光∝Zn，指数级正比例关系，增强天然组织 间对比。
－－对组织密度差异起放大显示作用 人工造影 长波软线 - 软组织摄影
hγ2
hγ10
hγ1
入射光子
外层电子 1
8 2 6 3 7 5
10 9
反冲电子
4
hγ
（三）光电效应与康普顿效应的比较
1、作用对象不同：内层电子/外层电子 2、作用条件不同：稍大于W/远大于W 3、对光子能量的吸收程度不同：全部吸收/少量吸收 4、能量分配不同：特征X线/散射X线 5、对照片质量的影响不同：增强对比/降低对比 6、对被检者的危害程度不同：危害大/危害小
hυ＝W+E →
特征X线
hυ≥W
光电子
（三）光电效应发生的几率 hυ≥W时，产生光电效应 相关因素：
a、光子能量 hυ
b、原子序数 Z
c、轨道电子结合能 W
在能发生光电效应的前提下（hυ≥W）：
1、X线光子能量稍大于轨道电子结合能时，最易 发生光电效应（对应有临界波长） 2、发生几率反比于光子能量三次方 τ光∝1/（hυ）3 3、发生几率正比于电子的结合能 τ光∝W （1）内层电子比外层电子更易发生光电效应 （2）高Z比低Z更易发生光电效应 （3）低能X线：τ光∝Z4 高能X线、高Z： τ光∝Z5
（一）产物：反冲电子和散射光子 （二）发生条件： hγ入射光子 hυ ＞＞ W
外层电子 反冲电子
散射光子
（二）散射光子和反冲电子的能量分布
入射hυ +外层e ≈（自由碰撞）→散射hυ +反冲e
侧碰（ hυ1～1）：散射角0°，散射hυ能量最大； 反冲角90 °，反冲e能量为零。 正碰（hυ10～ 10）： 散射角 180°，散射hυ能 量最小；反冲角0 °，反冲e能量最 大。
四、电子对效应
概念：在原子核电场或电子场中，一个入 射光子突然消失而转化为一对正、负电子 （一）产物：正、负电子
正电子
hγ≥1.02MeV
负电子
（二）发生条件： 光子能量极高
核电场：E光≥1.02MeV（对应2个电子的静止质量）
电子场：E光≥2.04MeV（对应4个电子的静止质量） 核电场发生几率＞＞电子场发生几率
10
100
（三）在诊断X线中各种基本作用发生的相对几率 1、诊断X线范围多在20~100keV，此时电子对效应不 可能发生
2、（诊断意义上）X线与物质的基本作用有三种： 光电效应、康普顿效应和相干散射，前两种占主导
（软组织） （高Z）
3、光电效应和康普顿效应的发生几率同组织Z有关
水（软组织）/低Z：低能光电效应占优；高能康普顿效应占优 骨骼/较高Z：低能光电效应占优；高能康普顿效应占优 碘化钠/极高Z：能量范围内光电效应全程占优
其中： －：强度减少 单位：m-1

dI Id x
意义：通过单位厚度物质时X线强度的相对变化
规律：（对于单能窄束X线）
－－光子数目等比减少；光子能量守恒
水模型 1000个光子 1cm 1cm 1cm 1cm 410个光子 探测器
1000个光子
1cm
800
1cm
640
1cm
512
1cm
410个光子
– 控制光电效应的发生几率、作用部位
X线强度减弱的规律
探测器
单能窄束X线通过物质后的衰减图
同时：
K Z
3
4
波长越短，吸收越少（硬线穿透力强） 原子序数越高，吸收越多（高密度物质难穿透） 以上为窄束X线（理论上）的吸收规律
I I 0e
x

dI Idx
K Z
3
4
由于散射线的存在，窄束X线实际上为宽束X线 即，既有衰减后的原发X线（窄束），又有其他方 向上的散射线 宽束X线实际强度＞指数规律衰减的窄束X线强度 意义：测量点强度稍大于指数衰减值 （影响防护估算） 对于宽束X线的吸收，引入修正因子B：
3、光子能量大于4MeV时，康普顿效应和电子对效应 同时发生，且
120 100
Z一定， hυ越低，康普 顿效应越占优势 hυ 一定，小于临界Z， 康普顿效应优势，反之 则电子对效应优势
吸 收 物 质 原 子 系 数 Z
80
光电效应占优势
电子对效应占优势
60
40
20
康普顿效应占优势
0.01
0.1
1 光子能量hγ（MeV）
（六）光电效应对被检者的影响 全部吸收，诱发生物损伤
诊断中采用高能硬线减少光电效应， 减少生物损伤，寻求影像清晰度与生物
损伤的平衡点；
治疗中采用高能硬线避免体表光电 吸收，诱发深层生物效应，提高治疗的
精确度。
（七）光电效应与内层电离的异同 相同之处：
– 均与内层电子发生作用
– 产生X线波长固定：特征X线/标识X线
作用对象不同：原子内层电子/原子核电场 入射粒子种类不同：X线光子/高速电子
• 联系：
相干散射某种程度上等同于弹性散射
六、各相互作用发生的相对几率
（一）X线与物质所有相互作用的汇总（五部分）：
相干的 散射X线 不相干的 康普顿效应 反冲电子 电子 俄歇电子 光电子 荧光X线 （特征X线） 被减弱后的X线强度 入射X线强度I0 热能 光电效应
入射光子
hγ
散射光子
hγ5 hγ6 hγ7 hγ8 hγ9 hγ4 hγ3
hγ2
hγ10
hγ1
外层电子 1
8 2 6 3 7 5
10 9
反冲电子
4
hγ
散射光子获得大部分能量
小散射角的散射线：能量大，滤过板无法吸收；角
度小，滤线栅无法消除
→将到达胶片产生灰雾→影响照片质量
hγ
散射光子
hγ5 hγ6 hγ7 hγ8 hγ9 hγ4 hγ3
物化阶段 生化阶段 作用于电子 生物损伤 散射光子
射、非弹性散射
高速电子
（二）作用类型 最主要有四种作用：
光电效应（吸收） 康普顿效应（非弹性散射）
电子对效应（吸收） 瑞利散射（弹性散射）
二、光电效应
概念：X线光子与原子内层电子作用， 将其全部能量交给轨道电子，电子获得能量 后脱离轨道飞出。 hγ （一）产物 特征(荧光)X线、 光电子和俄歇电子 （二）发生条件
– 均需克服内层电子轨道结合能W
相异之处：
– 入射粒子能量转换不同：全部转换 / 部分转换
– 入射粒子种类不同：X线光子 / 高速电子
– 发生几率不同：稍大于Wk / 大于Wk
三、康普顿效应
概念：X线光子与原子外层轨道电子作用 时，交给轨道电子部分能量后，改变频率和 方向散射，而轨道电子脱离原子轨道射出。
第二节 X线与物质的相互作用
主要内容
1、什么是吸收
2 、X线与物质的作用类型、对象、条件、几 率、产物和特点（光电效应~康普顿效应）
3、 X线的减弱规律
一、概述
什么是吸收:
X线通过物质时，由于与物质原子发 生各种相互作用，使得X线在行进方向上 强度减弱的现象称为物质对X线的吸收。
（一）X线与物质相互作用的特点 1、吸收同物质的光学性质无关；
2、作用的原子性；
3、每次作用光子损失大部或全部的能量； 4、作用过程的复杂性。
X线引起生物损伤 的作用过程
X线光子进 入生物组织
光子能量传给电子
产生高速电子与物 质原子作用，发生 韧致辐射，再与原 子作用，再产生高 速电子……直至能 量耗尽/生物损伤
发生吸收、弹性散
高速电子 散射光子 电子沿其径 迹损失能量 韧致辐射 电离 激发 热
33.2keV
效应显著，可获得高对比影像。
（软组织）
（高Z）
33.2
由于I在33.2kev处存在K边界现象， 此处的光电效应发生几率显著增加， 利于获得高对比度影像
（三）物质对单能窄束X线的吸收规律
单能：所有光子能量相同； 窄束：方向一致无散射线 →→单能窄束为理想情况
遵循指数衰减规律：I=I0e-μx
相干散射
X
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（二）原子序数Z和光子能量hυ与三种基本作用的关系
光子能量范围 0.01MeV—100MeV时，三种基本作用为：
光电效应 康普顿效应 电子对效应
*临界元素Z：对应一定 hυ，两种效应几率相等的Z
120 100 吸 收 物 质 原 子 系 数 Z
80
光电效应占优势
电子对效应占优势
60
40
20
力越强
A＜B＜C＜D
吸收体厚度递增， X线穿透后： 能谱变窄；高端能量不变；低端能量提升。
连续X线依次通过1cm水后：
– – – –
平均能量越来越高 强度衰减率越来越小 能谱变窄，低端能量提升 射线硬化
物质对连续X线的吸收难以定量分析
总结
光电效应与康普顿效应的区别
– 六不同
理解光电效应在实际操作中的应用原理
（四）光电效应产生的特征X线
人体各组织在X线照射下，发生光电效应所 产生的特征X线，为低能长波，无法穿透人体组 织到达胶片，将全部被人体自身所吸收。
人体组织中：Ca （Z=20）
诊断X线：20~100 keV
4 keV
人工造影剂：I （Z=53） 33.2 keV Ba（Z=56） 37.4 keV
（康普顿效应为非相干散射）
3、相干散射的特点： （1）对光子能量无吸收，但光子行进方向改变。 （2）对物质无电离作用，不造成生物组织损伤。 （3）在整个诊断范围内都会出现，但只占5%。
4、瑞利散射与弹性散射的异同
• 相同之处：
均没有能量的吸收和改变 出射粒子的运动方向均发生了改变
• 相异之处：
康普顿效应占优势
0.01
0.1
1 光子能量hγ（MeV）
10
100
1、光子能量低于0.8MeV时，光电效应和康普顿效应 同时发生，且
Z一定， hυ越低，光电效应越占优势 hυ 一定，大于临界Z，光电效应优势，反之则康普顿优势
2、光子能量在0.8~4MeV时，无论原子序数多少及光 子能量如何变化，康普顿效应都占主导地位。
1、光子能量hυ
光子能量↗，透过量↗
2、原子序数Z 低Z物质，光子能量↗ ，透过量↗
高Z物质，光子能量↗ ，透过量还可能↘
K边界:光电效应几率发生突变激增，吸收骤显
3、物质密度d
衰减强度∝密度
K边界原理
概念：指某些高Z物质的射线吸 收系数曲线在一定能量水平时， 曲线显示一锐利边缘的不连续锯 齿边界。 机理：主要是由于高Z物质K层 电子发生光电效应的几率在K边 界附近发生跃变，导致吸收系数 呈现锯齿缘激变。 对应K层电子结合能Wk 利用： I/Ba 造影 I （Z=53） 33.2keV Ba（Z=56） 37.4keV K边界处于诊断X线范围，光电
（三）在诊断X线范围内，电子对效应一般 不可能出现
电子对效应对应管电压：1.02MeV～1020kV 诊断X线对应管电压：30～150kV
（四）电子对效应发生后，正电子很快与自由电子复 合，反向释放2个等能量光子，发生湮灭辐射。 电子对效应和湮灭辐射反映能量质量相互转换
五、相干散射
1、概念：X线与物质作用，能发生干涉的散射过程 反映X线的波动性，散射后形成相干光源 2、瑞利散射：最主要的相干散射