放射物理與防護(hù)全套課件

1、放射物理與防護(hù) Radiological Physics and Radiation Protection,第一章 物質(zhì)結(jié)構(gòu)一、原子的基本狀況 目前已知的地球元素有107種，其中93種是地球上天然存在的，15種是人造元素。 任何原子都是由小而致密的原子核和核外高速繞行的電子所組成的。一個(gè)原子就如同太陽系一樣，它的核如同太陽，核外電子如同行星，沿一定軌道繞原子核旋轉(zhuǎn)。原子核帶正電荷，核外電子帶負(fù)電荷

2、。在正常情況下，原子核所帶正電荷量與核外電子所帶負(fù)電荷量相等。因此整個(gè)原子對(duì)外呈現(xiàn)中性。,原子的質(zhì)量和體積都極其微小，一個(gè)氫原子的質(zhì)量是1.6735×10-27 kg，較重的鈾原子也只有3.951× 10-25 kg。原子的直徑為10-10 m數(shù)量級(jí)，如果把1億個(gè)原子挨個(gè)排成一行，它的長度僅有l(wèi)cm。,原子核比原子還要小，核半徑僅為原子半徑的萬分之一到十萬分之一，原子核的幾何截面積僅為原子的幾千億分之一。假設(shè)原子有一

3、座10層樓那么大，原子核只有櫻挑那么小。由此可見，原子內(nèi)有一個(gè)相對(duì)來說很大的空間，核外電子就像幾粒塵埃一樣在這個(gè)龐大的空間里繞核旋轉(zhuǎn)。由于原子的這種“空虛”性， 一個(gè)高速電子或X線光子可以很容易地穿過許多原子后，才會(huì)與某個(gè)原子發(fā)生碰撞。,二、原子核及核外軌道電子 原子核由質(zhì)子和中子所組成，通常又把質(zhì)子和中子統(tǒng)稱為核子。每個(gè)質(zhì)子帶1個(gè)單位的正電荷，中子不帶電呈中性。因此，原子核所帶電荷數(shù)由質(zhì)子數(shù)決定。核電荷數(shù)用Z表示。即

4、核電荷數(shù)(Z)=核內(nèi)質(zhì)子數(shù)=核外電子數(shù) 其中X表示原子，A為質(zhì)量數(shù)；Z為質(zhì)子數(shù)(即原子序數(shù)),質(zhì)量數(shù)(A)=質(zhì)子數(shù)(Z)+中子數(shù)(N) 只要知道上述3個(gè)數(shù)中任意2個(gè)，就可推算出另1個(gè)的數(shù)值來。如鎢原子核內(nèi)有74個(gè)質(zhì)子，質(zhì)量數(shù)為184，則中子數(shù)為： N = A – Z = 184 – 74 =110 碘的原子質(zhì)量數(shù)為131，核內(nèi)具有53個(gè)質(zhì)子，則中子數(shù)為： N = A –

5、Z = 131 – 53 = 78,核外軌道電子 核外電子按一定軌道高速繞核運(yùn)行。通常每個(gè)軌道上只有一個(gè)電子，由于其運(yùn)行受到多個(gè)參數(shù)的影響，故參數(shù)相近的電子近乎在同樣的空間運(yùn)行，這個(gè)容納多個(gè)軌道的空間范圍稱為電子層。距原子核由近及遠(yuǎn)依次可分為K、L、M、N、O……層。各層軌道電子均有特定的能量。,,三、原子能級(jí) (P5) 各層軌道電子均有特定的能量。這是因?yàn)楹送鈳ж?fù)電的軌道電子處于帶正電的核電場(chǎng)中，具有負(fù)電勢(shì)能；軌道電子繞

6、核運(yùn)動(dòng)具有動(dòng)能，這兩部份能量的代數(shù)和，就是該殼層電子在原子中的總能量。 電子在不連續(xù)的軌道上運(yùn)動(dòng),原子所具有的能量也是不連續(xù)的,這種不連續(xù)的能量狀態(tài)稱為原子的能級(jí).,電子在不同軌道上的能量大小與其所在的軌道數(shù)有關(guān)，內(nèi)層軌道的能級(jí)低，外層軌道能級(jí)高。正常情況下，電子先填滿內(nèi)層軌道，然后依次向外填充，這時(shí)原子處于最低能量狀態(tài)（能量最低原理）。 當(dāng)內(nèi)層軌道電子從外界得到能量時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)移到能量較高的外層軌道上去,此時(shí)的原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)(受激

7、態(tài)),根據(jù)能量最低原理,內(nèi)層軌道空位立刻有外層電子填充并釋放能量.,原子核對(duì)核外電子有很強(qiáng)的吸引力，離核最近的K層電子所受引力最大。顯然，要從原子中移走K電子所需能量也最多，外層電子受核的引力較小，移走外層電子所需能量也較少。通常把移走原子中某殼層軌道電子所需要的最小能量，稱為該殼層電子在原子中的結(jié)合能。,,,,,,,基態(tài) ：原子處于最低能量狀態(tài)，電子運(yùn)行時(shí)如既

8、 不向外界輻射也不向外界吸收能量，處于基態(tài)的原子最穩(wěn)定。受激態(tài)：電子吸收了一定大小的能量后（某兩個(gè)能 級(jí)差的能量），電子跳躍到一更高的能級(jí)軌道上，此時(shí)原子不穩(wěn)定，稱受激態(tài)。躍遷：外層軌道電子或自由電子填充空位，同時(shí)放出一個(gè)能量為hv的光子。（該光子的能量大小取決于兩軌道之間的能級(jí)差）電離：電子吸收了足夠大的能量而擺脫原子核

9、的束縛而成為自由電子。,,hv ↗基態(tài) → 受激態(tài) → 基態(tài) ↑ ↑

10、 躍遷 激發(fā),當(dāng)原子從基態(tài) 到受激態(tài)再回到基態(tài)時(shí)，它將發(fā)射（或吸收）具有一定頻率的單色光子，其頻率為 ： E2 – E1 υ = --------- h,,四、同位素 凡

11、其有相同的質(zhì)子數(shù)（原子序數(shù)）和不同的中子數(shù)的同一類元素稱為同位素(isotope)。幾乎所有元素都有同位素。 例如氫元素H， H在元素周期表中處于同一位置，因質(zhì)量數(shù)不同．它有三種核素，分別為氕、氘、氚。其中，氕是一個(gè)不含中子的氫原子，氘含有一個(gè)中子，是重氫，氚則含有兩個(gè)中子，是超重氫，但它們的原子序數(shù)相同，可互稱同位素。重氫和超重氫是制造氫彈的原材料。 已知107種元素有2000余種同位素。,同位素又有穩(wěn)定性同位素和

12、不穩(wěn)定性同位素之分，已知穩(wěn)定性同位素有270余種，而不穩(wěn)定性同位素有1700余種。不穩(wěn)定性同位素又稱為放射性同位素。放射性同位素又分為天然放射性和人工放射性同位素(簡稱人造放射性同位素)。人造放射性同位素主要由反應(yīng)堆和加速器制備。原子序數(shù)很高的那些重元素，如鈾(u)、釷(Tu)、鐳(Ra)等，它們的核很不穩(wěn)定，自發(fā)地放出射線，變?yōu)榱硪环N元素的原子核。,原子核的衰變：放射性同位素原子核不穩(wěn)定，能自發(fā)地

13、 放出α、β、γ射線而變成另一種元素 的現(xiàn)象。 α射線：由α粒子組成， α粒子是有2個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中 子組成的帶2個(gè)正電荷的氦核。 β射線：由β粒子組成， β粒子就是從原子核內(nèi)釋放 出的帶一個(gè)負(fù)電荷的電子。 γ射線：由γ光子組成，它是在原子核衰變時(shí)從核內(nèi)釋 放出的不帶電的高能量

14、光子。,半衰期： 放射性核素的數(shù)目減少到原來的一半所需要的時(shí)間稱之。放射性活度 ： 單位時(shí)間內(nèi)原子核衰變的數(shù)目稱為放射性活度(radioactivity)，簡稱活度。,第二章 X線的產(chǎn)生 一、X線的發(fā)現(xiàn) X線是德國著名物理學(xué)家倫琴于1895年11月8日發(fā)現(xiàn)的。X線的發(fā)現(xiàn)在科學(xué)史上是個(gè)極其重大的事件，它給人類歷史和科技發(fā)展帶來巨大的影響，并

15、由此開創(chuàng)了物理學(xué)和影像醫(yī)學(xué)的嶄新時(shí)代。 X線成像技術(shù)與后來發(fā)展起來的核醫(yī)學(xué)成像、超聲成像、X線CT、磁共振成像、熱圖像、介入性放射學(xué)和內(nèi)鏡等技術(shù)共同組成現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像學(xué)的嶄新領(lǐng)域。,二、X線的產(chǎn)生條件 電子源 使電子在某個(gè)空間高速運(yùn)動(dòng) 靶,三、X線產(chǎn)生裝置,,,,四、X線產(chǎn)生原理（一）電子與物質(zhì)的相互作用 1、電離 電子通過物質(zhì)時(shí)

16、，與其原子核外的軌道電子發(fā)生作用，使電子脫離軌道形成自由電子。失去電子的原子帶正電，與前者形成正、負(fù)離子對(duì)，這一過程稱為電離。它是電離輻射的主要機(jī)制，也是某些放射性探測(cè)器測(cè)量射線的物理基礎(chǔ)。 高速電子與原子的外層電子作用時(shí)，可以使原子電離而損失部分能量△E。 當(dāng)入射電子的能量損失大，并且大于外層電子的電離能時(shí)，則靶原子被電離，其外層電子脫離靶原子并且具有一定的動(dòng)能，如果電離出的電子動(dòng)能大于100eV，則稱此電離出的電子叫δ電子。δ

17、電子是電離電子中能量較高的那一部分，它與入射電子一樣可以使原子激發(fā)或電離，也可以與原子核和內(nèi)層電子相互作用而逐漸損失能量。,2、激發(fā) 高速電子通過物質(zhì)時(shí)，作用于軌道電子，軌道電子獲得 能量從低能態(tài)軌道躍遷到高能態(tài)軌道，這種現(xiàn)象稱為激發(fā)。此時(shí)原子處于受激態(tài)，不穩(wěn)定。當(dāng)該電子退激時(shí)（躍遷），獲得的能量將以光能或熱能的形式釋出。外層軌道電子受激退激時(shí)產(chǎn)生熱能，內(nèi)層軌道電子受激退激時(shí)產(chǎn)生射線。,3、散射 電子受到物質(zhì)原子核

18、庫侖電場(chǎng)的作用而發(fā)生方向偏折，稱散射。散射對(duì)測(cè)量及防護(hù)都有一定程度的影響。4、韌致輻射 電子在介質(zhì)中受到阻滯、急劇減速時(shí)，將部分能量轉(zhuǎn)化為電磁輻射(即X射線)，稱為韌致輻射，又稱連續(xù)輻射。,,（二）連續(xù)X線 對(duì)X線管發(fā)出的X線進(jìn)行光譜分析，發(fā)現(xiàn)它由兩種成分組成，一種X線譜是連續(xù)的，稱為連續(xù)X線；另一種則是線狀的，稱為特征X線?？梢奨線是由這兩種成分組成的混合射線。1、連續(xù)X線的產(chǎn)生原理,連續(xù)X線產(chǎn)生的物理過程是軔

19、致輻射 高速電子進(jìn)入到原子核附近的強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域，然后飛離強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域從而完成一次電子與原子核的相互作用時(shí)，電子的速度大小和方向必然發(fā)生變化。電子損失的能量將以電磁波（包括X線）形式向外輻射。 電子的這種能量輻射叫軔致輻射。 由于每個(gè)高速電子與靶原子作用時(shí)的相對(duì)位置不同，且每個(gè)電子與靶原子作用前具有的能量也不同，所以各次相互作用對(duì)應(yīng)的輻射損失也不同，因而發(fā)出的X線光子頻率也互不相同。大量的X線光子組成了具有頻率連續(xù)的X線光

20、譜。 下圖是使用鎢靶X線管，管電流保持不變，將管電壓從20KV逐步增加到50KV，同時(shí)測(cè)量各波段的相對(duì)強(qiáng)度而繪制成的X線譜。,下圖是使用鎢靶X線管，管電流保持不變，將管電壓從20KV逐步增加到50KV，同時(shí)測(cè)量各波段的相對(duì)強(qiáng)度而繪制成的X線譜。,2、連續(xù)X線的最短波長、最強(qiáng)波長、平均波長及最大光子能量。,最短波長：,,,,最強(qiáng)波長： λ最強(qiáng) = 1.5 λmin 平均波長 λ平均 = 2.5

21、λmin 最大光子能量 = hvmaX,,3．影響連續(xù)X線的因素: 連續(xù)X線的總強(qiáng)度(I連)與管電流(i)、管電壓(U)、靶原子序數(shù)(Z)的關(guān)系可用下面公式近似表示出來: I連 = K1 I Z Un,,,(三)標(biāo)識(shí) (特征)X線 1．標(biāo)識(shí)X線的產(chǎn)生的原理

22、 X - ray ↗基態(tài) → 受激態(tài) → 基態(tài) ↑ ↑

23、 躍遷 激發(fā),,2．特征X線的激發(fā)電壓 靶原子的軌道電子在原子中具有確定的結(jié)合能，只有當(dāng)入射高速電子的動(dòng)能大于其結(jié)合能時(shí)，才有可能被擊脫造成電子空位，產(chǎn)生特征X線。,3．影響特征X線的因素 ： KV MAS4.連續(xù)X線和特征X線的比例

24、大小.,五、X線的量與質(zhì) 習(xí)慣上常用X線強(qiáng)度來表示X線的量與質(zhì)。所謂X線強(qiáng)度是指在垂直于X線傳播方向單位面積上，在單位時(shí)間內(nèi)通過光子數(shù)量與能量乘積的總和?？梢奨線強(qiáng)度(I)是由光子數(shù)目(N)和光子能量(hv)兩個(gè)因素決定的。即： I = N hv1、X線的量 在實(shí)際放射工作中，作為一種簡便方法，一般是用管電流(mA)和照射時(shí)間(s)的乘積來反映X線的量，以毫安秒(mAs)為單位。

25、 管電壓一定時(shí)，X線管的管電流的大小反應(yīng)了陰極燈絲發(fā)射電子的情況。管電流大，表明單位時(shí)間撞擊陽極靶的電子數(shù)多，由此激發(fā)出的X線光子數(shù)也正比地增加；照射時(shí)間長，X線量也正比地增大。所以管電流和照射時(shí)間的乘積能反映X線的量。,2、影響X線量的因素 1）靶原子序數(shù)的影響：在管電壓、管電流、投照時(shí)間相同的情況下，陽極靶的原子序數(shù)愈高，X線的量愈大。從圖56中可見，曲線的兩個(gè)端點(diǎn)都重合。其高能端重合，說明了X線譜的最大光子能量與管電壓有關(guān)

26、而與靶物質(zhì)無關(guān)；低能端重合是因?yàn)閄線管固有濾過的限制，低能成分被管壁吸收的緣故。射線的最大強(qiáng)度都呈現(xiàn)在相同的光子能量處。,2）管電流的影響： 在一定管電壓下同種靶物質(zhì)和相同的照射時(shí)間，X線的量與管電流成正比， 管電壓一定時(shí)，X線管的管電流的大小反應(yīng)了陰極燈絲發(fā)射電子的情況，管電流越大表明陰極發(fā)射的電子越多，因而電子撞擊陽極靶產(chǎn)生的X線的量也越大：發(fā)射出的X線的強(qiáng)度也就越大(質(zhì)不變，量增加)。 圖47及下圖是在管電壓和其他條

27、件不變的情況下，管電流對(duì)X線量的影響。圖中看到100mA和250mA的兩條曲線，其X線最短波長和最長波長都完全一樣，只是曲線下所包的面積不同。顯然管電流大的X線量大，反之就小。 圖3-9管電流對(duì)X線量的影響,3）管電壓的影響： 在相同mAs同種靶物質(zhì)的條件下， X線的量與管電壓的n次方成正比。,3、X線的質(zhì) X線的質(zhì)又稱線質(zhì)，它表示X線的硬度，即穿透物質(zhì)本領(lǐng)的大小。X線質(zhì)完全由光子能量決定，而與光子個(gè)數(shù)無關(guān)。

28、 在實(shí)際應(yīng)用中是以管電壓和濾過情況來反映X線的質(zhì)。這是因?yàn)楣茈妷焊?、激發(fā)的X線光子能量大，即線質(zhì)硬；濾過板厚，連續(xù)譜中低能成分被吸收的多，透過濾過板的高能成分增加，使X線束的線質(zhì)變硬。在濾過情況一定時(shí)，常用管電壓的千伏值來粗略描述X線的質(zhì)。 在工作中描述X線質(zhì)除千伏值外，還用半價(jià)層、半值深度等物理量來表示X線質(zhì)。,4、影響X線質(zhì)的因素 1）管電壓（千伏值）的影響 X線的質(zhì)僅取決于管電壓的千伏值。無論何種靶物質(zhì)，在一定管

29、電壓下所產(chǎn)生的連續(xù)X線譜的最短波長和最長波長是相同的。光子的最大能量完全由管電壓控制。連續(xù)X線的質(zhì)隨管電壓升高而變硬，但特征X線的質(zhì)只與靶物質(zhì)有關(guān)。2）整流方式的影響脈動(dòng)電壓產(chǎn)生的X線質(zhì)比恒定電壓下的軟。所以管電壓波形對(duì)X線的質(zhì)也有影響。三相電源的6脈沖和12脈沖供電，其管電壓更接近恒壓，由此產(chǎn)生的X線脈動(dòng)變化減小，其量與質(zhì)均優(yōu)于單相電源供電的情況。一般說來，三相全波整流與單相全波整流相比，在相同管電壓和濾過的情況下，X線質(zhì)約提高1

30、0％。15％。例如，拍頭顱側(cè)位片，單相全波整流X線機(jī)使用72kV，而改用三相全波整流X線機(jī)只需要64kV就可獲得相同的攝影效果。 管電壓的波形除了對(duì)X線的質(zhì)有影響，同時(shí)對(duì)X的量也有很大的影響。,3）、濾過方式的影響 濾過對(duì)X線的量與質(zhì)及能譜構(gòu)成均有很大影響。增加濾過板厚度，可大量衰減連續(xù)譜中的低能成分，使能譜變窄，線質(zhì)提高，但總的強(qiáng)度降低了。 在放射工作中應(yīng)熟練掌握影響X線量與質(zhì)的諸因素，并能根據(jù)臨床工作需要，恰當(dāng)?shù)?/p>

31、選擇X線的量與質(zhì)，這對(duì)提高影像質(zhì)量和降低受檢者的受照劑量都具有重要意義。,六、X線的產(chǎn)生效率 在X線管中產(chǎn)生的X線能與加速電子所消耗電能的比值，叫做X線的產(chǎn)生效率。 在X線管中加速陰極電子所消耗的電功率(IU)全部變成高速電子的動(dòng)能。這些高速電子在與物質(zhì)復(fù)雜的相互作用過程中產(chǎn)生X線，同時(shí)也產(chǎn)生大量的熱。 I連 = K I Z Un P = IU

32、 η = K I Z U2 η = KZU IU X線的產(chǎn)生效率與管電壓和靶物質(zhì)的原子序數(shù)成正比，高壓波形越接近恒壓，X線的產(chǎn)生效率越高。 研究證明，X線管產(chǎn)生X線的效率極低，一般不足1％，而絕大部分的高速電子能都在陽極變?yōu)榱藷崮?，使陽極靶面產(chǎn)生很高的溫升。這是X線管不能長時(shí)間連續(xù)工作的原因

33、所在。因此X線管必須有良好的散熱冷卻裝置。 大量存在的軟X線也是導(dǎo)致效率低的原因。,七、 X線強(qiáng)度的空間分布 從X線管焦點(diǎn)上產(chǎn)生的X線，在空間各個(gè)方向上的分布是不均勻的，即在不同的方位角上的輻射強(qiáng)度是不同的。這種不均勻的分布稱為輻射強(qiáng)度空間分布。實(shí)驗(yàn)表明，X線輻射強(qiáng)度在空間的分布情況很復(fù)雜，主要取決于入射電子的能量、靶物質(zhì)及靶厚度等因素。1、 X線強(qiáng)度的角分布2、厚靶周圍X線強(qiáng)度的空間分布3、診斷X線機(jī)靶周圍

34、X線強(qiáng)度的空間分布 Heel Effect 陽極端效應(yīng),,Heel Effect 陽極端效應(yīng)： 在平行于球管長軸方向上．近陽極端的有效點(diǎn)小，x線量少，成像質(zhì)量好。近陰極端的有效焦點(diǎn)大，x線量多，成像質(zhì)量差。,八、X線的本質(zhì) X線是電磁輻射譜中的一部分，屬于電離輻射，其波長介于紫外線和γ射線之間，是具有電磁波和光量子雙重特性的一種特殊物質(zhì)。就其本質(zhì)而言，X線與可見光、紅外線、紫外線、γ射線完

35、全相同，都是電磁波，只不過X線的頻率很高， 波長很短。 X線具有波動(dòng)性，與可見光一樣，具有衍射、偏振、反射、折射等現(xiàn)象。 X線具有微粒性，X線的波動(dòng)性可以成功地解釋X線的干涉與衍射現(xiàn)象，但卻不能解釋X線的光電效應(yīng)、熒光作用、電離作用等，這些只能用X線的粒子性做出圓滿的解釋。即X線是由一個(gè)個(gè)微粒即X光子組成的。,九、X線的基本特性 X線是一種電磁波，它具有電磁波的共同屬性。此外，由于X線的能量大、波長短，它還具有以下幾方面的特

36、有性質(zhì)。(一)物理特性 1．X線在均勻的、各向同性的介質(zhì)中，是直線傳播的不可見電磁波。 2．X線不帶電，它不受外界磁場(chǎng)或電場(chǎng)的影響。 3．穿透作用 由于X線波長短，具有較高的能量，物質(zhì)對(duì)其吸收較弱，因此它有很強(qiáng)的貫穿本領(lǐng)。其穿透本領(lǐng)的強(qiáng)弱取決于X線能量、物質(zhì)密度和原子序數(shù)等因素。,4．熒光作用 某些物質(zhì)被X線照射后，能激發(fā)出可見熒光。如磷、鎢酸鈣、鉑氰化鋇、銀激活的硫化鋅鎘等熒光物質(zhì)受X

37、線照射時(shí)，物質(zhì)原子被激發(fā)或電離，當(dāng)被激發(fā)的原子恢復(fù)到基態(tài)時(shí)，便可放出熒光。透視用的熒光屏，攝影用暗盒中的增感屏，影像增強(qiáng)器中的輸入屏和輸出屏，測(cè)定輻射量的閃爍晶體、熒光玻璃等都是利用熒光特性制造的。X線的發(fā)現(xiàn)也是基于它的熒光作用。,5．電離作用 X線雖然不帶電，但它具有足夠能量的X線光子能夠撞擊原子中的軌道電子，使之脫離原子產(chǎn)生一次電離。被擊脫的電子仍有足夠能量，去電離更多的原子。X線的電離作用主要是它的次級(jí)電子的電離作用。

38、X線在氣體中產(chǎn)生的正、負(fù)離子，在電場(chǎng)力的作用下很容易收集起來。通常就是利用空氣中電離電荷(或電流)的多少來測(cè)定X線的照射量。多種測(cè)定X線劑量儀器的探頭，如電離室、蓋革彌勒計(jì)數(shù)管等都是根據(jù)這個(gè)原理制造的。 X線的電離作用是放射治療的基礎(chǔ)，但它也可對(duì)人體造成損傷。,6．熱作用 X線被物質(zhì)吸收，最終絕大部分都將變?yōu)闊崮?，使物體產(chǎn)生溫升。測(cè)定X線吸收劑量的量熱法就是依據(jù)這個(gè)原理研究出來的 。,(二)化學(xué)特性 1．感光

39、作用 X線和可見光一樣，同樣具有光化學(xué)作用。它可使膠片乳劑感光，能使很多物質(zhì)發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)。X線被廣泛應(yīng)用于人體X線攝影和工業(yè)無損探傷檢查，以及照射量(膠片法)測(cè)定等技術(shù)中。 2．著色作用 某些物質(zhì)，如鉛玻璃、水晶等經(jīng)X線長期大劑量照射后，其結(jié)晶體脫水漸漸改變顏色，稱為著色作用或脫水作用。,(三)生物效應(yīng)特性 X線在生物體內(nèi)也能產(chǎn)生電離及激發(fā)作用，也就是使生物體產(chǎn)生生物效應(yīng)。生物細(xì)胞特別是增

40、殖性強(qiáng)的細(xì)胞，經(jīng)一定量X線照射后，可產(chǎn)生抑制、損傷甚至壞死。 人體組織吸收一定量X線后，視其敏感程度的不同，而出現(xiàn)種種反應(yīng)，這個(gè)特性可在腫瘤放療中得到充分應(yīng)用，它是放射治療的基礎(chǔ)。 當(dāng)然X線對(duì)正常人體組織也可能產(chǎn)生損傷作用，故應(yīng)注意對(duì)非受檢部位和非治療部位的屏蔽防護(hù)，同時(shí)射線工作者也應(yīng)注意自身的防護(hù)。,第三章 X線與物質(zhì)的相互作用 一、光電效應(yīng) 光電效應(yīng)又稱光電吸收，它是X線光子被原子全部吸收的

41、作用過程。 。 (一)光電效應(yīng)的產(chǎn)生 當(dāng)一個(gè)能量為hv的光子通過物質(zhì)時(shí)，它與原子的某殼層中某個(gè)軌道上一個(gè)電子發(fā)生相互作用，把全部能量傳遞給這個(gè)電子，而光子本身則整個(gè)被原子吸收，獲得能量的電子擺脫原子的束縛以速度v而自由運(yùn)動(dòng)，這種電子稱為光電子，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。,放出光電子的原子變?yōu)檎x子，原子處于激發(fā)態(tài)，其電子空位很快被外層電子躍入填充，同時(shí)放出特征X線。有時(shí)，特征X線離開原子前，又擊出外層的軌道電子，即“俄歇

42、電子”。 可見，光電效應(yīng)的實(shí)質(zhì)是物質(zhì)吸收X線使其產(chǎn)生電離的過程。在此過程中將產(chǎn)生的次級(jí)粒子有：光電子、正離子(產(chǎn)生光電子的原子)、新的光子(特征輻射光子)、俄歇電子。,（二）影響光電效應(yīng)發(fā)生的因素1、物質(zhì)原子序數(shù)的影響 光電效應(yīng)的發(fā)生幾率與物質(zhì)的原子序數(shù)的4次方成正比 。2、入射光子能量的影響 因?yàn)楣怆娮拥膭?dòng)能Ee = hv - EB (EB為電子結(jié)合能） 所以光電效應(yīng)

43、發(fā)生的能量條件是：入射光子的能量加必須等于或大于軌道電子的結(jié)合能E。否則就不會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。 光電效應(yīng)的發(fā)生幾率與入射線波長的3次方成正比，說明與光子能量的3次方成反比。,3．原子邊界限吸收的影響 吸收系數(shù)(光電效應(yīng)發(fā)生率)一般隨入射光子能量的增大而降低，即波長較短，頻率較高的射線的貫穿本領(lǐng)強(qiáng)； 當(dāng)入射光子能量hv增加到某一數(shù)值恰好等于原子軌道電子結(jié)合能時(shí)，吸收系數(shù)突然增加，這些吸收突然增加處稱為

44、吸收限。當(dāng)光子能量等于原子軌道K電子結(jié)合能時(shí)，發(fā)生K邊界限吸收；等于L結(jié)合能時(shí)，發(fā)生L邊界限吸收；等于M結(jié)合能時(shí)發(fā)生M邊界限吸收， 但最重要的是結(jié)合能較大的K邊界限吸收，因?yàn)楣怆娦?yīng)主要發(fā)生在結(jié)合能較大的K層，而發(fā)生在其他殼層上的機(jī)會(huì)相對(duì)較少。,（三）光電效應(yīng)中的特征放射 P55,（四）診斷放射學(xué)中的光電效應(yīng) 診斷放射學(xué)中的光電效應(yīng)，可從利弊兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià) 有利的方面是

45、，能產(chǎn)生質(zhì)量好的照片影像。其原因是： 1、不產(chǎn)生散射線，大大減少了照片的灰霧； 2、可增加人體不同組織和造影劑對(duì)射線的吸收差別，產(chǎn)生高對(duì)比度的X線照片，對(duì)提高診斷的準(zhǔn)確性很有好處。鋁靶軟組織X線攝影，就是利用低能射線在軟組織中，因光電吸收的明顯差別而產(chǎn)生高對(duì)比度照片的。另外，在放療中，光電效應(yīng)可增加腫瘤組織的劑量，提高其療效。 3、入射X線通過光電效應(yīng)可全部被人體吸收，增加了受檢者的劑量。 從現(xiàn)代防護(hù)觀點(diǎn)講，應(yīng)盡量減

46、少每次X線檢查的劑量。為此，可根據(jù)光電效應(yīng)發(fā)生率與光子能量3次方成反比的關(guān)系，采用高千伏攝影技術(shù)，從而達(dá)到降低劑量的目的。,二、Compton 效應(yīng) （ 一）產(chǎn)生原理 康普頓效應(yīng)是入射光子與原子中的一個(gè)外層電子相互作用時(shí)發(fā)生的。在相互作用中，光子只將一部分能量傳遞給外層電子，電子接收一定的能量后脫離原子束縛，以與光子的初始入射方向成一定角度的方向上射出，此電子稱為反沖電子。與此同時(shí)，光子本身能量降低(即頻率降低)并朝著

47、與入射成一定角度的方向射出，此光子稱為散射光子。該光子又稱散射線或二次射線。,,什么是散射線或二次射線？ 由康普頓效應(yīng)產(chǎn)生的波長較長，能量較低，方向不定的X線稱為散射線或二次射線。,（二）影響因素 1、物質(zhì)原子序數(shù)的影響 康普頓效應(yīng)的發(fā)生幾率與物質(zhì)的原子序數(shù)Z成正比。 2、入射光子能量的影響 在診斷X線范圍內(nèi)，康普頓效應(yīng)發(fā)生幾率與入射X線能量成正比。 3、被照體厚度的影響

48、 康普頓效應(yīng)發(fā)生幾率與被照體厚度成正比。 4、被照體照射面積的影響 康普頓效應(yīng)發(fā)生幾率與被照體的受照面積成正比。,（三）康普頓效應(yīng)對(duì)X線影像質(zhì)量的影響 （散射光子的波長和方向） 降低影像對(duì)比度 (四）康普頓效應(yīng)對(duì)輻射防護(hù)的影響 增加防護(hù)難度,三、電子對(duì)效應(yīng) (一)電子對(duì)效應(yīng)的產(chǎn)生 一個(gè)具有足夠能量的光子，在與靶原子核發(fā)生相互作用時(shí)，光子突然消失，同

49、時(shí)轉(zhuǎn)化為一對(duì)正、負(fù)電子，這個(gè)作用過程稱為電子對(duì)效應(yīng)。,第四章 X線在物質(zhì)中的衰減一、 X線在物質(zhì)中衰減的原因X射線在其傳播過程中強(qiáng)度的衰減，包括距離和物質(zhì)所致衰減兩個(gè)方面。 1、距離衰減 設(shè)想X線是由點(diǎn)放射源發(fā)出并向空間各個(gè)方向輻射。在以點(diǎn)源為球心，半徑不同的各球面上的射線強(qiáng)度，與距離(即半徑)的平方成反比，這一規(guī)律稱射線強(qiáng)度衰減的平方反比定律。距離增加l倍，則射線強(qiáng)度將衰減為原來的1／4。這一衰減稱為距離所致的衰減，也稱

50、為擴(kuò)散衰減。距離衰減在X線防護(hù)中有什么意義？,2、物質(zhì)衰減當(dāng)射線通過物質(zhì)時(shí)，由于射線光子與物質(zhì)原子發(fā)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)等一系列作用，致使入射方向上的射線強(qiáng)度減弱，這一衰減稱為物質(zhì)所致的衰減。X線強(qiáng)度在物質(zhì)中的衰減規(guī)律是X線透視、攝影、造影及各種特殊檢查和放射治療的基本依據(jù)，同時(shí)也是進(jìn)行屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)的理論根據(jù)。,二、單能窄束X線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律 由能量相同的光子組成的X線稱為單能射線，它具有單一的波長或頻

51、率。 I = I0e-μX,三、連續(xù)X線在物質(zhì)中的衰減特點(diǎn)連續(xù)能譜的X線束是能量從最小值到最大值之間的各種光子組合成的混合射線束，當(dāng)連續(xù)X線通過物質(zhì)層時(shí)，其量和質(zhì)都有變化。特點(diǎn)是：X線強(qiáng)度變小，硬度變大(質(zhì)提高)。這是由于低能光子容易被吸收，致使X線束通過物質(zhì)后高能光子在射線束中所占比率相對(duì)變大的緣故。,上圖表示不同厚度的吸收體對(duì)X線能譜的影響。從A到D，厚度依次增加，X線束相對(duì)強(qiáng)度不斷地減弱。能譜組成也不斷

52、地變化，低能成分減弱很快，高能成分的比率不斷增加，X線的能譜寬度(光子能量范圍)逐漸變窄。可以利用X線的這種衰減特點(diǎn)來調(diào)節(jié)X線的質(zhì)與量。X線管電壓的峰值決定X線束的光子最大能量，可用濾過的方法，使其線束平均能量接近最大能量。 可見，X線管的激發(fā)電壓與濾過條件是決定X線束線質(zhì)的重要條件。,四、影響X線衰減的因素（一）射線性質(zhì)對(duì)衰減的影響 (二)物質(zhì)原子序數(shù)對(duì)衰減的影響 (三)物質(zhì)密度對(duì)衰減的影響 (四)每克電子

53、數(shù)對(duì)衰減的影響 (P57),五、X線的濾過 （一）軟X線的產(chǎn)生及對(duì)人體的影響 軟X線是有連續(xù)輻射產(chǎn)生的，連續(xù)輻射產(chǎn)生的X線既有波長短的硬X線，也包含波長長的軟X線。軟X線通過人體時(shí)，絕大部分低能成分都被皮膚和表淺幾厘米的組織吸收。不能透過人體，對(duì)X線影像形成不起任何作用，但卻大大增加了被檢者的皮膚照射量。 為了獲得最佳影像質(zhì)量，同時(shí)盡量減少無用的低能光子對(duì)人體皮膚和表淺組織的傷害，就需要根據(jù)連續(xù)X線在物質(zhì)

54、中的衰減規(guī)律，采用恰當(dāng)?shù)臑V過措施，將X線的平均能量提高，這種過程就是所謂濾過，所用的金屬片叫濾過板。 X線的濾過分為固有濾過和附加濾過兩部分。,（二） 固有濾過 X線管內(nèi)部本身的濾過稱固有濾過。它包括X線管的玻璃管壁、絕緣油、管套上的窗口和不可拆卸的濾過板。固有濾過一般都用鋁當(dāng)量表示，所謂鋁當(dāng)量(mmAl)是指一定厚度的鋁板與其他濾過材料相比較，對(duì)X線具有相同的衰減效果，則此鋁板厚度(mm)就是該濾過材料的鋁當(dāng)量。一般

55、診斷X線機(jī)的固有濾過在0.5 - 2mmAl。,個(gè)別特殊情況需要使用低濾過x線，如軟組織特別是女性乳房的X線攝影和表層放射治療，需要小的固有濾過，采用鈹窗口代替玻璃窗口，因?yàn)殁數(shù)脑有驍?shù)(z = 4)低，它比玻璃窗口能透過更多的低能射線。,(三) 附加濾過 附加濾過包括用工具可拆卸的附加濾過板、可選擇的附加濾過板、遮光器中反光鏡和有機(jī)玻璃窗的濾過等。 1．濾過板材料的選擇 理想的濾過板應(yīng)把一切無用的低能成分吸收掉，而讓

56、有用的高能成分全部透過。實(shí)際上沒有這樣的物質(zhì)，但我們可以選擇某種物質(zhì)使它通過光電作用能大量地吸收低能成分，而高能成分通過時(shí)僅有極微量的康普頓散射吸收和光電效應(yīng)吸收，絕大部分高能射線可通過。,在x線診斷中通常都用鋁和銅作濾過板。鋁的原子序數(shù)是13，對(duì)低能射線是很好的濾過物質(zhì)；銅的原子序數(shù)是29，對(duì)高能射線是很好的濾過物質(zhì)。 銅不能單獨(dú)作濾過板，它經(jīng)常和鋁結(jié)合為復(fù)合濾過板。一個(gè)復(fù)合濾過板可以包括兩層或更多層的不同物質(zhì)，在

57、使用時(shí)高原子序數(shù)的銅要面向x線管，低原子序數(shù)的一層鋁面向被檢者。這是因?yàn)楣怆娮饔迷阢~內(nèi)能產(chǎn)生8keV的特征輻射，這種射線能增加被檢的皮膚照射量，可用鋁層把它吸收掉，至于鋁的特征輻射只有1.5keV，空氣即把它全部吸收。,,2．濾過板的厚度 的選擇及意義 濾過板厚度的增加，低能射線迅速衰減，但高能射線衰減緩慢。 在實(shí)際工作中采用多厚的濾過板，應(yīng)根據(jù)具體檢查類型考慮管電壓和濾過板厚度的適當(dāng)組合。一般X線機(jī)的復(fù)合濾過相當(dāng)于2-3毫

58、米的鋁。 高千伏攝影時(shí)，一定要采用厚濾過，使用低濾過而進(jìn)行高千伏攝影，對(duì)受檢者是十分有害的。 只要能達(dá)到診斷目的，就應(yīng)采用高電壓、厚濾過技術(shù)。 濾過板厚度選擇的意義：使用3mm的鋁濾過，就可使受檢者皮膚照射量下降80％。,3、濾過板性質(zhì)與曝光量的關(guān)系 濾過板可有選擇地大量吸收低能量光子，但對(duì)高能成分也有一定衰減。尤其是采用了較厚和較高原子序數(shù)的濾過板。為此，在x線攝影中一般采用適當(dāng)增加mAs的辦法

59、來解決。實(shí)驗(yàn)表明采用高千伏、厚濾過攝影雖然mAs增加了，但受照劑量卻大幅度降低了。,六、診斷放射學(xué)中x線的衰減 x線影像是人體的不同組織對(duì)射線不同衰減的結(jié)果。 人體內(nèi)除少量的鈣、磷等中等原子序數(shù)的物質(zhì)外，其余全由低原子序數(shù)物質(zhì)組成。 人體吸收X線最多的是由Ca3(P04)2組成的門牙，吸收x線最少的是充滿氣體的肺。 人體骨骼由膠體蛋白和鈣質(zhì)組成，其中鈣質(zhì)占50％～60％ 軟組織內(nèi)

60、水占75％，蛋白質(zhì)、脂肪及糖類占23％，其余2％是K、Na、Cl、Fe等元素。,實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)光電吸收為主時(shí)，被檢體的線衰減系數(shù)與x線光子的波長成正比，與有效原子序數(shù)Z4成正比，還與組織密度ρ成正比。即： μ = K λ3 Z4 ρ 式中K是一個(gè)比例系數(shù)。有效原子序數(shù)： 指在相同照射條件下，lkg復(fù)雜物質(zhì)與lkg單質(zhì)所吸收的輻射能相同時(shí)，則此單質(zhì)的原子序數(shù)就稱為復(fù)雜物質(zhì)的有效原子序數(shù)。 人

61、體各組織器官的密度、有效原子序數(shù)和厚度不同，對(duì)x線的衰減程度各異，一般按骨骼、肌肉、脂肪和空氣的順序由大變小。,第五章 X線劑量與測(cè)量第一節(jié) X線常用的輻射量和單位一、照射量、照射量率和單位（一）照射量照射量定義 x射線的光子在單位質(zhì)量空氣中產(chǎn)生出來的所有次級(jí)電子，當(dāng)它們完全被空氣所阻止時(shí)，在空氣中所形成的任何一種符號(hào)離子的總電荷量的絕對(duì)值。照射量的SI單位為庫侖·千克-1(c·kg-1)，沒有專用

62、名稱。仍在沿用的照射量的專用單位為倫琴，用符號(hào)R表示。 1R = 2.58×10-4 C．Kg -1,（二）照射量率 單位時(shí)間內(nèi)照射量的增量稱為照射量率， 照射量率的SI單位為庫侖·千克-1·秒-1(C．Kg -1 S-1) 例,二、比釋動(dòng)能、比釋動(dòng)能率及單位 （一）比釋動(dòng)能 比釋動(dòng)能是指間接致輻射（X線光子）與物質(zhì)相互作用時(shí)，在單位質(zhì)量物質(zhì)中由間接致輻射（X線光

63、子）所產(chǎn)生的全部帶電粒子的初始動(dòng)能之總和。 單位：比釋動(dòng)能的SI單位是焦耳·千克-1(J·Kg-1)，又名“戈瑞”，簡稱“戈”，以“Gy'’記之。以此紀(jì)念為測(cè)量吸收劑量而奠定空腔電離理論基礎(chǔ)的科學(xué)家H．Gray。 ’ lGy = 1J Kg-1毫戈端(mGy)、微戈瑞(μGy)等，其間關(guān)系為： 1Gy =1000mGy=1000000 μ Gy,,（二) 比釋動(dòng)能

64、率 間接致電離輻射在單位時(shí)間內(nèi)，在介質(zhì)中產(chǎn)生的比釋動(dòng)能稱為比釋動(dòng)能率。 比釋動(dòng)能率的SI單位是戈瑞或其倍數(shù)、分倍數(shù)除以適當(dāng)?shù)臅r(shí)間單位而得的商，如戈·秒-1(Gy·S-1)、毫戈·時(shí)-1(mGy·h-1)等。,三、吸收劑量、吸收劑量率及單位（一）吸收劑量 輻射所授予單位質(zhì)量介質(zhì)中的平均能量定義為吸收劑量。 它表示進(jìn)入介質(zhì)的全部帶電粒子和不帶電粒子

65、能量的總和，與離開該體積的全部帶電粒子和不帶電粒子能量總和之差，再減去在該體積內(nèi)發(fā)生任何核反應(yīng)所增加的靜止質(zhì)量的等效能量。 對(duì)于醫(yī)用X線，吸收劑量表示進(jìn)入介質(zhì)的全部帶電粒子和不帶電粒子能量的總和，與離開該體積的全部帶電粒子和不帶電粒子能量總和之差。 授予某一體積內(nèi)物質(zhì)的平均能量愈多，則吸收劑量愈大。不同物質(zhì)吸收輻射能的本領(lǐng)是不同的。因此討論吸收劑量，必須說明是什么物質(zhì)的吸收劑量。單位：Gy,（二）吸收劑量率

66、 吸收劑量率表示單位時(shí)間內(nèi)吸收劑量的增量。 其SI單位用焦耳·千克-1·秒-1(J．kg -1 ·S -1)表示，其專名為戈·秒-1(Gy·S-1)。 吸收劑量率的單位亦可用戈或其倍數(shù)其分倍數(shù)除以適當(dāng)?shù)臅r(shí)間而得的商表示，如毫戈·時(shí)-1(mGy．h -1)、戈·時(shí)-1(Gy·h -1)、戈·分-1(Gy·

67、;min -1)等。,,四、當(dāng)量劑量、當(dāng)量劑量率及單位（一）當(dāng)量劑量 盡管吸收劑量可以用來說明生物體所受照射時(shí)吸收的射線能量，但被吸收的輻射劑量與引起某些已知的生物效應(yīng)的危險(xiǎn)性往往不能等效。這是因?yàn)楫?dāng)輻射類型與其他條件發(fā)生變化時(shí)，某一生物輻射效應(yīng)與吸收劑量之間的關(guān)系也隨之改變。因此，必須對(duì)吸收劑量進(jìn)行加權(quán)，使修正后的吸收劑量比單純的吸收劑量能更好地與輻射所致有害效應(yīng)的幾率或嚴(yán)重程度相聯(lián)系。 在輻射防護(hù)中，

68、將個(gè)人或集體實(shí)際接受的或可能接受的吸收劑量根據(jù)組織生物效應(yīng)加權(quán)修正，經(jīng)修正后的吸收劑量在放射防護(hù)中稱為當(dāng)量劑量。當(dāng)量劑量 = 平均吸收劑量 × 輻射權(quán)重因子(P87)單位：即焦?fàn)?#183;千克-1（J·kg-1)，其專名是希沃特(Sv)。 1Sv = l J·kg-1例: P87,五、有效劑量 有效劑量是以輻射誘發(fā)的隨機(jī)性效應(yīng)的發(fā)生率為基礎(chǔ)，表示當(dāng)身

69、體各部分受到不同程度照射時(shí)，對(duì)人體造成的總的隨機(jī)性輻射損傷。 輻射對(duì)人體的損害采用國際放射防護(hù)委員會(huì)（ICRP)的劃分標(biāo)準(zhǔn)：受小劑量、低劑量率輻射的人群，引起的輻射損害主要是隨機(jī)性效應(yīng)(嚴(yán)重遺傳性疾患和輻射誘發(fā)的各種致死癌癥)。而且假定隨機(jī)性效應(yīng)發(fā)生的幾率與劑量存在著線性無閾的關(guān)系，并用危險(xiǎn)度因子來評(píng)價(jià)輻射引起的隨機(jī)性效應(yīng)的危險(xiǎn)程度。,危險(xiǎn)度及危險(xiǎn)度權(quán)重因子 危險(xiǎn)度或稱危險(xiǎn)度系數(shù)，是指器官或組織接受單位當(dāng)量劑量(1S

70、v)照射引起隨機(jī)性損害效應(yīng)的幾率。 從P88表可見均為lSv當(dāng)量劑量，對(duì)于不同的器官和組織，輻射效應(yīng)的危險(xiǎn)度是不同的。為了表征不同器官和組織在受到相同當(dāng)量劑量情況下，對(duì)人體導(dǎo)致有害效應(yīng)的嚴(yán)重程度的差異，引進(jìn)了一個(gè)表示相對(duì)危險(xiǎn)度的權(quán)重因子，即： 組織T接受1Sv時(shí)的危險(xiǎn)度危險(xiǎn)度權(quán)重因子 = -------------------------------