成像理论第二章02.pptVIP

第二节 X线与物质的相互作用 X线是一种光子能量很大的电磁辐射，当它与物质作用时，能产生初级电子和次级光子，通过电离和激发过程把能量传递给物质。 X线与物质相互作用，不像电子那样通过多次小能量的损失逐渐耗尽能量，而是通过一次相互作用就可损失大部分或全部能量。 X线与物质的作用都是和原子发生作用。 组成分子的各原子间的结合力很小，不能阻止能量很大的X光子，射线的分子效应完全是由于原子的变化造成的。X线在物质中引起物理的、化学的和生物的各种效应，这些效应的产生不是简单的能量转换，而是一个复杂的过程。 当X光子进入生物组织后，与电子相互作用，形成高速电子和散射线。 高速电子在通过组织时，与沿途原子相互作用，使其电离或激发，所以这些都产生化学变化和生物损伤。 有些高速电子还可以发生辐射性碰撞而产生轫致辐射，这些轫致辐射与散射线又像原射线一样继续与物质的原子作用，重复上述过程。 通常一个入射X线光子的全部能量都转移给电子，平均需30次左右的相互作用 X线通过物质时仅引起少量的初级电离，而绝大部分的电离都是由初级电离产生的电子继续与物质作用时产生的次记电离。 所谓X线的生物效应，其实是它们次级电子所产生的生物效应 电子、原子核、带电粒子的电场及原子核的介子场发生相互作用 作用结果：光子吸收、弹性散射和非弹性散射。 发生吸收时，光子能量全部变为其他形式能量 弹性散射仅仅改变辐射的传播方向 非弹性散射不仅改变辐射的方向，同时也部分地吸收光子的能量 光电效应、康普顿效应及电子对效应是三种主要过程，损失其能量的绝大部分；其他过程，如相干散射等造成的能量损失所占比例甚少。 一、光电效应 1、光电效应 也称为光电吸收。能量为hv的光子通过物质时与物质原子的内层轨道电子相互作用，将全部能量交给电子，获得能量的电子摆脱原子核的束缚成为自由电子（即光电子），而光子本身整个被原子吸收，这样作用过程称为光电效应。 爱因斯坦因此获得诺贝尔物理学奖 爱因斯坦光电方程 放出光电子的原子变为正离子，原子处于不稳定的激发态，其电子空位很快被外层电子跃入填充，同时放出特征X线光子。有时特征X线在离开原子前，又将外层电子击脱，该电子称俄歇电子 光电效应实质：物质吸收X线使其产生电离过程 此过程中产生次级粒子：（1）负离子（光电子、俄歇电子）（2）正离子（失去电子的原子）（3）特征辐射 2、光电效应发生概率——三方面因素限制 （1）物质原子序数Z的影响——光电效应的概率与Z的四次方成正比： 轨道电子与原子核结合越紧密越容易发生光电效应 对于高Z物质，除K层电子容易发生光电效应，其他壳层也易发生。低Z物质，几乎只有K层电子发生。 （2）入射光子能量的影响 光电效应发生的条件：入射光子能量≥轨道电子结合能，但光子能量越大光电效应发生的概率反而迅速减小。 理论与实验证明，光电效应概率大约与光子能量的三次方成反比： （3）原子边界限吸收的影响 如果测出某一种物质对不同波长射线的光电质量衰减系数μm，就可以绘出μm与入射光子能量hv变化的关系图。 图2-17水和铅的光电质量衰减系数随入射光子能量的变化曲线。 3、光电效率中的特征辐射 X线产生中的特征辐射和光电效应中的特征辐射的意思完全相同。 在X线管中击脱轨道电子的是从阴极飞来的高速电子； 光电效应中的是X光子击脱轨道电子。他们的结果相同都是造成电子空位，产生特征辐射 图2-18碘的特征辐射 钙是人体内原子序数最高的主要元素，它的K特征辐射只有4keV，远小于X线光子能量，其发生后几毫米之内就被吸收。人体其他元素的特征辐射能更小。 可见，人体组织由X线照射产生光电效应的特征辐射将全被组织吸收。 4、光电子的角分布 光电子的角分布与光子的能量有关，当光子能量很低时，光电子与入射方向成90o角射出的概率最大。随光子能量的增加，光电子的分布逐渐倾向于前方。 能量低 — 大角度分散 能量高 — 小角度集中（电离方向） 5、诊断放射学中的光电效应 优点 提高成像质量 (1)因光电转换减少散射，故减少照片灰雾;(2)可增强人体不同组织的对比度（3）放疗时增加对肿瘤组织的剂量 缺点 入射X线通过光电效应几乎全部被人 体吸收，增加了受检者的剂量，对人体有负面作用。因光电效应发生概率与光子能量的三次方成反比，利用这个特性，在实际工作中采用高千伏摄影技术，达到降低剂量的目的 二、康普顿效应 1、康普顿效应又称康普顿散射，是射线光子能量被部分吸收而产生散射线的过程。 具有能量为hv的入射光子与原子的轨道电子相互作用时，光子交给轨道电子一部分能量后，其频率发生改变并与入射方向成φ角射出（散