肿瘤放射物理学1练习.

放射物理学第一节核物理基础一、基本概念1、原子结构中心是带正电的原子核核的周围是带负电的电子在绕核运动原子核:质子和中子组成，质子带正电荷，中子不带电，质子和中子统称为核子。2、原子序数、元素、核素、同位素和同质异能素原子序数：任何原子的核外电子数，统称为原子的原子序数。由于原子是电中性，核内质子数必然等于核外电子数，因此原子序数同时表示了核外电子数、核内质子数和核电荷数。元素：质子数相同的原子称为一种元素，它们的原子序数相同，因此具有相同的化学特性。但其原子核中的中子数可以不同，因而物理特性可有某些差异。到目前为止，天然和人工合成的元素有109种，组成元素周期表核素：质子和中子数相同，质量数相同，并处于同能量状态的原子，称为一种核素，例如:为5种不同的核素。目前已知的核素有2300多种，分别属于100多种元素。11H21H31H22688Ra、9943Tc同位素：质子数相同而中子数不同，称为元素的同位素，例如:同质异能素：核内中子数和质子数都相同，但核所处能态不同的核素互为同质异能素。例如：正常的钴元素和镤元素表示为60Co和234Pa，它们的同质异能素则表示为60Com和234Pam等。和互为氢的同位素。H11H21H313、原子、原子核能级基态：电子填充壳层时按照从低能到高能的顺序进行，以保证原子处于最低能量状态,这种状态称为基态。由于内层电子对外层电子具有屏蔽效应，所以实际电子填充壳层时，会出现能级交错，而不是按壳层顺序逐个填充。激发态：当电子获得能量，从低能级跃迁到高能级而使低能级出现空位时，称原子处于激发态。特征辐射：处于激发态的原子很不稳定，高能级的电子会自发跃迁到低能级空位上，从而使原子回到基态。两能级能量的差值一种可能是以电磁辐射的形式发出，这种辐射称为特征辐射，当特征辐射的能量足够高，进入X射线能量范围时，又称为特征X射线。二、放射性1、衰变类型不稳定核素自发的放出射线，而变成为另一种核素，这种现象称为放射性，这个过程称为放射性衰变，这些核素称为放射性核素。衰变前的核称为母核，衰变后的核称为子核。衰变过程中释放的能量称为衰变能。衰变能等于衰变前后诸粒子静止质量之差所对应的能量。原子核的衰变，主要有三种类型，即α、β衰变和γ跃迁。（1）α衰变α粒子是氦的原子核，它由2个质子和2个中子组成。α衰变的反应式如下8790.4HeThU4223490238924422AAZZXYHeQMeV（2）β衰变β衰变包括3种类型：β-衰变、β＋衰变、轨道电子俘获。1、β-衰变：核内中子多，n→变P，放出一个负电子。SP32163215Q反中微子QYXAZAZ12、β＋衰变:核内质子多，P→变n，放出一个正电子。QYXA1zAzQOF188189QYXA1zAzQOF188189（3）γ跃迁和内转换伴随α或β衰变后发生。QXXAZmAZTcTc9943h02.6tm99432/1例：（Eγ=0.141MeV）是的同质异能素。m9943TcTc99433、放射性度量放射性指数衰变规律：放射性活度：是指一定量的放射性核素在一个很短的时间间隔内发生的核衰变数除以该时间间隔之商。公式表达如下：0tdNANAedt活度的国际单位是贝可[勒尔]（Bq）。旧单位是居里（Ci）。1Ci＝3.7×1010Bq＝3.7×1010核衰变/秒0tNNeλ为衰变常数半衰期：放射性核素其原子核数目衰减到原来数目一半所需的时间（T1/2）。半衰期与衰变常数的关系为：1/2ln20.693TT1/2的单位是秒，对半衰期长的核素可以用分（min）、天（d）、年（a）。平均寿命（τ）：是指放射性原子核平均生存的时间。01/21/200()11.440.693tdNtTtedtTN例：一台60Co治疗机源初装时的活度为111TBq（3000Ci），使用5年、10年后源的活度还剩多少？（已知T1/2＝5.27a）解：将A0＝111TBq，T1/2＝5.27a，代入1/20.69300tTtAAeAe当t＝5a，t＝10a时，得557.5aATBq，1029.8aATBq。4、递次衰变和放射平衡递次衰变：放射性核素转变为稳定核素时往往要经过多次衰变才能完成，这种衰变称为递次衰变。衰变过程中形成的核素系列称衰变系列。例如，9036Kr转变为9040Zr需经4次β－衰变142.9min286490909090903637383940sahKrRbSrYZr小结：1．基本概念元素，核素，同位素，原子量，基态，激发态，特征X射线，原子结构和能级，原子核结构和能级。2．放射性原子核的稳定性，衰变类型，放射性指数衰变规律，放射性活度，半衰期，衰变常数，平均寿命τ，递次衰变。作业1：名词解释：特征辐射、放射性活度填空题：1、某放射性元素经过11.4天有7/8的原子核发生了衰变，该元素的半衰期有——天？选择题：1、原子核23892U经放射性衰变①变为原子核23490Th，继而经放射性衰变②变为原子核23491Pa，再经放射性衰变③变为原子核23492U。放射性衰变①、②和③依次为（）A．α衰变、β-衰变和β-衰变B．β衰变、β-衰变和α衰变C．β-衰变、α衰变和β-衰变D．α衰变、β-衰变和α衰变4.元素X是Y的同位素，分别进行下列衰变过程:则下列说法正确的是()A.Q与S是同位素B.X与R原子序数相同C.R比S的中子数多2D.R的质子数少于上述任何元素问答题：•1.23892U核经一系列的衰变后变为20682Pb核,问:(1)一共经过几次α衰变和几次β-衰变?(2)20682Pb和23892U相比,质子数和中子数各少了多少?(3)综合写出这一衰变过程的方程.•2.约里奥·居里夫妇因发现人工放射性元素而获得了1935年的诺贝尔化学奖，他们发现的放射性元素3015P衰变成3014Si的同时放出另一种粒子，这种粒子是什么?3215P是3015P的同位素，被广泛应用于生物示踪技术。1mg3215P随时间衰变的关系如图所示，请估计4mg的3215P经多少天的衰变后还剩0.25mg？第二节放射源的种类及照射方式一、放射源的种类：1、γ、β射线———放射性同位素。2、普通X射线（KV级）——X线治疗机。高能X射线（MV级）——加速器。3、根据性质分类X线与γ线——电磁辐射(光子射线）电子束、质子束、中子束、负π介子束重粒子束等——粒子辐射（粒子射线）。：二、放疗的基本照射方式：1、体外照射(外照射)：又称体外远距离照射：指放射源位于体外一定距离(80-100厘米)，集中照射人体某一部位。是最常用的。如X线机、60Co机、X刀等。2、体内照射(包括组织间放疗和腔内放疗)：又称近距离治疗(，指将放射源密封直接放入被治疗的组织内(组织间放疗)或放入人体的天然体腔内(腔内放疗)进行照射。放射源与被治疗的部位距离在5cm以内，故称近距离。限用于肿瘤体积较小，边界较清晰的肿瘤。如腔内、管内后装，组织间插植等。第三节射线的产生及放射治疗机（一）电子线与物质相互作用•1.弹性散射：电子穿过原子时改变了入射电子的远动方向，电子本身状态无变化。光子与物质的相互作用：光电效应：光子与原子的内层电子的相互作用康普顿效应：光子与外层电子的相互作用电子对效应：光子与原子核的相互作用•低能X线有很强的光电吸收；•高能X线（＞2MeV）几乎全部为康普顿吸收；•能量＞50MeV时，电子对吸收为主要形式。（二）放射治疗设备置。第四节常用放射线的物理特性（2）、几种常见γ线同位素源及其特性同位素γ能量MeV半衰期应用缺点镭-226平均0.831590年70年代以前作近距离治疗能谱复杂半衰期长环境污染钴-601.17~1.33平均1.255.24年远距离治疗及高剂量率后装近距离治疗半影问题换源问题铯-1370.66233年中、低剂量率后装近距离治疗化学提纯难，放射比度不高铱-1920.3674天高剂量率后装近距离治疗换源问题2、钴-60远距离治疗机：是利用放射性同位素钴-60发射出的γ射线治疗肿瘤的装置。其产生的γ线平均能量1.25MV相当于4MV左右加速器产生的X线。（四）、医用电子直线加速器除打靶产生高能X线（MV)外，还能直接引出高能电子束，其能量范围4~50MeV之间。单能X线加速器单能X线+电子线加速器双能X线+电子线加速器三能X线+电子线加速器二、γ线的产生及钴60治疗机1、γ线的产生及其特性（1）产生：γ线是由放射性同位素产生的，具有不同的能量和半衰期。3、钴-60治疗机的半影问题半影的定义：射野边缘剂量随离开中心轴距离增加而急剧变化的范围，用P90-10%或P80-20%表示。有下列三种原因造成钴-60治疗机有半影(图2-1-9)三、普通X线与高能X线、γ射线的比较普通X线高能X线γ射线1、穿透性弱，深部剂量低，只适用于浅部肿瘤治疗强，深部剂量高，适用于深部肿瘤治疗2、皮肤反应最大剂量吸收在皮肤表面，皮肤反应重最大剂量吸收在皮下一定深度（随能量增加深度增加），皮肤反应轻3、组织吸收以光电效应为主，不同组织之间吸收剂量差别很大，骨组织损伤大以康普顿效应为主，骨、软组织有同等的吸收剂量，骨的损伤小4、旁向散射旁向散射大，射野边缘以外正常组织受量高，全身反应较大旁向散射小，次级射线主要向前，全身反应小五、高能电子束电子束是带电粒子，由加速器产生。具有以下临床剂量学特点：①在组织中具有一定的射程，射程深度与电子能量呈正比，从加速器中引出的电子能量可以调节，可以根据病变的不同深度选择合适的电子能量作治疗。电子线的能量：E=3×d(肿瘤深度)+2~3MeV。②剂量曲线：从表面到一定深度，剂量分布均匀，达到一定深度后，剂量迅速下降，可保护病变后面的正常组织。③不同组织如骨、肌肉、脂肪对电子束的吸收差别不显著，但对组织中气腔应进行剂量效正。④单野照射治疗表浅及偏心部位的肿瘤。四、医用加速器与Co60治疗机的比较医用加速器Co60治疗机1、产生的射线X线、电子线，多档γ射线（1.25MV)，单能2、源的特点不需换源，不加高压无射线产生防护好。需定期换源，随时有射线产生，防护困难。3、半影半影小，射野剂量分布均匀，对称性好半影大，均匀性和对称性差。4、剂量率剂量率高，束流稳定，剂量计算准确，治疗时间短不断衰减，剂量率不稳定剂量计算准确性低，治疗时间延长5、结构与费用结构复杂，维修复杂费用昂贵结构简单，维修方便，费用低，经济适用六、高线性能量传递射线(高LET射线)线性能量传递(LET)：是致电离粒子在组织中沿次级粒子径迹上单位长度的能量转换。LET值＜100KeV/μ称之为低LET射线，这类射线的生物效应大小对细胞的含O2情况及细胞的生长周期依赖较大，即：对乏O2细胞和G0期细胞作用小。1、高LET射线包括快中子、质子、π负介子以及氦、碳、氮、氧、氖等重粒子。2、这类射线的生物效应大小对细胞的含氧情况和细胞生长周期依赖较小。3、物理特性好，除去快中子不带电外，所有其他粒子都带电，因此具有一定的射程，具有电离吸收峰(Bragg峰)型剂量曲线。4、用单一照射野就可以得到较好的剂量分布。第四节射线的基本计量单位及剂量学第一节百分深度剂量分布放射源（S）一般规定为放射源前表面的中心，或产生辐射的靶面中心。一、有关名词定义射野中心轴射线束的中心对称轴线。临床上一般用放射源S穿过照射野中心的连线作为射野中心轴。照射野射线束经过准直器后垂直通过模体的范围，用模体表面的截面大小表示照射野的面积。临床剂量学中规定模体内50％同等剂量曲线的延长线交于模体表面的区域定义为照射野的大小。参考点规定模体表面下射野中心轴上某一点作为剂量计算或测量参考的点。400kV以下的X射线，取在模体表面；对高能X射线或γ射线，取在模体表面下射野中心轴上剂量最大点位置，该位置随能量变化，并由能量确定。校准点在射野中心轴上指定的用于校准的测