X(γ)射线射线在物质中的衰减规律

X(γ)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。该定律只在真空中成立，在空气中由于气体的吸收严格说是不成立的，但由于空气引起的衰减很少，在一般摄影中可忽略不计。故在一般摄影中，可通过改变X射线管焦点到胶片的距离来调节X射线的强度。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。X射线强度在物质中的衰减规律是X射线摄影、透视及X-CT检查的基本依据，同时也是屏蔽防护设计的理论根据。Themaincontents概述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Havearest!概述线衰减系数质量衰减系数、质能转移及质能吸收系数混合物和化合物质量衰减与质能吸收系数streng(一)线性衰减系数K(一)线性衰减系数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。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＝μI0△X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)线性衰减系数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而便于使用，通常采用质量衰减系数m(二)质量衰减、质能转移及质能吸收系数ρdx表示面积为1m2、厚度为dx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”。若为1称为单位质量厚度，表示在1m2面积上均匀分布1kg质量吸收物质层的厚度值。dxIdIdxIdI100或(二)质量衰减、质能转移及质能吸收系数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μm表示，SI单位“m2.kg-1”。1212??1gcmkgm(二)质量衰减、质能转移及质能吸收系数μm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μm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。μm＝Kλ3Z4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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距离时，平均发生总的相互作用的几率。μ=τ+σc+σcoh+kτ为光电线性衰减系数；σc为康普顿线性衰减系数；σcoh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质量衰减系数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：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。kcohc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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=μtr+μsμtrX线光子能量的电子转移部分；μsX线光子能量的辐射转移部分。(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：μtr=τtr+σtr+ktrμtr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。μtr的SI单位是m-1。τtr、σtr、ktr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。设光子的能量为hν，其中转移给带电粒子的动能的部分为Etr，则μtr和μ的关系可表示为：hEtrtr(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：质能转移系数表示X线在物质中穿行质量厚度为1kg·m-2时，因相互作用其能量转移给电子的份额。μtr/ρ的SI单位是m2·kg-1。trtrtrtrk(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，有一部分是通过轫致辐射损失掉，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轫致辐射损失的能量：μen=μtr(1－g)g表示能量变为轫致辐射的份额，随吸收体原子序数的增加而增大。当次级电子能量在MeV以下时，g常忽略不计。μen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μen/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。gtren1碳的能量转移、能量吸收光子能量(MeV)Etr(MeV)Een(MeV)0.010.008650.008650.10.01410.01411.00.4400.440107.307.0410095.6271.9(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。(二)质量衰减、质能转移及质能吸收系数质能转移系数μtr/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轫致辐射。质能吸收系数μen/ρ表示扣除轫致辐射能量后，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。一、单能窄束X线的衰减规律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。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。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。“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。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-μx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-μmxmxm＝△Xρ为质量厚度，单位为kg·m-2。上两式只适用于单能窄束辐射。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。xII0lnHVL(halfvaluelayer)X射线强度衰减到其初始值一半时所需某种物质的衰减厚度定义为半价层(HVL)，它与线性衰减系数的关系可表示为：与线性衰减系数的意义一样，HVL亦是X射线光子能量和衰减物质材料的函数，当指明衰减材料后，HVL表示该种物质对X射线光子的衰减能力。/693.0/2lnHVL窄束X线及其指数衰减规律窄束X线及其指数衰减规律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。其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。很厚的吸收物质层，仍可能有一定强度的射线透过，不可能完全被吸收。二、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实际上射线多为宽束辐射，而真正窄束的情况极少。宽束与窄束的主要区别在于散射线的影响。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，将会过高估计吸收体的减弱能力，对屏蔽是不安全的。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-μx积累因子是描述散射光子影响的物理量，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：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。nsnsnnNNNNNNNB1(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。积累因子的大小与吸收体的厚度、原子序数和几何条件，以及源与吸收体和考虑点之间的相对位置，X射线光子的能量等因素有关。对于积累因子可以通过近似计算法求得：不同的辐射量有不同的积累因子。xB1三、连续X线的衰减规律连续X线在均匀物质中的衰减X线滤过（固有滤过、附加滤过）连续X线在非均匀物质中的衰减(一)连续X线的衰减特点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，它不遵守单一的指数衰减规律，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。(一)连续X线的衰减特点理论上连续能谱窄束X射线的衰减可这样描述：xnxxnneIeIeIIIII002012121(一)连续X线的衰减特点连续能谱的X线束是从某一最小值到某一最大值之间的各种能量的光子组成的混合射线，其平均能量一般在最高能量的1/3到1/2之间。如最高能量为100keV的连续X线其平均能量在40keV左右，但由于滤过的不同可能有些变化。(一)连续X线的衰减特点100KeV(一)连续X线的衰减特点吸收物质厚度增加，X线的总强度不断衰减，其能谱组成也不断变化。低能成分衰减得快，愈到后来高能成分愈多，X线能谱变窄，提高了X线的平均能量。(一)连续X线的衰减特点管电压的峰值决定了X线束的最大光子能量，重复滤过的X线束，其平均能量只能愈加趋近与管电压对应的最大值。X线管的激发电压与出线口处的滤过条件，是决定X线管所发射X线束线质的重要条件。(二)X线滤过诊断用X线是连续能谱混合射线。通过人体时，绝大部分低能成分都被皮肤和浅表组织吸收，大大增加了被检者的皮肤照射量。防护措施：为保护被检者，尽量减少无用的低能光子对人体皮肤的伤害，所以要在X线管出线口处放置滤过板(用一定均匀厚度的金属片制成)，把X线束中的低能成分吸收掉，将X线的平均能量提高。(二)X线滤过