第五章X射线的衰减规律

X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。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。Themaincontents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线衰减的因素一、单能窄束X线的衰减规律(一)窄束X线及其指数衰减规律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。(一)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。(一)窄束X线及其指数衰减规律K(一)窄束X线及其指数衰减规律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(2-33)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)窄束X线及其指数衰减规律(2-33)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便于使用，通常采用质量衰减系数μ/ρ。(一)窄束X线及其指数衰减规律将式(2-33)右面乘除吸收体的密度ρ得：(2-34)△xρ表示面积为1m2、厚度为△xm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”。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”。xII0(一)窄束X线及其指数衰减规律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(2-37)λ愈短，X线衰减愈少，穿透本领愈强；Z愈高，X线衰减愈大。(一)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(2-38)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(2-39)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。(一)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。(一)窄束X线及其指数衰减规律(一)窄束X线及其指数衰减规律图2-31装置的线束中。设有1000个单能光子入射，通过第一个1cm厚的水层后，光子数减少20％，变为800个；再通过第二个1cm厚的水层，又衰减了剩余光子的20％，成为640个，依此类推。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。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。(二)质量衰减、质能转移及质能吸收系数▲1．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(2-40)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*1．质量衰减系数相干散射：X线光子具有波粒二相性，既是粒子也是电磁波。当入射电磁波从原子附近经过时，引起轨道电子共振，振荡电子将发射波长相同但方向不同的电磁波，不同轨道电子发射的电磁波具有相干性，称为相干散射，又成瑞利散射。(发生几率与Z成正比，随光子能量增大而急剧减少，发生几率＜全部作用5%)。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：(2-41)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*1．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+μp(2-42)μtrX线光子能量的电子转移部分；μpX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=τa+σa+ka(2-43)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。τa、σa、ka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。(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：(2-44)质能转移系数表示X线在物质中穿行质量厚度为kg·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。aaatrk(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，有一部分是通过韧致射损失掉，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韧致辐射损失的能量：μen=μtr(1－g)(2-45)g表示能量变为韧致辐射的份额。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(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韧致辐射。质能吸收系数μen/ρ表示扣除韧致辐射能量后，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。(二)质量衰减、质能转移及质能吸收系数4．混合物和化合物质量衰减与质能吸收系数如果物质是混合物，其密度为ρ，所含各元素的质量衰减系数分别为(μ/ρ)l、(μ/ρ)2、……各组成元素的重量百分比为ω1、ω2、……。混合物总的质量衰减系数：(2-47)用同样的形式可计算混合物的质能吸收系数。4．混合物和化合物质量衰减与质能吸收系数化合物分子中各原子的化学结合能很小，可把化合物作为混合物来处理。研究混合物或化合物等复杂物质对X线的衰减规律时，经常用到有效原子序数。有效原子序数是指在相同的照射条件下，lkg复杂物质与1kg单质所吸收的辐射能相同时，此单质的原子序数就称为复杂物质的有效原子序数。4．混合物和化合物质量衰减与质能吸收系数有效原子序数经验公式：(2-48)近似式：(2-49)al、a2、a3分别是元素Zl、Z2、Z3所含电子的分数值。94.294.294.22294.211nnZaZaZaZ3122114422411nnnnZaZaZaZaZaZaZ4．混合物和化合物质量衰减与质能吸收系数水的有效原子序数是Z水=7.64PMMA：[化]polymethylmethacrylate,聚甲基丙烯酸甲酯。人体的软组织与水的有效原子序数相近，实验证明水和软组织对X线的吸收也非常一致，可用水作软组织的仿真模型。骨的有效原子序数是14，可用原子序数为13的铝代替作仿真模型。二、宽束X线的衰减规律*(一)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宽束与窄束的主要区别在于散射的影响。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，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(2-50)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：(2-51)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。不同的辐射量有不同的积累因子。常用的积累因子：光子数积累因子、能量积累因子、吸收剂量积累因子、照射量积累因子应用较多的是照射量积累因子。三、连续X线的衰减规律(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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