放射物理学2ppt课件

第二章电离辐射与物质的相互作用 基本概念 1带电粒子与物质的相互作用 2X 射线与物质的相互作用 基本概念电离 原子的核外电子因与外界相互作用获得足够的能量 挣脱原子核对它的束缚 造成原子的电离 直接电离 由带电粒子通过碰撞直接引起的物质的原子或分子的电离称为直接电离 间接电离 不带电粒子通过与物质的相互作用产生带电粒子引起的原子的电离 称为间接电离 电离辐射 由带电粒子 不带电粒子 或两者混合组成的辐射称为电离辐射 1带电粒子与物质的相互作用一 带电粒子与物质相互作用的主要方式作用的主要方式 1 与原子核外电子发生非弹性碰撞 2 与原子核发生非弹性碰撞 3 与原子核发生弹性碰撞 4 与原子核发生核反应 一 带电粒子与核外电子的非弹性碰撞当带电粒子从靶物质的原子近旁经过时 入射粒子与轨道电子之间的库仑力使轨道电子受到吸引或排斥 从而获得一部分能量 电离 如果轨道电子获得的能量足够大 它便能够克服原子核的束缚而脱离原子成为自由电子 这时 物质的原子便被分离成一个自由电子和一个正离子 它们合称为电子离子对 这样一个过程就称为电离 激发 如果轨道电子获得的能量比较小 还不足以使它摆脱原子核的束缚而成为自由电子 但是却可以使电子从低能级状态跃迁到高能级状态 这个现象称为原子的激发 处于激发态的原子很不稳定 跃迁到高能级的电子会自发跃迁到低能级而使原子回到基态 同时放出特征X射线或俄歇电子 如果电离出来的电子具有足够的动能 能进一步引起物质电离 则称它们为次级电子或 电子 由次级电子引起的电离称为次级电离 带电粒子因与核外电子的非弹性碰撞 导致物质原子电离和激发而损失的能量称为碰撞损失或电离损失 描述电离 碰撞 损失的两个物理量 线性碰撞阻止本领 linearcollisionstoppingpower 入射带电粒子在靶物质中穿行单位长度路程时电离损失的平均能量J m 1 用Scol或表示质量碰撞阻止本领 masscollisionstoppingpower 线性碰撞阻止本领除以靶物质的密度 用 或 表示 电离损失与入射粒子的能量 电荷数及靶物质的每克电子数之间的关系1 重带电粒子质量碰撞阻止本领表达式 电子的经典半径 靶物质的每克电子数 电子的静止质量 带电粒子的电荷数 入射粒子速度与光速之比 靶物质原子的平均激发能 壳修正项 结论 1 近似与重带电粒子的能量成反比 这是因为带电粒子速度越慢 与轨道电子相互作用的时间越长 轨道电子获得的能量就越大 2 与靶物质的每克电子数成正比 3 与重带电粒子的电荷数平方成正比 2 电子质量碰撞阻止本领表达式 质量小 碰撞后入射电子能量损失大 方向会有较大改变即使在能量很低时也需要考虑相对论效应 结论 1 电离损失也和物质的每克电子数成正比 2 电离损失与入射电子能量的关系较复杂 低能时 公式中方括号外的项起决定作用 电离损失近似与电子能量成反比 高能时 方括号外的项近似不变 而方括号内的项随能量缓慢增加 因而高能时电离损失随能量缓慢增加 当电子能量约为1MeV时 电离损失最小 由于铅的每克电子数小于碳的每克电子数 且铅原子的平均激发能比碳原子的平均激发能高 所以铅的电离损失小于碳的电离损失 二 带电粒子与原子核的非弹性碰撞当带电粒子从原子核附近掠过时 在原子核库仑场作用下 运动方向和速度发生变化 此时带电粒子的一部分动能就变成具连续能谱的X射线辐射出来 这种辐射称为韧致辐射 线性辐射阻止本领 或 质量辐射阻止本领 或 描述辐射损失的两个物理量 关系式 辐射损失与入射粒子及靶物质部分物理量之间的关系 结论 1 与入射带电粒子的质量m的平方成反比 重带电粒子的轫致辐射引起的能量损失可以忽略 2 与Z2成正比 说明在重元素物质中的韧致辐射损失比轻元素物质大 3 与粒子的能量成正比 这与电离损失的情况不同 三 带电粒子与原子核的弹性碰撞当带电粒子与靶物质原子核库仑场发生相互作用时 尽管带电粒子的运动方向和速度发生变化 但不辐射光子 也不激发原子核 它满足动能和动量守恒定律 属弹性碰撞 也称弹性散射 当带电粒子能量较低时 才有明显的弹性碰撞 重带电粒子由于质量比较大 与原子核发生弹性碰撞时运动方向改变小 散射现象不明显 因此它在物质中的径迹比较直 电子质量很小 与原子核发生弹性碰撞时 运动方向改变可以很大 而且还会与轨道电子发生弹性碰撞 因此它在物质中的径迹很曲折 四 带电粒子与原子核发生核反应当一个重带电粒子具有足够高的能量 约100MeV 并且与原子核的碰撞距离小于原子核的半径时 如果有一个或数个核子被入射粒子击中 它们将会在一个内部级联过程中离开原子核 其飞行方向主要倾向于粒子的入射方向 失去核子的原子核处于高能量的激发态 将通过发射所谓的 蒸发粒子 主要是一些能量较低的核子 和 射线而退激 当核反应发生时 入射粒子的一部分动能被中子和 射线带走 而不是以原子激发和电离的形式被局部吸收 这将影响吸收剂量的空间分布 对于质子束 如果在计算剂量时未考虑核反应 计算值将会偏高1 2 对于电子束 核反应的贡献相对于韧致辐射的贡献完全可以忽略 其它一些作用方式 湮没辐射 契伦科夫辐射 1 总质量阻止本领 totalmassstoppingpower 带电粒子在密度为 的介质中穿过路程dl时 一切形式损失的能量dE除以 dl而得的商符号 或 对于电子 在常规的能量范围内 对于重带电粒子 辐射损失可以忽略 二 几个基本概念 2 路径长度与射程带电粒子在与物质的相互作用过程中不断损失其动能 最终损失所有的动能而停止运动 热运动除外 路径长度 粒子从入射位置至完全停止位置沿运动轨迹所经过的距离 射程 沿入射方向从入射位置至完全停止位置所经过的距离 由于粒子的运动轨迹总是曲折的 因此射程总是小于路径长度 设N t 是穿透厚度t的粒子数 则平均射程为 重带电粒子因其质量大 与核外电子的一次碰撞只损失很小的一部分能量 运动方向也改变很小 并且与原子核发生弹性碰撞的概率小 其运动路径比较直 因此粒子数随吸收块厚度变化曲线表现为开始时的平坦部分和尾部的快速下降部分 射程可用实验来测量 测量条件为 一束单能平行粒子束垂直入射到不同厚度的吸收块上 用探测器测量穿过吸收块的粒子数 电子因其质量小 每次碰撞的电离损失和辐射损失比重带电粒子大得多 同时运动方向改变大 并且与原子核发生弹性碰撞概率大 其运动路径曲折 粒子的射程分布在一个很宽的范围 也就是说电子的射程发生了较严重的歧离 因此粒子数随吸收块厚度变化曲线呈逐渐下降趋势 3 比电离带电粒子在靶物质中单位路程上产生的电子 离子对数目称为比电离 它与带电粒子在靶物质中的碰撞阻止本领成正比 重带电粒子束的比电离曲线和百分深度剂量曲线尾部均可以看到明显的峰值 此峰值称为布拉格峰 在电子束的比电离曲线和百分深度剂量曲线尾部均观察不到峰值 原因是由于电子束的能量歧离和射程歧离现象严重 布拉格曲线与布拉格峰 因为入射带电粒子开始时速度最快 因而电离损失率较小 当入射粒子愈接近路径末端 速度愈慢 电离损失率也就愈大 因而比电离值也最大 在越过峰值后 由于粒子能量几乎耗尽 所以比电离值骤然下降并很快达到零 利用重带电粒子束 主要是质子和负 介子 实施放疗 可以通过调整布拉格峰的位置和宽度使其正好包括靶区 从而达到提高靶区剂量和减少正常组织受照剂量的目的 这正是重带电粒子束相对光子 电子和中子束等所具有的优点 靶物质厚度 比电离 4 传能线密度 linearenergytransfer LET 描述辐射品质的物理量 高的辐射比低的辐射有着更高的生物效能 是传能线密度 dE是特定能量的带电粒子在物质中穿行dl距离时 由能量转移小于某一特定值 的历次碰撞所造成的能量损失 特征 射线 湮没辐射 核能级跃迁 正电子湮没产生 特征X射线 原子能级跃迁 轫致辐射 带电粒子速度或运动方向改变产生 2X 射线与物质的相互作用 2X 射线与物质的相互作用 一 与带电粒子相比 X 射线与物质的相互作用表现出不同的特点 二 主要过程其它次要作用过程有相干散射 光致核反应等 一 几个概念1 截面 crosssection 描述粒子与物质相互作用概率的物理量 定义为一个入射粒子与单位面积上一个靶粒子发生相互作用的概率 用符号 表示 靶粒子可以是原子 原子核或核外电子 相应的截面称为原子截面 原子核截面 电子截面 的SI单位是m2 专用单位是靶恩 barn b 1b 10 24cm2 10 28m2 光电效应 康普顿效应 电子对效应 总截面 光电效应截面 康普顿效应截面 电子对效应截面 如果一个入射粒子与物质的相互作用有多种相互独立的作用方式 则相互作用总截面等于各种作用截面之和 2 线性衰减系数 质量衰减系数X 光子与每单位厚度物质发生相互作用的概率 称为线性衰减系数 用 表示 单位m 1或cm 1 I0 在厚度t 0处 X 光子束入射方向垂直的单位面积上的光子数 I 在厚度t处 单位面积上的光子数 n 靶物质单位体积的靶粒子数 窄束 单能 X 光子与每单位质量厚度物质发生相互作用的概率称为质量衰减系数 单位是m2 kg 或cm2 g 与光子束能量和靶物质密度有关 与入射光子数无关 3 线性能量转移系数 质能转移系数 质能吸收系数线性能量转移系数定义X 光子在物质中穿行单位距离时 其总能量由于各种相互作用而转移为带电粒子动能的份额 质能转移系数 E是入射光子的能量 N是入射光子数 质能吸收系数定义为X 光子在物质中穿过单位质量厚度时 其能量真正被受照射物质吸收的那部分所占份额 g为次级电子的动能因辐射而损失的份额 4 半价层 HVL 定义为X 射线束流强度衰减到其初始值一半时所需的某种物质的衰减块的厚度 它与线性衰减系数的关系可表示为 与 的意义一样 HVL表示物质对X 光子的衰减能力 5 平均自由程 l 定义为X 光子在与物质发生作用前平均的自由运动距离 光电效应 光子与原子内层电子作用 e h 二 相互作用方式 1 光电效应作用过程 光子把全部的能量传递给轨道电子 获得能量电子挣脱原子核束缚成为自由电子 光电子 光子消失 放出光电子的原子变成正离子并处于激发态 外层电子向内层填充产生特征X线或外层 俄歇 电子 次级粒子 光电子 正离子 特征X光子 俄歇电子 在光电效应过程中 除入射光子和光电子外 还需要有一个第三者即原子核参加 动量和能量守恒才能满足 这就是说光子打在自由电子上不能产生光电效应 只有束缚电子才可能吸收光子产生光电效应 2 光电子的能量 由能量守恒 光电子能量为 为原子第i层电子的结合能 与原子系数和壳层数有关 3 光电截面 入射光子与物质原子发生光电效应的截面称之为光电截面 电子在原子中被束缚得越紧 产生光电效应的概率就越大 如果入射光子的能量超过K层电子结合能 那么大约80 的光电吸收发生在这K层电子上 4 作用系数 光电效应总截面 低原子序数n 4高原子序数n 4 8 光电线性衰减系数 光电质量衰减系数 a 原子序数的影响 随能量增大 光电效应效应发生的概率迅速减小 b 入射光子能量的影响 光电效应几率 1 hv 3 随原子序数增加 光电效应发生的概率迅速增加 光电效应总截面光电线性衰减系数 Z4 4 8 光电质量衰减系数 Z3 3 8 入射X 光子的能量最终转化为两部分 1 次级电子 光电子和俄歇电子 的动能 2 特征X射线能量 对于低原子序数材料 轨道电子的结合能很小 如K层电子结合能大约500eV 因特征X射线能量的平均值应小于结合能 因此以发射特征X射线形式损失的能量很小可以忽略 从而入射光子的能量基本上都转移给了次级电子 与其它相互作用相比 低能时光电效应是光子与物质相互作用的最主要的形式 而低能光子的光电效应只能产生低动能的次级电子 当电子动能低时 其辐射损失能量可以忽略 从而转移给物质的能量基本上都被物质吸收了 对于低能X 光子和低原子序数的材料 5 光电子的角分布 光电子的角分布与入射X光子能量有关 1 在 0 和 180 方向没有光电子飞出 2 当入射光子能量低时 大角度分散 光电子趋于垂直方向发射 当光子能量较高时 小角度集中 光电子趋于向前发射 1 康普顿效应作用过程 康普顿效应 与原子外层电子作用 光子损失一部分能量 并改变运动方向 电子获得能量而脱离原子 损失能量后的X 光子称为散射光子 获得能量的电子称为反冲电子 考虑到相对于康普顿效应占优势的光子能量范围 电子的结合能很小 因此在推导有关的计算公式时 往往忽略结合能的作用 把康普顿效应看成是光子和静止的自由电子之间的弹性碰撞 2 作用系数 康普顿效应总截面 散射截面和能量转移截面 线性衰减系数 线性能量转移系数 质量衰减系数 质能转移系数 每个电子的康普顿效应截面 总截面散射截面转移截面 每个原子的康普顿效应 Z 质量衰减系数 质能转移系数 与Z近似无关 康普顿效应的 3 反冲电子的角分布和能谱 能量增加 趋向于入射方向 在0 90 分布 3 反冲电子的角分布和能谱 之间分布 c 入射X 光子能量小于1 0MeV时 在能量接近零处有一个较低的峰值 对于单能入射光子 a 连续分布 b 反冲电子在能谱的能量最大处数目最多 1 电子对效应作用过程 电子对效应 当X 光子从原子旁经过时 在原子核库仑场的作用下形成一对正负电子 此过程称为电子对效应 与光电效应类似 除了入射X 光子和轨道电子外 还需原子核的参与 才能满足动量守恒定律 原子核的质量大 它获得的能量很小 可以忽略 可以认为X 光子能量的一部分转变为正负电子的静止质量 另一部分作为正负电子的动能 只有当入射X 光子的能量大于1 02MeV 才能发生电子对效应 2 作用系数 随Z迅速增加 随h 线性增加 随Z迅速增加 随h 增加逐渐变慢 时 时 线性衰减系数 线性能量转移系数 质量衰减系数 随Z迅速增加 随h 线性增加 随Z迅速增加 随h 增加逐渐变慢 时 时 质能转移系数 3 角分布 随着能量的增加 正负电子的角分布趋向于光子的入射方向 与光电效应情形相似 获得动能的正负电子在物质中通过电离或辐射的方式损失能量 当正电子停下来时 与一个自由电子结合而转变成为两个光子 根据能量和动量守恒定律 两个光子的能量均为0 511MeV 飞行方向正好相反 正负电子的动能份额 次级光子份额 A 相干散射 与物质的其他作用过程 射线与物质相互作用而产生干涉 衍射 的散射过程叫相干散射 比如X线对晶体的衍射产生的劳厄斑就是相干散射现象 相干散射是唯一不产生电离的过程 光子与原子核作用发生核反应的过程 比如释放中子 质子 粒子和 光子等 由于光核反应截面很小 在剂量学考虑中往往忽略光核反应的贡献 但在机房的防护设计时 如果加速器X射线能量大于10MV 则需要考虑 n 反应 B 光核反应 三 几种相互作用的相对重要性 例如 对于水 三种效应占优势的能量范围依次为 10 30keV 30keV 25MeV 25 100MeV 将三种人体组织的质能吸收系数对同能量的空气的质能吸收系数归一 得到下图所示的相对质能吸收系数曲线 有效原子序数12 317 646 46 对于60 150kev低能X射线 骨的吸收比肌肉和脂肪的高得多 对于150 250kev低能X射线 骨的吸收比肌肉和脂肪的高 对于钴 60 射线