成像理论第二章03

第三节X线的衰减规律

一、距离引起的衰减从X线管焦点发出的X线向空间的各个方向辐射时，X线强度的衰减遵循平方反比法则，即在焦点为中心而半径不同的各球面上的X线强度与距离的平方成反比的规律二、物质引起的衰减规律当X线通过物质时，产生光电效应、康普顿效应和相干散射等，在此过程中由于散射和吸收使X线强度衰减，这一衰减称为物质所致衰减。辐射通过物质时的衰减规律：1、吸收物质的性质2、物质厚度3、辐射自身的性质X线在物质中的衰减规律是X线摄像、透视、造影检查、CT检查、放射治疗及屏蔽防护设计的依据（一）单能窄束X线的衰减规律1、单能窄束X线由相同能量光子组成的X线称为单能线，它具有单一的波长或频率。窄束X线：指不包括散射成分的X射线束，通过物质层后的X线光子，仅由未经相互作用或未经碰撞的原射线光子所组成。窄束不指几何上细小，没有散射光子就是窄束图2-24窄束X线的装置2、衰减规律（1）吸收体不存在时，记录辐射强度I0（2）强度变化与吸收体厚度、原强度等的关系:（2-35）μ线性衰减系数，物理意义X线穿过单位厚度的物质层时，其强度减少的百分数，单位/m。μ的性质（1）随辐射束中光子能量的增加而减小（2）近似正比于吸收物质的密度ρ，ρ与物质物理状态有关将（2-35）式积分，即单能窄束X线的指数衰减规律：（2-38）式中，I0、I分别是X线入射到物体表面时强度和透过厚度为x的物体的强度；x为吸收物质的厚度。将（2-35）式变换Δxρ表示面积为1平方米，厚度为Δxm的体积所包含物质层的质量，称为质量厚度，单位

面密度

称为质量衰减系数，表示X线在穿过质量厚度为1的物质层后X线强度减少的分数值，单位与物质的密度和物理状态无关，与波长、吸收物质原子序数关系：式（2-38）可表示为：Xm表示质量厚度只适用于窄束单能辐射例如水、冰和水蒸汽，虽然它们的密度和物理状态不同，但它们的质量衰减系数都一样，质量厚度为lkg·m-2”的水、冰和水汽对X线都有同等量的衰减。图2-25a表示单能窄束X线强度随吸收体厚度增加按指数衰减；图2-25b半对数坐标，射线强度与吸收厚度关系为直线，直线斜率就是μ单能窄束X线通过物质时只有光子数减少，无光子能量变化线性衰减系数μ就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概率，μ是各种线性衰减系数总和总质量衰减系数:在X线屏蔽计算中要有线性衰减系数和质量衰减系数（二）宽束X线的衰减规律1、衰减规律宽束X线是含有散射线成分的X线束。实际中,X线大多为宽束，真正窄束情况极少图2-24中除去两个准直器，在吸收体中发生散射的光子，可能穿过屏蔽层到达探测器，这便是宽束的情况。宽束与窄束的区别：宽束与窄束的主要区别就在于散射的影响。（1）窄束把散射光子当作被物体吸收的光子处理，因为散射光子不能到达探测器（2）宽束情况下，吸收体中产生的散射光子经一次或多次散射仍可到达探测器而被记录窄束衰减规律处理宽束问题窄束的质量衰减系数将高估吸收体的衰减能力，对屏蔽是不安全的。质能吸收系数是计算光子能量被吸收体真正吸收的概率，用它代替质量衰减系数计算宽束的衰减，对防护是安全的质能转移系数在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，而另一部分则被一些次级光子(特征X线光子、康普顿散射光子及湮灭辐射光子)所带走，这就是说，总的衰减系数μ可以表示为两部分的和，即：μ=μtr+μp

式中，μtr为X线光子能量的电子转移部分；μp为X线光子能量的辐射转移部分。对于辐射剂量学而言，重要的是确定X线能量的电子转移部分，最后在物质中被吸收的就是来自这一部分能量。X线能量的电子转移部分，等于：μtr=τa+σa+ka(2-43)其中，μtr称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，其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。同样，可得相应的质能转移系数为：

(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。质能吸收系数光子在与物质相互作用过程中转移给次级电子的能量，有一部分通过韧致射损失掉了，真正被物质所吸收的能量应等于光子转移给次级电子的能量减去因轫致辐射而损失的能量。用g表示能量变为轫致辐射的份额，则：μen=μtr(1－g)(2-45)表示X线光子能量真正被物质吸收的份额。式中μen称为线性能量吸收系数，它表示X线在物质中穿行单位长度时，其能量真正被物质吸收的份额。μen/ρ叫做质能吸收系数，它的SI单位同样是m2．kg-1。线性衰减系数μ

表示X线在穿过单位厚度的物质层时，其强度减少的百分数值。线性衰减系数μ的SI单位是m-1质量衰减系数μm

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。SI单位是“m2.kg-1”线性能量转移系数μtr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，其能量转移给电子的份额。μtr的SI单位是m-1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质能吸收系数μen/ρ叫做质能吸收系数，它的SI单位同样是m2．kg-1，表示X线在物质中穿行单位长度时，其能量真正被物质吸收的份额。宽束的衰减规律比较复杂，在图2-25b并不是直线，而出现弯曲。可在窄束的指数衰减规律上加积累因子B2、积累因子B积累因子是描述散射光子影响的物理量，反应了宽束与窄束的差别。B表示物质中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（2-43）为物质中所考虑的未经碰撞的原射线光子的计数率，为在物质中散射光子的计数率，物理意义：其大小反应了散射光子数对总光子数的贡献宽束B>1;，窄束B=1(三)连续X线的衰减1、衰减特点窄束和宽束的衰减规律只是对单能X线而言；连续能谱X线束是波长从某一最小值到某一最大值的各种能量光子组成的混合射线连续X线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理论上，描述连续能谱窄束X线的衰减连续X线通过物质层时，其量和质都变化变化规律：强度变小，硬度变大（质提高）这个规律就是X线透过物体的硬化。物体对低能X线的线性吸收系数大，对高能X线的线性吸收系数小些讨论：随吸收厚度增加，强度变化规律？能谱变化规律？随着吸收物体厚度的增加，X线强度不断衰减，而能谱不断变化。低能成份衰减的快；越到后来高能成份越多，能谱变窄——X线平均能量越来越高管电压的峰值决定了X线束的最大光子能量，因此重复滤过X线束，其平均能量只能越加趋近于管电压对应的最大值。可见，X线管的激发电压和窗口处的滤过条件，决定X线管所发射X线束线质的重要条件2、X线滤过诊断用X线：连续能谱的混合射线，低能X线被皮肤和浅表组织吸收，透不过人体，对诊断不起作用，却大大增加被检查者的皮肤照射量。目的：获得最佳的图像质量、保护被检查者方法：在X线管窗口处放置均匀厚度的金属片