肿瘤放射物理学第二章电离辐射与物质的相互作用.ppt

核科学技术学院,放射物理学,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 §2 X（γ）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 如果轨道电子获得足够的能量，就会引起原子电离，原子成为正离子，轨道电子成为自由电子 如果轨道电子获得的能量不足以电离，则可以引起原子激发，使电子从低能级跃迁到高能级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δ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（linear collision stopping power）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 用 Scol 或 表示 质量碰撞阻止本领（mass collision stopping power）：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：,,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：,,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； （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 当核反应发生时，入射粒子的一部分动能被中子和γ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：淹没辐射、契伦科夫辐射1、总质量阻止本领（total mass stopping power）带电粒子在密度为ρ的介质中穿过路程dl时，一切形式损失的能量dE除以ρdl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 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。

a）开始时的平坦部分和尾部的快速下降部分b）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利用重带电粒子束（主要是质子和负π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（linear energy transfer， 简称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§2 X（γ）射线与物质的相互作用,一、与带电粒子相比，X（γ）射线与物质的相互作用表现出不同的特点： （1）X（γ）光子不能直接引起物质原子电离或激发，而是先把能量传递给带电粒子； （2）X（γ）光子与物质的一次相互作用可以损失其能量的大部分或全部，而带电粒子则是通过许多次相互作用逐渐损失其能量； （3）X（γ）光子入射到物体时，其强度随穿透物质厚度近似呈指数衰减，而带电粒子有确定的射程，在射程之外观察不到带电粒子。

二、主要过程 光电效应、康普顿效应、电子对效应； 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（cross section） ：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σ表示靶粒子可以是原子、原子核核外电子，相应的截面称为原子截面、原子核截面、电子截面σ的SI单位是m2，专用单位是靶恩（barn，b），1b＝10-24cm2＝10-28m22、线性衰减系数、质量衰减系数 X（γ）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（linear attenuation coefficient），用µ表示，单位m-1或cm-1I0 : 在厚度t＝0处， X（γ）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；,X（γ）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（ mass attenuation coefficient） ，单位是m2/kg，或cm2/g与物质密度无关，不会随热力学状态的变化而变化,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（linear energy transfer coefficiet）定义X（γ）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（mass energy transfer coefficient）,,E是入射光子的能量，N是入射光子数质能吸收系数（mass energy absorption coefficient）定义为X（γ）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（γ）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,与μ的意义一样， HVL表示物质对X（γ）光子的衰减能力5、平均自由程（l） 定义为X（γ）光子在与物质发生作用前平均的自由运动距离Ⅰ. 光电效应,Ⅱ. 康普顿效应,+,,,,,,,,,,+,,,,,,,,,e,e,hν,h ν,h ν’,Ⅲ. 电子对效应,+,,,,h ν,Ze,e-,e+,（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;特征线离开原子前又击出外层(俄歇)电子.,光电子、正离子、特征X光子、俄歇电子,次级粒子,Ⅰ.光电效应(光子与原子内层电子作用）,(2). 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（γ）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射线能量对于低能X（γ）光子和低原子序数的材料，,,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3). 光电子的角分布,光电子的角分布与入射X光子能量有关,能量低 — 大角度分散 能量高 — 小角度集中,(1). 康普顿效应作用过程,Ⅱ.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（γ）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 ：,,,,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,,,,除氢元素外，大多数材料具有相同的Z/A,,,,,(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°分布之间分布3). 反冲电子的角分布和能谱。