放射物理学课件2

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（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。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（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。()coldEdl用()colS或1()coldEdl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：22222221()()4[ln](1)eeicolcoleizcSdErNedlIZerNeezIiicZ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。2222222(2)/8(2)ln21()()2[ln1]2()eeeecolcoleeeEEEESdErNedlIE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：radS或()raddEdl质量辐射阻止本领：()radS1()raddEdl或描述辐射损失的两个物理量：关系式：222()radSzZNEm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γ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：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：S或1()dEdl对于电子，在常规的能量范围内：()()colradSSS对于重带电粒子，辐射损失可以忽略。()colSS二、几个基本概念()/()800radcolSSZEMeV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00(()/)/RtdNtdtdtN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（linearenergytransfer，LET）描述辐射品质的物理量。dELdlL高的辐射比低的辐射有着更高的生物效能。LL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Δ的历次碰撞所造成的能量损失。X特征射线：湮没辐射：核能级跃迁正电子湮没产生0.511EMeV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（γ）射线与物质的相互作用§2X（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：X（γ）射线带电粒子电离或激发不能直接引起物质原子电离或激发，而是通过所产生的次级电子引起物质原子的电离和激发能直接引起物质原子电离或激发损失能量一次相互作用可以损失其能量的大部分或全部通过连续碰撞逐渐损失能量射程没有射程这一概念，强度随穿透物质厚度近似呈指数衰减有确定的射程，在射程之外观察不到带电粒子二、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σ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。σ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cp2、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，用µ表示，单位m-1或cm-1。00nttIIeIeI0: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；n:靶物质单位体积的靶粒子数（窄束、单能）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，单位是m2/kg，或cm2/g。µ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（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。trtrEh质能转移系数1trtrdEENdl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（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。(1)entrg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0.693HVL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。1/lⅠ.光电效应(光子与原子内层电子作用）+ehν（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：eiEhvBiB为原子第i层电子的结合能，与原子