成像理論第二章03

第三節(jié)X線的衰減規(guī)律

一、距離引起的衰減從X線管焦點(diǎn)發(fā)出的X線向空間的各個(gè)方向輻射時(shí)，X線強(qiáng)度的衰減遵循平方反比法則，即在焦點(diǎn)為中心而半徑不同的各球面上的X線強(qiáng)度與距離的平方成反比的規(guī)律二、物質(zhì)引起的衰減規(guī)律當(dāng)X線通過(guò)物質(zhì)時(shí)，產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和相干散射等，在此過(guò)程中由于散射和吸收使X線強(qiáng)度衰減，這一衰減稱為物質(zhì)所致衰減。輻射通過(guò)物質(zhì)時(shí)的衰減規(guī)律：1、吸收物質(zhì)的性質(zhì)2、物質(zhì)厚度3、輻射自身的性質(zhì)X線在物質(zhì)中的衰減規(guī)律是X線攝像、透視、造影檢查、CT檢查、放射治療及屏蔽防護(hù)設(shè)計(jì)的依據(jù)（一）單能窄束X線的衰減規(guī)律1、單能窄束X線由相同能量光子組成的X線稱為單能線，它具有單一的波長(zhǎng)或頻率。窄束X線：指不包括散射成分的X射線束，通過(guò)物質(zhì)層后的X線光子，僅由未經(jīng)相互作用或未經(jīng)碰撞的原射線光子所組成。窄束不指幾何上細(xì)小，沒(méi)有散射光子就是窄束圖2-24窄束X線的裝置2、衰減規(guī)律（1）吸收體不存在時(shí)，記錄輻射強(qiáng)度I0（2）強(qiáng)度變化與吸收體厚度、原強(qiáng)度等的關(guān)系:（2-35）μ線性衰減系數(shù)，物理意義X線穿過(guò)單位厚度的物質(zhì)層時(shí)，其強(qiáng)度減少的百分?jǐn)?shù)，單位/m。μ的性質(zhì)（1）隨輻射束中光子能量的增加而減小（2）近似正比于吸收物質(zhì)的密度ρ，ρ與物質(zhì)物理狀態(tài)有關(guān)將（2-35）式積分，即單能窄束X線的指數(shù)衰減規(guī)律：（2-38）式中，I0、I分別是X線入射到物體表面時(shí)強(qiáng)度和透過(guò)厚度為x的物體的強(qiáng)度；x為吸收物質(zhì)的厚度。將（2-35）式變換Δxρ表示面積為1平方米，厚度為Δxm的體積所包含物質(zhì)層的質(zhì)量，稱為質(zhì)量厚度，單位

面密度

稱為質(zhì)量衰減系數(shù)，表示X線在穿過(guò)質(zhì)量厚度為1的物質(zhì)層后X線強(qiáng)度減少的分?jǐn)?shù)值，單位與物質(zhì)的密度和物理狀態(tài)無(wú)關(guān)，與波長(zhǎng)、吸收物質(zhì)原子序數(shù)關(guān)系：式（2-38）可表示為：Xm表示質(zhì)量厚度只適用于窄束單能輻射例如水、冰和水蒸汽，雖然它們的密度和物理狀態(tài)不同，但它們的質(zhì)量衰減系數(shù)都一樣，質(zhì)量厚度為lkg·m-2”的水、冰和水汽對(duì)X線都有同等量的衰減。圖2-25a表示單能窄束X線強(qiáng)度隨吸收體厚度增加按指數(shù)衰減；圖2-25b半對(duì)數(shù)坐標(biāo)，射線強(qiáng)度與吸收厚度關(guān)系為直線，直線斜率就是μ單能窄束X線通過(guò)物質(zhì)時(shí)只有光子數(shù)減少，無(wú)光子能量變化線性衰減系數(shù)μ就是入射光子在物質(zhì)中穿行單位距離時(shí)，平均發(fā)生總的相互作用的概率，μ是各種線性衰減系數(shù)總和總質(zhì)量衰減系數(shù):在X線屏蔽計(jì)算中要有線性衰減系數(shù)和質(zhì)量衰減系數(shù)（二）寬束X線的衰減規(guī)律1、衰減規(guī)律寬束X線是含有散射線成分的X線束。實(shí)際中,X線大多為寬束，真正窄束情況極少圖2-24中除去兩個(gè)準(zhǔn)直器，在吸收體中發(fā)生散射的光子，可能穿過(guò)屏蔽層到達(dá)探測(cè)器，這便是寬束的情況。寬束與窄束的區(qū)別：寬束與窄束的主要區(qū)別就在于散射的影響。（1）窄束把散射光子當(dāng)作被物體吸收的光子處理，因?yàn)樯⑸涔庾硬荒艿竭_(dá)探測(cè)器（2）寬束情況下，吸收體中產(chǎn)生的散射光子經(jīng)一次或多次散射仍可到達(dá)探測(cè)器而被記錄窄束衰減規(guī)律處理寬束問(wèn)題窄束的質(zhì)量衰減系數(shù)將高估吸收體的衰減能力，對(duì)屏蔽是不安全的。質(zhì)能吸收系數(shù)是計(jì)算光子能量被吸收體真正吸收的概率，用它代替質(zhì)量衰減系數(shù)計(jì)算寬束的衰減，對(duì)防護(hù)是安全的質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)在X線與物質(zhì)的三個(gè)主要作用過(guò)程中，X線光子能量都有一部分轉(zhuǎn)化為電子(光電子、反沖電子及正負(fù)電子對(duì))的動(dòng)能，而另一部分則被一些次級(jí)光子(特征X線光子、康普頓散射光子及湮滅輻射光子)所帶走，這就是說(shuō)，總的衰減系數(shù)μ可以表示為兩部分的和，即：μ=μtr+μp

式中，μtr為X線光子能量的電子轉(zhuǎn)移部分；μp為X線光子能量的輻射轉(zhuǎn)移部分。對(duì)于輻射劑量學(xué)而言，重要的是確定X線能量的電子轉(zhuǎn)移部分，最后在物質(zhì)中被吸收的就是來(lái)自這一部分能量。X線能量的電子轉(zhuǎn)移部分，等于：μtr=τa+σa+ka(2-43)其中，μtr稱為線性能量轉(zhuǎn)移系數(shù)，表示X線光子在物質(zhì)中穿行單位長(zhǎng)度距離時(shí)，由于各種相互作用，其能量轉(zhuǎn)移給電子的份額。μtr的SI單位是m-1。τa、σa、ka分別為光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)過(guò)程中光子能量轉(zhuǎn)移為電子能量的線能量轉(zhuǎn)移系數(shù)。同樣，可得相應(yīng)的質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)為：

(2-44)質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)表示X線在物質(zhì)中穿行質(zhì)量厚度為kg·m-2時(shí)，因相互作用其能量轉(zhuǎn)移給電子的份額。μtr/ρ的SI單位是m2·kg-1。質(zhì)能吸收系數(shù)光子在與物質(zhì)相互作用過(guò)程中轉(zhuǎn)移給次級(jí)電子的能量，有一部分通過(guò)韌致射損失掉了，真正被物質(zhì)所吸收的能量應(yīng)等于光子轉(zhuǎn)移給次級(jí)電子的能量減去因軔致輻射而損失的能量。用g表示能量變?yōu)檐愔螺椛涞姆蓊~，則：μen=μtr(1－g)(2-45)表示X線光子能量真正被物質(zhì)吸收的份額。式中μen稱為線性能量吸收系數(shù)，它表示X線在物質(zhì)中穿行單位長(zhǎng)度時(shí)，其能量真正被物質(zhì)吸收的份額。μen/ρ叫做質(zhì)能吸收系數(shù)，它的SI單位同樣是m2．kg-1。線性衰減系數(shù)μ

表示X線在穿過(guò)單位厚度的物質(zhì)層時(shí)，其強(qiáng)度減少的百分?jǐn)?shù)值。線性衰減系數(shù)μ的SI單位是m-1質(zhì)量衰減系數(shù)μm

μ/ρ，表示X線在穿過(guò)質(zhì)量厚度為1kg.m-2的物質(zhì)層后X線強(qiáng)度減少的分?jǐn)?shù)值。SI單位是“m2.kg-1”線性能量轉(zhuǎn)移系數(shù)μtr表示X線光子在物質(zhì)中穿行單位長(zhǎng)度距離時(shí)，由于各種相互作用，其能量轉(zhuǎn)移給電子的份額。μtr的SI單位是m-1質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)表示X線在物質(zhì)中穿行質(zhì)量厚度為kg·m-2時(shí)，因相互作用其能量轉(zhuǎn)移給電子的份額。μtr/ρ的SI單位是m2·kg-1質(zhì)能吸收系數(shù)μen/ρ叫做質(zhì)能吸收系數(shù)，它的SI單位同樣是m2．kg-1，表示X線在物質(zhì)中穿行單位長(zhǎng)度時(shí)，其能量真正被物質(zhì)吸收的份額。寬束的衰減規(guī)律比較復(fù)雜，在圖2-25b并不是直線，而出現(xiàn)彎曲?？稍谡闹笖?shù)衰減規(guī)律上加積累因子B2、積累因子B積累因子是描述散射光子影響的物理量，反應(yīng)了寬束與窄束的差別。B表示物質(zhì)中一點(diǎn)的光子總計(jì)數(shù)率與未經(jīng)碰撞的原射線光子計(jì)數(shù)率之比（2-43）為物質(zhì)中所考慮的未經(jīng)碰撞的原射線光子的計(jì)數(shù)率，為在物質(zhì)中散射光子的計(jì)數(shù)率，物理意義：其大小反應(yīng)了散射光子數(shù)對(duì)總光子數(shù)的貢獻(xiàn)寬束B>1;，窄束B=1(三)連續(xù)X線的衰減1、衰減特點(diǎn)窄束和寬束的衰減規(guī)律只是對(duì)單能X線而言；連續(xù)能譜X線束是波長(zhǎng)從某一最小值到某一最大值的各種能量光子組成的混合射線連續(xù)X線穿過(guò)一定厚度的物質(zhì)層時(shí)，各能譜成分的衰減速率并不一樣，它不遵守單一的指數(shù)衰減規(guī)律理論上，描述連續(xù)能譜窄束X線的衰減連續(xù)X線通過(guò)物質(zhì)層時(shí)，其量和質(zhì)都變化變化規(guī)律：強(qiáng)度變小，硬度變大（質(zhì)提高）這個(gè)規(guī)律就是X線透過(guò)物體的硬化。物體對(duì)低能X線的線性吸收系數(shù)大，對(duì)高能X線的線性吸收系數(shù)小些討論：隨吸收厚度增加，強(qiáng)度變化規(guī)律？能譜變化規(guī)律？隨著吸收物體厚度的增加，X線強(qiáng)度不斷衰減，而能譜不斷變化。低能成份衰減的快；越到后來(lái)高能成份越多，能譜變窄——X線平均能量越來(lái)越高管電壓的峰值決定了X線束的最大光子能量，因此重復(fù)濾過(guò)X線束，其平均能量只能越加趨近于管電壓對(duì)應(yīng)的最大值?？梢?，X線管的激發(fā)電壓和窗口處的濾過(guò)條件，決定X線管所發(fā)射X線束線質(zhì)的重要條件2、X線濾過(guò)診斷用X線：連續(xù)能譜的混合射線，低能X線被皮膚和淺表組織吸收，透不過(guò)人體，對(duì)診斷不起作用，卻大大增加被檢查者的皮膚照射量。目的：獲得最佳的圖像質(zhì)量、保護(hù)被檢查者方法：在X線管窗口處放置均勻厚度的金屬片