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線管焦點發(fā)出的X線向空間的各個方向輻射時，X線強度的衰減遵循平方反比法則，即在焦點為中心而半徑不同的各球面上的X線強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線通過物質(zhì)時，產(chǎn)生光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)和相干散射等，在此過程中由于散射和吸收使X線強度衰減，這一衰減稱為物質(zhì)所致衰減。輻射通過物質(zhì)時的衰減規(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設(shè)計的依據(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，它具有單一的波長或頻率。窄束X線：指不包括散射成分的X射線束，通過物質(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。窄束不指幾何上細小，沒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，記錄輻射強度I0（2）強度變化與吸收體厚度、原強度等的關(guān)系:（2-35）μ線性衰減系數(shù)，物理意義X線穿過單位厚度的物質(zhì)層時，其強度減少的百分?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?。?）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強度和透過厚度為x的物體的強度；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線在穿過質(zhì)量厚度為1的物質(zhì)層后X線強度減少的分?jǐn)?shù)值，單位與物質(zhì)的密度和物理狀態(tài)無關(guān)，與波長、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X線都有同等量的衰減。圖2-25a表示單能窄束X線強度隨吸收體厚度增加按指數(shù)衰減；圖2-25b半對數(shù)坐標(biāo)，射線強度與吸收厚度關(guān)系為直線，直線斜率就是μ單能窄束X線通過物質(zhì)時只有光子數(shù)減少，無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，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中除去兩個準(zhǔn)直器，在吸收體中發(fā)生散射的光子，可能穿過屏蔽層到達探測器，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，因為散射光子不能到達探測器（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探測器而被記錄窄束衰減規(guī)律處理寬束問題窄束的質(zhì)量衰減系數(shù)將高估吸收體的衰減能力，對屏蔽是不安全的。質(zhì)能吸收系數(shù)是計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)計算寬束的衰減，對防護是安全的質(zhì)能轉(zhuǎn)移系數(shù)在X線與物質(zhì)的三個主要作用過程中，X線光子能量都有一部分轉(zhuǎn)化為電子(光電子、反沖電子及正負電子對)的動能，而另一部分則被一些次級光子(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，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)中穿行單位長度距離時，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)和電子對效應(yīng)過程中光子能量轉(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，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)相互作用過程中轉(zhuǎn)移給次級電子的能量，有一部分通過韌致射損失掉了，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)中穿行單位長度時，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線在穿過單位厚度的物質(zhì)層時，其強度減少的百分?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線在穿過質(zhì)量厚度為1kg.m-2的物質(zhì)層后X線強度減少的分?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)中穿行單位長度距離時，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，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)中穿行單位長度時，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)中一點的光子總計數(shù)率與未經(jīng)碰撞的原射線光子計數(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數(shù)率，為在物質(zhì)中散射光子的計數(shù)率，物理意義：其大小反應(yīng)了散射光子數(shù)對總光子數(shù)的貢獻寬束B>1;，窄束B=1(三)連續(xù)X線的衰減1、衰減特點窄束和寬束的衰減規(guī)律只是對單能X線而言；連續(xù)能譜X線束是波長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線穿過一定厚度的物質(zhì)層時，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線通過物質(zhì)層時，其量和質(zhì)都變化變化規(guī)律：強度變小，硬度變大（質(zhì)提高）這個規(guī)律就是X線透過物體的硬化。物體對低能X線的線性吸收系數(shù)大，對高能X線的線性吸收系數(shù)小些討論：隨吸收厚度增加，強度變化規(guī)律？能譜變化規(guī)律？隨著吸收物體厚度的增加，X線強度不斷衰減，而能譜不斷變化。低能成份衰減的快；越到后來高能成份越多，能譜變窄——X線平均能量越來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X線束，其平均能量只能越加趨近于管電壓對應(yīng)的最大值?？梢?，X線管的激發(fā)電壓和窗口處的濾過條件，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，透不過人體，對診斷不起作用，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、保護被檢查者方法：在X線管窗口處放置均勻厚度的金屬片