【考点5】X线与物质的相互作用
相互作用形式：相干散射、光电效应、康普顿效应、电子对效应和光核反应五种。
1．相干散射qcy影像园XCTMR.com 2．光电效应 （1）光电效应的定义 X线与物质相互作用时，X线光子能量(hυ)全部给予了物质原子的壳层电子，获得能量的电子摆脱原子核的束缚成为自由电子(即光电子)。而X线光子本身则被物质的原子吸收，这一过程称为光电效应。 （2）光电效应的产物 光电效应，在摄影用X线能量范围内是和物质相互作用的主要形式之一。它是以光子击脱原子的内层轨道电子而发生。有如特征放射的发生过程。但又不完全一样，其主要差别是击脱电子的方式不同。光电效应可产生三种东西：特征放射、光电子(也叫负离子)和正离子(即缺少电子的原子)。 在产生光电效应的过程中，当一个光子在击脱电子时，其大部分能量是用于克服电子的结合能，多余能量作为被击脱电子(光电子、负离子)的动能。由于带电粒子穿透力很小，当这个电子进入空间后，很快就被吸收掉。失掉电子的原子轨道上的电子空位，很快就有电子来补充。这个电子经常是来自同原子的L层或M层轨道上的电子，有时也可来自其他原子的自由电子。在电子落入K层时放出能量，产生特性放射。但因其能量很低，在很近的距离内则又被吸收掉。例如，钙是人体内最高原子序数的元素，它的最大能量的特性光子也只有4kev。这样小的光子能量，从它的发生点几个毫米内即可被吸收。但必须注意，常用造影剂碘和钡，所产生的特性放射，会有足够的能量离开人体，而使胶片产生灰雾。 （3）光电效应产生的条件 ①光子能量与电子结合能，必须“接近相等”才容易产生光电效应。就是说，光子的能量要稍大于电子的结合能或等于电子的结合能。例如，碘的K层电子结合能为33.2 kev，若光子能量为33.0kev，就不能击脱该层电子。另一方面，一个有34kev能量的光子，又比一个具有100kev能量的光子更容易和碘K层电子发生作用。这就是说，光子能量的增加，反而会使光电作用的几率下降。实际上，光电效应大约和能量的三次方成反比。 在实际摄影中，我们通过调整管电压的数值就可以达到调制影像的目的。 ②轨道电子结合得越紧越容易产生光电效应。高原子序数元素比低原子序数元素的轨道电子结合的紧。在低原子序数元素中，光电效应都产生在K层，因为这一类元素只有K层电子结合的比较紧。对高原子序数的元素，光子能量不足以击脱它的K层电子，光电效应常发生在L层、M层，因为这两层轨道电子结合的都比较紧，容易产生光电效应。所以说，光电效应的几率，随原子序数的增高而很快增加。其发生几率和原子序数的三次方成正比。光电效应≈(原子序数)3。它说明摄影中的3个实际问题：不同密度物质的影像，所以能产生明显对比影像的原因；密度的变化可明显影响到摄影条件；要根据不同密度的物质，选择适当的射线能量。 （4）光电效应在X线摄影中的实际意义 ①光电效应不产生有效的散射，对胶片不产生灰雾。 ②光电效应可增加射线对比度。X线影像的对比，产生于不同组织的吸收差异，这种吸收差别愈大，则对比度愈高。因为，光电效应的几率和原子序数的三次方成正比。所以，光电效应可扩大不同元素所构成的组织的影像对比。例如，肌肉和脂肪间的对比度很小，如果选用低kVp摄影，就可以利用肌肉和脂肪在光电效应中所产生的较大吸收差别来获得影像。 ③光电效应中，因光子的能量全部被吸收，这就使患者接受的照射量比任何其他作用都多。为了减少对患者的照射，在适当的情况下，要采用高能量的射线。 3．康普顿效应 康普顿效应也称散射效应或康普顿散射。它是X线诊断能量范围内，X线与物质相互作用的另一种主要形式。当一个光子在击脱原子外层轨道上的电子时，入射光子就被偏转以新的方向散射出去，成为散射光子。而被击脱的电子从原子中以与入射光子方向呈φ角方向射出，成为反冲电子。其间X线光子的能量一部分作为反跳电子的动能，而绝大部分是作为光子散射。 一个光子被偏转以后，能保留多大能量，由它的原始能量和偏转的角度来决定。偏转的角度愈大，能量的损失就愈多。 散射光子的方向是任意的，光子的能量愈大，它的偏转角度就愈小。但是，低能量的光子，在散射效应中，向后散射的多。在X线摄影所用能量(40~150kVp)范围内，散射光子仍保留大部分能量，而只有很少的能量传给电子。 在摄影中所遇到的散射线，几乎都是来自这种散射。因为，散射吸收是光子和物质相互作用中的主要形式之一。所以，在实际工作中无法避免散射线的产生，而只能想办法消除或减少它的影响。 4．电子对效应与光核反应 电子对效应与光核反应，在诊断X线能量范围内不会产生。因为电子对效应产生所需要的光子能量是1.02MeV，而光核反应所需光子能量要求在7 MeV以上。所以，这两种作用形式对X线摄影无实际意义。 5．相互作用效应产生的几率 在诊断X线能量范围内，相干散射占5％，光电效应占70％，康普顿效应占25％。 ①对低能量射线和高原子序数的物质，光电效应是主要的，它不产生有效的散射，对胶片不产生灰雾，因而可产生高对比度的X线影像。但会增加被检者的X线接收剂量。 ②散射效应是X线和人体组织之间最常发生的一种作用，几乎所有散射线都是由此产生的。它可使影像质量下降，严重时可使我们看不到影像的存在。但它与光电效应相比可减少患者的照射量。 ③它们之间的相互比率将随能量、物质原子序数等因素的改变而变化。就人体而言，脂肪和肌肉的原子序数要低于骨骼。常用造影剂碘和钡属于高原子序数的元素。脂肪和肌肉除在很低的光子能量而外，散射作用是主要的；造影剂的原子序数高，以光电效应为主；骨骼的作用形式，在低能量的主要是光电作用，而在高能量时则变为散射作用是主要的。 总之，X线和物质的各种相互作用都有它的重要性，就X线摄影而言，各种作用的结果，都造成了X线强度的衰减，这是X线影像形成的基本因素。 自测题-23在X线诊断能量范围内，利用了X线与物质相互作用的形式是（ ） A．相干散射和光电效应 B．光电效应和康普顿效应 C．康普顿效应和电子对效应 D．电子对效应和光核反应 E．光核反应和相干散射 答：B 自测题-24关于X线与物质相互作用几率的解释，错误的是（ ） A．X线诊断能量范围内，光电效应占30％ B．对低能量射线和高原子序数物质相互作用时，光电效应为主 C．X线摄影中的散射线，几乎都是康普顿效应产生的 D．康普顿效应与光电效应的相互比率，常随能量而变化 E．脂肪、肌肉，除了在很低的光子能量(20～30kev)之外，康普顿散射作用是主要的。 答：A 自测题-25下列有关光电效应的叙述，错误的是（ ） A．诊断用X线与铅的相互作用形式，主要是光电效应 B．光电效应的结果是，入射光子能量的一部分以散射光子释放 C．光电效应可产生特征放射、光电子和正离子 D．光电效应中，X线光子能量全部给予了物质原子的壳层电子 E．光电效应以光子击脱原子的内层轨道电子而发生 答：B 自测题-26关于光电效应在X线摄影中的实际意义，错误的是（ ） A．光电效应不产生散射线 B．光电效应可扩大射线对比度 C．光电效应下患者接受的照射量小 D．光电效应下，不同组织密度能产生明显的影像对比 E．选用低kVp摄影，可以扩大脂肪与肌肉的影像对比。 答：C 【考点6】 X线的吸收与衰减 1．X线的吸收与衰减 X线强度在其传播过程中，将以与距离平方成反比的规律衰减。此即X线强度衰减的反平方法则（反平方法则：X线强度与距离的平方成反比）；反平方法则在X线管点焦点及X线在真空传播的条件下成立。严格地讲，X线在空气中传播会出现衰减，但是，这种因空气衰减的X线强度很微弱，在X线摄影中可以忽略不计。
X线除距离衰减外，还有物质导致的衰减。在诊断X线能量范围内，X线与物质相互作用形式主要是光电效应和康普顿效应。因此，X线强度由于吸收和散射而衰减。在光电效应下，X线光子被吸收；在康普顿效应下，X线光子被散射。X线与物质相互作用中的衰减，反应出来的是物质吸收X线能量的差异，这也正是X线影像形成的基础。 2．连续X线在物质中的衰减特点 （1）连续x线波长范围广，是一束包含各种能量光子的混合射线。连续X线最短波长决定于管电压，即λmin=1.24/kVp(nm)。最强波长等于1.2~1.5λmin。而它的平均能量的波长范围，则是2.5λmin。一般而言，平均光子能量是最高能量的1／3~1／2。如100kev的射线，平均能量约是40 kev。当然，由于过滤不同有所改变。 （2）X线通过物质之后，在质与量上都会有所改变。这是由于低能量光子比高能量光子更多地被吸收，使透过被照体后的射线平均能量提高。如此继续下去，通过物质之后的平均能量，将接近于它的最高能量。连续X线的这一衰减特点，可以用于通过改变X线管窗口过滤来调节X线束的线质。 （3）X线在通过被照体时，绝大部分能量被吸收，较少的能量透过。如何把这种衰减信号利用起来，将取决于有效地使用影像的转换介质。 （4）X线在物质中的衰减规律是进行屏蔽防护设计的依据。 3．X线的滤过 诊断用X线是一束连续能谱的混合射线。当X线透过人体时，绝大部分的低能射线被组织吸收，增加了皮肤照射量。为此，需要预先把X线束中的低能成分吸收掉，此即X线滤过。X线滤过包括固有滤过和附加滤过。 （1）固有滤过 指X线机本身的滤过，包括x线管的管壁、绝缘油层、窗口的滤过板。固有滤过一般用铝当量表示。即一定厚度的铝板和其他物质对X线具有同等量的衰减时，此铝板厚度称为滤过物质的铝当量。 （2）附加滤过 广义上讲，从X线管窗口至检查床之间，所通过材料的滤过总和为附加滤过。
在X线摄影中，附加滤过指X线管窗口到被检体之间，所附加的滤过板。一般对低能量射线采用铝滤过板；高能射线采用铜与铝的复合滤过板。使用时铜面朝向X线管。 4．X线在物质中的指数衰减规律 当X线强度为I，通过厚度为ΔX的吸收物质时，其衰减ΔI遵循下列公式 ΔI= -μIΔX 假设X= 0(厚度)，I=I0 (X线强度)，将上式加以积分后，可得公式 I= I0 e-μX I0 ：X线到达物体表面的强度，I：X线到达（穿过）厚度为X时的强度，X：吸收物质厚度(m)。此公式即为X线衰减的指数函数法则。此一法则成立的条件有两个，一是X线为单一能量射线；一是X线为窄束X线。所谓窄束X线是指不包括散射线的射线束，通过物质后的X线光子，仅由未经相互作用或者是说未经碰撞的原射线光子所组成的X线。 单能窄束X线与物质相互作用时，其衰减可由以下两种坐标形式描述： 在半对数的坐标中，X线强度的改变与吸收层厚度的关系变为直线，其直线的斜率就是线性衰减系数的μ值。 在普通坐标中，X线强度随吸收体厚度的增加而衰减的规律呈指数曲线。 单能窄束X线在通过物体时，只有X线光子数量的减少，而无能量的变化，其指数衰减规律是X线强度在物质层中都以相同的比率衰减。 然而，在X线诊断能量范围内的X线发生，不是单能窄束，而是宽束的混合射线。宽束与窄束X线的主要区别是，宽束考虑了散射的影响，它把散射光子当作被物质吸收的光子来处理。显然，若用窄束的衰减规律来处理宽束的问题是不恰当的，特别是对屏蔽防护的设计。 宽束的衰减与吸收物质种类和厚度、X线能量、X线源与探测器的几何学的配置等因素有关。 在此情况下，可在窄束的指数衰减规律的基础上，引入积累因子B加以修正。 I= BI0 e-μX 不同的辐射有不同的积累因子(也称积累系数)，如光子数积累因子、能量积累因子、吸收剂量积累因子及照射量积累因子等。 大体上讲，μX≤1时，按B≈1；μX >1时，按B≈μX计算。在射线防护的情况下，为增加其安全度，一般以B≈μX+1计算。 5．衰减系数 衰减系数有吸收系数和散射系数。它是线衰减系数、质量衰减系数、原子衰减系数和电子衰减系数的简称。 （1）线衰减系数 将X线透过物质的量以长度(m)为单位时，X线的衰减系数，称作线衰减系数，也即X线透过单位厚度(m)的物质层时，其强度减少的分数值。单位为m-1。 （2）质量衰减系数 将X线透过物质的量以质量厚度（千克·米-2）为单位时的x线衰减系数，称作质量衰减系数（μ/ ρ)，也即X线在透过质量厚度为1千克·米-2的物质层后，X线强度减少的分数值。单位为（m2／kg）。 质量衰减系数不受吸收物质的密度和物理状态的影响。它与X线的波长和吸收物质的原子序数有如下的近似关系： μm=Kλ3Z4 它说明了波长愈短，X线的衰减愈少，也即穿透力愈强；同时吸收物质的原子序数愈高，X线的衰减愈大。 （3）总衰减系数 总衰减系数即是光电衰减系数τ、相干散射衰减系数σt、康普顿衰减系数σc和电子对效应衰减系数χ的总和。 μ=τ+σt +σc +χ 若用物质密度ρ去除以上线衰减系数，则得到质量衰减系数。总质量衰减系数等于各相互作用过程的质量衰减系数之和。 μ/ρ =τ/ρ+σt /ρ+σc/ρ+χ/ρ 至于每一项在总衰减系数中所占的比例，则随光子能量和吸收物质的原子序数而变化。 （4）能量转移系数 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、反冲电子和正负电子对)的功能，另一部分则被一些次级光子(特性X线光子、康普顿散射光子及湮灭辐射光子)带走。如此总的衰减系数μ可以表示为上述两部分的总和，即 μ= μtr + μp μtr ：X线能量的电子转移部分；μp：X线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线光子能量的电子转移部分。因为，最后在物质中被吸收的正是这一部分能量。 6．影响X线衰减的因素 （1）射线能量和原子序数对衰减的影响 在X线诊断能量范围内，当X线能量增加时，光电作用的百分数下降。当原子序数提高时，则光电作用增加。对高原子序数的物质(如碘化钠)在整个X线诊断能量范围内主要是光电作用。作为水和骨骼，则随X线能量增加，康普顿散射占了主要地位。随着X线能量的增加，透过光子的百分数增加。对低原子序数的物质，当X线能量增加时，透过量增加，而衰减减少；对高原子序数物质，当X线能量增加时，透过量有可能下降。因为，当X线能量等于或稍大于吸收物质K层电子结合能时，光电作用的几率发生突变(表1-1-2)。 X线检查中使用的造影剂钡和碘，因为有很理想的K结合能，更多的光电作用发生在K层。所以，可产生更高的影像对比度。 （2）密度对衰减的影响 在一定厚度中，组织密度决定着电子的数量，也就决定了组织阻止射线的能力。组织密度对X线的衰减是直接关系，如果一种物质的密度加倍，则它对X线的衰减也加倍。 （3）每克电子数对衰减的影响 电子数多的物质比电子数少的更容易衰减射线。一定厚度的电子数决定于密度，也就是决定于cm3的电子数。这是临床放射学中影响X线衰减的主要因素。 7．X线诊断能量中的X线衰减 人体各组织对X线的衰减按骨、肌肉、脂肪、空气的顺序由大变小。这一差别即形成了X线影像的对比度。为了增加组织间的对比度，还可借用造影剂扩大X线的诊断范围。 在X线诊断能量范围内，如果把X线的总衰减作为100，在42kVp下，对肌肉来说光电作用的康普顿散射作用所占比例相同；在90kVp下，散射作用占90％；由于骨的原子序数高，其光电作用是肌肉的2倍，骨对X线的衰减，在73 kVp下光电作用与散射作用相同。对于密度差很小的软组织摄影，必须采用低电压技术，用以扩大光电作用所产生的对比度。 自测题-27下列概念与单位的组合，错误的是（ ） A．X线能量—kev B．半值层—mm C．直线减弱系数—m D．质量减弱系数—m2/kg E．波长—nm 答：C 自测题-28与影响X线减弱的因素无关的是（ ） A．X线能量 B．原子序数 C．密度 D．每克电子数 E．X线管灯丝温度 答：E 自测题-29吸收X射线能力最强的组织结构是 A．肌肉 B．脂肪 C．骨骼 D．肺组织 E．肝脏 答：C 自测题-30对X线在物质中的衰减，下面描述错误的是（ ） A．当X线穿过物体时，高原子序数的物质对X线有较强的衰减 B．当X线穿过物体时，密度大的物质对X线的衰减能力强 C．当X线穿过物体时，电子数目越多的物质更易使X线衰减 D．当X线穿过物体时，厚度大的物质对X线的衰减能力强 E．当X线穿过物体时，低原子序数的物质对X射线有较强的衰减 答：E 自测题-31 X线衰减的反平方法则是指（ ） A．X线强度与管电压的平方成反比 B．X线强度与距离的平方成反比 C．X线强度与管电流的平方成反比 D．X线强度与原子序数的平方成反比 E．X线强度与每克电子数的平方成反比 答：B 自测题-32 关于距离所致的X线衰减，错误的说法是（ ） A．X线在其传播时将按照反平方法则衰减 B．X线强度衰减的反平方法则是指X线强度与距离的平方成反比 C．反平方法则是在X线管点焦点、X线在真空中传播的条件下严格成立 D．X线在空气中传播时会出现因空气吸收所致的衰减 E．考虑到空气吸收所致的衰减，反平方法则在X线摄影中没有应用价值 答：E 自测题-33 下列不属于连续X线衰减特点的是（ ） A．通过物质以后，在质和量上都会有所改变 B．低能光子比高能光子更多地被吸收 C．透过被照体后的平均能量降低 D．通过物质之后的平均能量将接近于它的最高能量 E．改变X线管窗口的过滤可以调节X线束的线质 答：C 自测题-34 关于X线的滤过，错误的叙述是（ ） A．X线滤过是指预先把X线束中的低能成分吸收掉 B．X线滤过是为了减少高能射线对皮肤的照射量 C．X线滤过包括固有滤过和附加滤过 D．固有滤过包括X线管壁、绝缘油层、窗口 E．附加滤过是指从窗口到检查床之间X线通过的所有材料的滤过总和 答：B |
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