05. Взаимодействие излучения с веществом

реклама
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Радиационная защита
в диагностике
и интервенционной радиологии
Л5: Взаимодействие излучения с веществом
IAEA
International Atomic Energy Agency
Темы
•
•
•
•
•
•
Введение в структуру атома
Величины и единицы измерения
Генерирование тормозного излучения
Характеристическое рентгеновское излучение
Первичная и вторичная ионизация
Фотоэлектрический эффект и комптоновское
рассеяние
• Ослабление луча и слой половинного ослабле• ния
• Принципы формирования рентгеновского
изображения
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
2
Обзор
• Ознакомление с основами радиационной
физики и процессом формирования
рентгеновского изображения
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
3
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 5: Взаимодействие излучения с
веществом
Тема 1: Введение в структуру атома
IAEA
International Atomic Energy Agency
Спектр электромагнитного излучения
E
1.5
0.12 keV 1
3 eV
ИК вид.
10
102
КэВ
103
104
Рентгеновское и гамма-излучение
УФ
свет
8000 4000
100
10
1

0.1
0.01 0.001
Ангстрем
ИК: инфракрасное, УФ = ультрафиолетовое
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
5
Структура атома
• Структура ядра
• Протоны и нейтроны = нуклоны
• Z - число протонов с положительным
электрическим зарядом
• (1,6 10-19 Кл)
• Нейтроны без заряда (нейтральные)
• Число нуклонов = атомный номер A
• Структура вне ядра
• электроны (лёгкие частицы с
отрицательным электрическим
зарядом, равным заряду протона)
• В обычном состоянии атом
электрически нейтрален
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
6
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 5: Взаимодействие излучения с
веществом
Тема 2: Величины и единицы измерений
IAEA
International Atomic Energy Agency
Основные единицы измерений в
физике (система SI)
•
•
•
•
•
Время: 1 секунда [с]
Длина: метр [м]
Масса: 1 килограмм [кг]
Энергия: 1 Джоуль [Дж]
Электрический заряд: 1 Кулон
[Кл]
• Другие величины и единицы
• Мощность: 1 Ватт [Вт] (1 Дж/с)
• 1 мАс = 0,001 Кл
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
8
Величины и единицы измерения
• Электрон-Вольт [эВ]:
•
•
•
•
1,603 10-19 Дж
1 кэВ = 103 эВ
1 мэВ = 106 эВ
Эл. заряд электрона:
1,6 10-19 Кл
Масса протона: 1,672
10-27кг
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
9
Характеристики атома
A, Z и связанные величины
•
•
•
•
•
Водород
A=1
Z=1
EK= 13,6 эВ
Углерод
A = 12
Z=6
EK= 283 эВ
Фосфор
A = 31
Z = 15
EK= 2,1 кэВ
Вольфрам A = 183
Z = 74
EK= 69,5 кэВ
Уран
Z = 92
EK= 115,6 кэВ
IAEA
A = 238
5: Взаимодействие излучения с веществом
10
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 5: Взаимодействие излучения с
веществом
Тема 3: Генерирование тормозного излучения
IAEA
International Atomic Energy Agency
Взаимодействие электронов с
ядром (I)
• Тормозное излучение:
• Излучение энергии (E) электронами
при замедлении их движения во
время проникновения в материал
•  замедление скорости электронов
при взаимодействии с электрическим
полем ядра
•  эмиттируются фотоны (излучение)
с энергией Е.
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
12
Электроны бомбардируют ядро
N
N
Спектр тормозного
излучения
E
E
n(E)
n1E1
n2E2
n3E3
n1
n2
n3
E1
E2
IAEA
Emax
E1
E3
E2
E3
5: Взаимодействие излучения с веществом
13
Взаимодействие электронов с
ядром (II)
• С материалами, имеющими высокий атомный
номер
• потери энергии больше
• Энергия теряется при тормозном излучении
• > 99% кинетической энергии переходит в тепло.
Потери увеличиваются при увеличении энергии
электронов
• Рентгеновское излучение в основном является
тормозным
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
14
Непрерывный спектр тормозного
излучения
• Энергия (E) фотонов тормозного излучения
может принимать любые значения между
нулём и максимальной кинетической энергией
взаимодействующих электронов
• Количество фотонов является функцией
энергии и пропорционально 1/E
• Толстая мишень  непрерывный линейный
спектр
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
15
Спектры тормозного излучения
dN/dE (спектральная плотность)
dN/dE
E0 E
При “тонкой” мишени
E0
При “толстой” мишени E
E0= энергия электронов, E = энергия эммитир. фотонов
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
16
Энергия рентгеновского спектра
• Максимальная энергия фотонов тормозного изл.
• Кинетическая энергия падающих электронов
• В рентгеновских спектрах при диагностике:
• Макс. энергия = Энергия при пиковом напряжении на
ренгеновской трубке
E
Тормозное
излучение
после фильтрации
Тормозное
излучение
50 100 150 200
IAEA
кэВ
кэВ
5: Взаимодействие излучения с веществом
17
Ионизация и перенос связанной с
ней энергии
• Пример: электроны в воде
• энергия ионизации: 16 эВ для молекулы воды
• Другие типы передачи энергии, связанной с
ионизацией
• возбуждение (в каждом случае нужно только несколько
эВ)
• Перенос тепла (при ещё меньшей энергии)
• W = 32 эВ – средние потери при ионизации
• это характеристика материала
• не зависит от падающих частиц и их энергии
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
18
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 5: Взаимодействие излучения с
веществом
Тема 4: Характеристическое рентгеновское
излучение
IAEA
International Atomic Energy Agency
Спектральное распределение
характеристического излучения (I)
• Генерируется при выбивании электрона в основ•
•
•
•
ном с К уровня ( или L, M,…) при ионизации
Электроны с L или M уровней переходят на
вакантные места К уровня
Разность энергий излучается в виде фотона
Происходит последовательное перемещение
электронов между энергетическими уровнями
Энергия излучаемых фотонов является
характеристикой атома
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
20
Спектральное распределение
характеристического излучения (II)
Энергия
(эВ)
K1
100
- 20
- 70
- 590
- 2800
- 11000
- 69510
80
P
O
N
M
L
6
5
4
3
2
40
L L
20
K
0
IAEA
K2
60
0
K2
L
10 20
K1
30 40
5: Взаимодействие излучения с веществом
50 60
70 80
(кэВ)
21
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 5: Взаимодействие излучения с
веществом
Тема 5: Первичная и вторичная ионизация
IAEA
International Atomic Energy Agency
Тормозная способность
•
•
•
•
•
Потери энергии вдоль траектории из-за столкновений и
тормозного излучения
Линейная тормозная способность в материале
S = E / x [мэВ.см-1]
•
•
E: потери энергии
x: длина пути
Для отдалённых столкновений: чем ниже энергия электрона, тем больше энергии передано
Фотоны тормозного излучения в основном обладают малой энергией
Столкновения (и ионизация в результате) являются главными источниками потерь энергии, за исключением
частиц с высокими энергиями и материалов с высоким Z
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
23
Линейная передача энергии
• Биологическая эффективность
•
•
ионизирующего излучения
Линейная передача энергии (ЛПЭ):
количество энергии, переданной
материалу за единицу длины пути
частицы
Единица измерения: например,
[кэВ.м-1]
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
24
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 5: Взаимодействие излучения с
веществом
Тема 6: Фотоэлектрический эффект и
комптоновское рассеяние
IAEA
International Atomic Energy Agency
Фотоэлектрический эффект
•
•
•
•
•
Падающий фотон с энергией h
 вся энергия фотона поглощается прочно
связанными орбитальными электронами
•
•
выбивание электрона из атома
кинетическая энергия выбитого электрона: E = h - EB
Условия: h > EB (энергия связи электрона)
Отдача остатка атома
Коэффициент ослабления (или взаимодействия)
 Коэффициент фотоэлектрического поглощения
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
26
Факторы, влияющие на фотоэлектрический эффект
• Энергия фотона (h) > энергии связи электрона
•
•
•
•
EB
Вероятность взаимодействия уменьшается при
увеличении h
Наибольший эффект достигается при малых
энергиях фотонов
Вероятность взаимодействия растёт пропорционально Z3 (Z: атомный номер)
Материалы с высоким Z хорошо поглощают
рентгеновское излучение
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
27
Комптоновское рассеяние
• Взаимодействие между фотонами и электронами
• h = Ea + Es (энергия сохраняется)
• Ea: энергия передаётся атому
• Es: энергия рассеянного фотона
• Сохранение момента при угловом рассеянии
• При малой начальной энергии большая её часть
рассеивается
• например: Es > 80% (h) если h <1 кэВ
• Комптоновское рассеяние практически не зависит от
Z в диагностическом диапазоне
• Вероятность взаимодействия уменьшается при возрастании h
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
28
Комптоновское рассеяние и
плотность ткани
• Изменение эффекта Комптона в зависимости от:
• энергии (зависит от кВ рентг. трубки) и материала
• Меньшая E  комптоновское рассеяние  1/E
• Повышение E снижает угол отклонения фотонов
• Массовый коэф. ослабления почти не зависит от Z
• он пропорционален плотности электронов в материале
• слабо изменяется при увеличении атомного номера (Z)
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
29
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 5: Взаимодействие излучения с
веществом
Тема 7: Ослабление пучка излучения и слой
половинного ослабления
IAEA
International Atomic Energy Agency
Закон экпоненциального ослабления излучения (I)
•
Любое взаимодействие  изменение энергии и/или
направления фотонов
•
Учёт всех эффектов: Комптона, фотоэлектрического…
•
•
dI/I = -  dx
Ix = I0 exp (- x)
• I: число фотонов на единицу площади в секунду [с-1]
• : коэффициент линейного ослабления [м-1]
•  / [м2.кг -1]: коэф. массового ослабления
•  [кг.м-3]: плотность материала
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
31
Коэффициенты ослабления
Линейное ослабление зависит от:
• характеристик материала (плотность )
• Энергии пучка фотонного излучения
Массовый коэф. ослабления:  / [м2кг-1]
•
•
 / одинаковый для воды и пара (разный )
 / похожий для воздуха и воды (разный µ)
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
32
Ослабление неоднородного луча
• Различные энергии  Не получается
экпоненциального ослабления
• Постепенное уменьшение числа фотонов при
прохождении пучка через материал
• Низкоэнергетическое излучение поглощается
сильнее
• Этот эффект используется при конструировании фильтров
 Излучение становится более жёстким
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
33
Слой половинного ослабления
(СПО)
• СПО: толщина, уменьшающая интенсивность
•
•
•
•
•
•
•
излучения на 50%
Определение подходит для моноэнерг. пучка
Неоднородный пучок становится жёстче
I/I0 = 1/2 = exp (-µ СПО)
СПО = 0,693 / µ
СПО зависит от материала и энергии фотонов
СПО характеризует качество излучения
фильтрафия изменяет качество излучения
СПО (после фильтра)  СПО (перед фильтром)
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
34
Взаимодействие фотонов с материей
Рассеянные фотоны
Эффект Комптона
Вторичные
фотоны
Фотоны флюоресценции
Характеристическое излучение
Падающие
фотоны
Фотоны
аннигиляции
Не взаимодействующие
Электроны
фотоны
отдачи
Вторичные
Фотоэлектроны
электроны
(Фотоэлектрический эфф.)
Электронные пары
E > 1,02 мэВ
IAEA
(упрощённое
представление)
5: Взаимодействие излучения с веществом
35
Зависимость от Z и энергии фотонов
• Z < 10  преобладание эффекта Комптона
• Более высокие Z увеличивают фотоэлектрический
эффект
• При низких E фотоэлектрический эффект проявляется при
взаимодействии с костями больше, чем с мягкой тканью
• (полное поглощение фотонов)
• контрастные вещества увеличивают фотоэл.
поглощение
высокий Z (Барий 56, йод 53)
• использование фотоэлектрического поглощения в
радиационной защите
пример: свинец (Z = 82) для фотонов (E > 0,5 мэВ)
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
36
Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной
радиологии
Часть 5: Взаимодействие излучения с
веществом
Тема 8: Принципы формирования
рентгеновского изображения
IAEA
International Atomic Energy Agency
Прохождение и ослабление рентгеновских лучей в теле человека
Ослабление рентгеновских лучей:
• воздух:
незначительное
• кость:
значительное из-за относительно высокой
плотности (также атомной массы Ca)
• мягкая ткань (например, мышцы,.. ): близко к воде
• жировая ткань: меньше,чем в воде
• лёгкие:
слабое из-за низкой плотности
• Структура лёгких лучше видна за костями при высоких kVp
(пониженный фотоэлектрический эффект)
• Полостные органы лучше просматриваются при использовании
контрастных веществ (йода, бария)
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
38
Прохождение рентгеновских лучей
через человеческую ткань
60 кВ - 50 мАс
IAEA
70 кВ - 50 мАс
80 кВ- 50 мАс
5: Взаимодействие излучения с веществом
39
Прохождение рентгеновских лучей
через человеческую ткань
Улучшение контраста изображения (лёгкие)
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
40
Прохождение рентгеновских лучей
через человеческую ткань
Улучшение контраста изображения (кость)
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
41
Прохождение рентгеновских лучей
через человеческую ткань
70 кВ - 25 мАс
IAEA
70 кВ - 50 мАс
70 кВ - 80 мАс
5: Взаимодействие излучения с веществом
42
Прохождение рентгеновских лучей
через человеческую ткань
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
43
Прохождение рентгеновских лучей
через человеческую ткань
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
44
Цель применения контрастных
материалов
• Сделать видимой мягкую ткань, которая
обычно прозрачна для рентгеновских лучей
• Повысить контраст отдельных органов
• Улучшить качество изображения
• Основные используемые вещества
• Барий: органы брюшной полости
• Йод: урография, ангиография и т.д.
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
45
Характеристики поглощения излучения йодом, барием и мягкой тканью
Коэф. ослабления рентг. излучения (cм2г-1)
100
10
1
0.1
IAEA
(кэВ)
20
30
40
50 60 70 80 90 100
5: Взаимодействие излучения с веществом
46
Фотоэлектрическое поглощение и
рентгеновское изображение
• В мягкой или жировой тканях( близких по
плотности к воде) и в воде при низких
энергиях (E< 25 - 30 кэВ)
• Фотоэлектрический эффект преобладает
•  вносит основной вклад в формирование изображений на рентгеновской
плёнке
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
47
Коэф. Ослабления рентг. излучения (cм2 г-1)
Вклад фотоэлектрического поглощения и комптоновского рассеяния в ослабление излучения в воде (мышцах)
10
1.0
Всего
0.1
Комптон. + упругое рассеяние.
Фотоэлектр.поглощение
0.01
20
IAEA
40
60
80
100
120
5: Взаимодействие излучения с веществом
(кэВ)
140
48
Коэф. Ослабления рентг. излучения (cм2 г-1)
Вклад фотоэлектрического поглощения и комптоновского рассеяния в ослабление излучения в костях
10
1.0
Всего
0.1
0.01
IAEA
Комптон. + упругое рассеяние.
Фотоэлектр.поглощение
20
40
60
80
100
120
5: Взаимодействие излучения с веществом
(кэВ)
140
49
Проникновение рентгеновского
излучения в человеческую ткань
• Более высокий kVp уменьшает
фотоэлектрический эффект
• Уменьшается контраст
изображения
• Структура костей и лёгких может
просматриваться одновременно
Примечание: полости тела могут
быть визуализированы с помощью
применения контрастных веществ:
йода, бария
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
50
Влияние комптоновского рассеяния
Влияние рассеянного излучения на:
• качество изображения
• поглощение энергии в теле пациента
• поле рассеянного излучения в
помещении
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
51
Резюме
• Элементарные частицы, образующие ядро и
оболочку атома, могут быть представлены
схематически.
• Существуют различные типы взаимодействий фотонов и электронов с веществом
• Тормозное и характеристическое
ренгеновское излучение представляют собой
две разных формы его генерации, которые
вносят вклад в процесс формирования
изображения.
• Фотоэлектрический и Комптон эффекты существенно влияют на качество изображения.
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
52
Где получить информацию (1)
• Part 2: Lecture on “Radiation quantities and Units”
• Attix FH. Introduction to radiological physics and
radiation dosimetry. New York, NY: John Wiley &
Sons, 1986. 607 pp. ISBN 0-47101-146-0.
• Johns HE, Cunningham JR. Solution to selected
problems form the physics of radiology 4th edition.
Springfield, IL: Charles C. Thomas, 1991.
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
53
Где получить информацию (2)
• Wahlstrom B. Understanding Radiation.
Madison, WI: Medical Physics Publishing,
1995. ISBN 0-944838-62-6.
• Evans RD. The atomic nucleus. Malabar,
FL: R.E. Kriege, 1982 (originally 1955) ISBN
0-89874-414-8.
IAEA
5: Взаимодействие излучения с веществом
54
Скачать