05. Взаимодействие излучения с веществом
advertisement
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) K1 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 K2 60 0 K2 L 10 20 K1 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
