1 / 54

Радиационная защита в диагностике и интервенционной радиологии

Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии. Радиационная защита в диагностике и интервенционной радиологии . Л 5: Взаимодействие излучения с веществом. Темы. Введение в структуру атома Величины и единицы измерения

barr
Download Presentation

Радиационная защита в диагностике и интервенционной радиологии

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии Радиационная защита в диагностикеи интервенционной радиологии Л5: Взаимодействие излучения с веществом

  2. 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 5: Взаимодействие излучения с веществом

  3. Обзор • Ознакомление с основами радиационной физики и процессом формирования рентгеновского изображения 5: Взаимодействие излучения с веществом

  4. Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом Тема 1: Введение в структуру атома

  5. Спектр электромагнитного излучения E КэВ 1.5 0.12 keV 1 10 102 103 3 eV 104 Рентгеновское и гамма-излучение ИК УФ вид. свет 100 10 1 0.1 0.01 4000 0.001 8000  Ангстрем ИК: инфракрасное, УФ = ультрафиолетовое 5: Взаимодействие излучения с веществом

  6. Структура атома • Структура ядра • Протоны и нейтроны = нуклоны • Z - числопротонов с положительным электрическим зарядом • (1,6 10-19Кл) • 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 5: Взаимодействие излучения с веществом

  7. Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом Тема 2: Величины и единицы измерений

  8. 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 5: Взаимодействие излучения с веществом

  9. Величины и единицы измерения • Электрон-Вольт [эВ]: 1,603 10-19Дж • 1 кэВ = 103эВ • 1 мэВ = 106эВ • Эл. заряд электрона: 1,6 10-19Кл • Масса протона: 1,672 10-27кг 5: Взаимодействие излучения с веществом

  10. Характеристики атома A, Z и связанные величины • ВодородA = 1 Z = 1 EK= 13,6 эВ • УглеродA = 12 Z = 6 EK= 283 эВ • ФосфорA = 31 Z = 15 EK= 2,1 кэВ • ВольфрамA = 183 Z = 74 EK= 69,5 кэВ • УранA = 238 Z = 92 EK= 115,6 кэВ 5: Взаимодействие излучения с веществом

  11. Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом Тема 3: Генерирование тормозного излучения

  12. 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. 5: Взаимодействие излучения с веществом

  13. N N Спектр тормозного излучения E E n(E) n1E1 n2E2 n1 n3E3 n2 n3 Emax E1 E1 E2 E2 E3 E3 Электроны бомбардируют ядро 5: Взаимодействие излучения с веществом

  14. Взаимодействие электронов с ядром (II) • С материалами, имеющими высокий атомный номер • потери энергии больше • Энергия теряется при тормозном излучении • > 99% кинетическойэнергии переходит в тепло. Потери увеличиваются при увеличении энергии электронов • Рентгеновское излучение в основном является тормозным 5: Взаимодействие излучения с веществом

  15. 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 5: Взаимодействие излучения с веществом

  16. Спектры тормозного излучения dN/dE (спектральная плотность) dN/dE E0 E E0 E При “тонкой” мишени При “толстой” мишени E0= энергия электронов, E = энергия эммитир. фотонов 5: Взаимодействие излучения с веществом

  17. 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 Тормозное излучение после филь-трации E Тормозное излучение кэВ кэВ 50 100 150 200 5: Взаимодействие излучения с веществом

  18. Ионизация и перенос связанной с ней энергии • Пример: электроны в воде • энергия ионизации: 16 эВдля 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 5: Взаимодействие излучения с веществом

  19. Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом Тема 4: Характеристическое рентгеновское излучение

  20. Спектральное распределение характеристического излучения (I) • Генерируется при выбивании электрона в основ-ном с К уровня (или L, M,…) при ионизации • Электроныс 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 5: Взаимодействие излучения с веществом

  21. Спектральное распределение характеристического излучения (II) Энергия (эВ) K1 100 80 60 40 20 - 20 - 70 - 590 - 2800 - 11000 - 69510 6 5 4 3 2 0 P O K2 N K1 M L L L K2 L K 0 10 20 30 40 50 60 70 80 (кэВ) 5: Взаимодействие излучения с веществом

  22. Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом Тема 5: Первичная и вторичная ионизация

  23. 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 элек-трона, тем больше энергии передано • Фотоны тормозного излучения в основном обладают ма-лой энергией • Столкновения (и ионизация в результате) являются глав-ными источниками потерь энергии, за исключением частиц с высокими энергиями и материалов с высоким Z 5: Взаимодействие излучения с веществом

  24. 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] 5: Взаимодействие излучения с веществом

  25. Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом Тема 6: Фотоэлектрический эффект и комптоновское рассеяние

  26. Фотоэлектрический эффект • Падающий фотон с энергиейh •  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 5: Взаимодействие излучения с веществом

  27. Факторы, влияющие на фотоэлект-рический эффект • Энергия фотона (h) > энергии связи электронаEB • Вероятность взаимодействия уменьшается при увеличении h • Наибольший эффект достигается при малых энергиях фотонов • Вероятность взаимодействия растёт пропорцио-нально Z3 (Z: атомный номер) • Материалы с высоким Z хорошо поглощают рентгеновское излучение 5: Взаимодействие излучения с веществом

  28. 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 воз-растании h 5: Взаимодействие излучения с веществом

  29. 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. ослабленияпочтине зависит от Z • он пропорционален плотности электронов в материале • слабо изменяется при увеличении атомного номера (Z) 5: Взаимодействие излучения с веществом

  30. 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

  31. Закон экпоненциального ослабле-ния 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 5: Взаимодействие излучения с веществом

  32. 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) 5: Взаимодействие излучения с веществом

  33. 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 конструиро-вании фильтров Излучение становится более жёстким 5: Взаимодействие излучения с веществом

  34. 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 • СПОзависит от материала и энергии фотонов • СПОхарактеризует качество излучения • фильтрафия изменяет качество излучения • СПО (после фильтра)  СПО (перед фильтром) 5: Взаимодействие излучения с веществом

  35. Взаимодействие фотонов с материей Рассеянные фотоны Эффект Комптона Вторичные фотоны Фотоны флюоресценции Характеристическое излучение Фотоны аннигиляции Падающие фотоны Не взаимодействующие фотоны Электроны отдачи Вторичные электроны Фотоэлектроны (Фотоэлектрический эфф.) Электронные пары E > 1,02 мэВ (упрощённое представление) 5: Взаимодействие излучения с веществом

  36. 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 веществаувеличиваютфотоэл. поглощение высокий Z (Барий 56, йод 53) • использование фотоэлектрического поглощения в радиационной защите пример: свинец (Z = 82) для фотонов (E > 0,5 мэВ) 5: Взаимодействие излучения с веществом

  37. Учебный материал МАГАТЭ по радиационной защите в диагностике и интервенционной радиологии Часть 5: Взаимодействие излучения с веществом Тема 8: Принципы формирования рентгеновского изображения

  38. Прохождение и ослабление рентге-новских лучей в теле человека Ослабление рентгеновских лучей: • воздух: незначительное • кость: значительноеиз-за относительно высокой плотности (также атомной массы Ca) • мягкая ткань (например,мышцы,.. ): близкок воде • жировая ткань: меньше,чем в воде • лёгкие: слабоеиз-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) 5: Взаимодействие излучения с веществом

  39. 60 кВ - 50 мАс 70 кВ - 50 мАс 80 кВ- 50 мАс Прохождение рентгеновских лучей через человеческую ткань 5: Взаимодействие излучения с веществом

  40. Прохождение рентгеновских лучей через человеческую ткань Улучшение контраста изображения (лёгкие) 5: Взаимодействие излучения с веществом

  41. Прохождение рентгеновских лучей через человеческую ткань Улучшение контраста изображения (кость) 5: Взаимодействие излучения с веществом

  42. Прохождение рентгеновских лучей через человеческую ткань 70 кВ - 25 мАс 70 кВ - 50 мАс 70 кВ - 80 мАс 5: Взаимодействие излучения с веществом

  43. Прохождение рентгеновских лучей через человеческую ткань 5: Взаимодействие излучения с веществом

  44. Прохождение рентгеновских лучей через человеческую ткань 5: Взаимодействие излучения с веществом

  45. 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. 5: Взаимодействие излучения с веществом

  46. Характеристики поглощения излуче-ния йодом, барием и мягкой тканью 100 Йод 10 Барий Коэф. ослабления рентг. излучения (cм2г-1) Мягкая ткань 1 (кэВ) 0.1 20 30 40 50 60 70 80 90 100 5: Взаимодействие излучения с веществом

  47. 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) • Фотоэлектрическийэффектпреобладает •  вносит основной вклад в формиро-вание изображений на рентгеновской плёнке 5: Взаимодействие излучения с веществом

  48. 10 1.0 Всего Коэф. Ослабления рентг. излучения (cм2г-1) 0.1 Комптон. + упругое рассеяние. Фотоэлектр.поглощение (кэВ) 0.01 20 40 60 80 100 120 140 Вклад фотоэлектрического поглощения и комптоновско-го рассеяния в ослабление излучения в воде (мышцах) 5: Взаимодействие излучения с веществом

  49. 10 1.0 Всего Коэф. Ослабления рентг. излучения (cм2г-1) 0.1 Комптон. + упругое рассеяние. Фотоэлектр.поглощение (кэВ) 0.01 20 40 60 80 100 120 140 Вклад фотоэлектрического поглощения и комптоновско-го рассеяния в ослабление излучения в костях 5: Взаимодействие излучения с веществом

  50. Проникновение рентгеновского излучения в человеческую ткань • Более высокий kVp уменьшаетфотоэлектрический эффект • Уменьшается контраст изображения • Структура костей и лёгких может просматриваться одновременно • Примечание: полости тела могут быть визуализированы с помощью применения контрастных веществ: йода, бария 5: Взаимодействие излучения с веществом

More Related