第一講放射物理基礎(chǔ)

第二篇腫瘤放射治療學(xué)的物理學(xué)根底第一講放射物理根底余健前言自1895年Roentgen發(fā)現(xiàn)X線和1897年Curie發(fā)現(xiàn)放射性同位素鐳，放療即開始用于治療各種惡性腫瘤。腫瘤放射物理學(xué)是以物理學(xué)的知識為根底，研究和解決與醫(yī)學(xué)治療有關(guān)的物理問題的醫(yī)學(xué)交叉學(xué)科。放射治療在腫瘤綜合治療中的地位“三精〞時(shí)代放射物理根底放射物理的根本知識物質(zhì)結(jié)構(gòu)放射性衰變計(jì)量學(xué)中的根本輻射量射線與物質(zhì)的相互作用電子與物質(zhì)的相互作用X〔γ〕射線與物質(zhì)的作用射線源的種類及照射方式臨床應(yīng)用的放射性核素常規(guī)遠(yuǎn)距離照射近距離照射重粒子治療物質(zhì)結(jié)構(gòu)原子是構(gòu)成物質(zhì)的根本單位原子由原子核和核外電子組成。原子核由質(zhì)子和中子組成，質(zhì)子帶正電，中子不帶電。電子帶負(fù)電，所帶電荷量e=1.602×10-19c任何原子的核外電子數(shù)稱為該原子的原子序數(shù)。由于原子是電中性的，核內(nèi)質(zhì)子數(shù)必等于核外電子數(shù)。具有確定質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的原子的總體稱為核素。原子序數(shù)相同而質(zhì)量數(shù)不同的核素，在元素周期表中處于同一位置，互稱同位素。原子結(jié)構(gòu)

量子力學(xué)，能很好地解釋原子現(xiàn)象。當(dāng)微觀粒子處于某一狀態(tài)時(shí)，它的力學(xué)量(如坐標(biāo)、動量、角動量、能量等)一般不具有確定的數(shù)值，而具有一系列可能值，每個可能值以一定的幾率出現(xiàn)。當(dāng)粒子所處的狀態(tài)確定時(shí)，力學(xué)量具有某一可能值的幾率也就完全確定。由量子力學(xué)導(dǎo)出的原子模型是電子位置隨機(jī)變化的電子云模型。原子模型物質(zhì)結(jié)構(gòu)原子核能級當(dāng)一個自由電子填充殼層時(shí)，會以發(fā)射一個光子的形式釋放能量，能量值的大小等于殼層能級能量的絕對值，這些能量稱為相應(yīng)殼層的結(jié)合能以鎢原子為例：由于K，L，M層能級的能量分別為-70000ev，-11000ev和-2500ev，因此K，L，M層電子的結(jié)合能分別是

70000ev，11000ev和2500ev特征輻射與俄歇電子當(dāng)電子獲得能量，從低能級躍遷到高能級而使低能級出現(xiàn)空位時(shí)，稱原子處于激發(fā)態(tài)處于激發(fā)態(tài)的原子很不穩(wěn)定，高能級電子會自發(fā)躍遷到低能級空位上而使原子回到基態(tài)。兩能級能量的差值一種可能是以電磁輻射的形式發(fā)出，這種電磁輻射稱為特征輻射。另一種可能是傳遞給外層電子，獲得能量的外層電子脫離原子束縛而成為自由電子，這種電子稱俄歇電子。特征輻射俄歇電子根本物理常數(shù)阿伏加德羅常數(shù)：NA=6.022×1023原子數(shù)／克-原子真空中的光速：C=299792458m/s(≈3×108m/s)根本電荷：e=1.602×10-19c電子靜止質(zhì)量：me-=0.5110Mev/c2質(zhì)子靜止質(zhì)量：mp=938.3Mev/c2中子靜止質(zhì)量：mn=939.6Mev/c2原子質(zhì)量單位：u=931.5Mev/c2普朗克常數(shù)：h=6.626×10-34js物質(zhì)結(jié)構(gòu)國際單位制SI七個根本物理量長度L：米〔m〕質(zhì)量m：千克〔kg)時(shí)間t:秒〔s〕電流I:安培〔A〕溫度T:開爾文〔K〕物質(zhì)的量：摩爾〔mol〕發(fā)光強(qiáng)度：坎德拉〔cd〕物質(zhì)結(jié)構(gòu)自然界中的四種根本作用力作用力來源交換粒子相對強(qiáng)度強(qiáng)相互作用強(qiáng)電荷膠子1電磁作用電荷光子1/137弱相互作用弱電荷W和Z010-6引力能量引力子10-39物質(zhì)結(jié)構(gòu)輻射分類非電離輻射能量較低，不能使物質(zhì)原子產(chǎn)生電離的輻射，如紫外線、紅外線、激光等電離輻射直接電離輻射〔帶電粒子〕電子、質(zhì)子、a粒子、重離子間接電離輻射〔非帶電粒子〕X射線和r射線、中子電磁輻射電磁輻射的能量和頻率關(guān)系式：

E=hv

能量E的單位是焦耳〔J〕；頻率v的單位是赫茲〔Hz〕；h是普朗克常數(shù)。普朗克常數(shù)：h=6.626×10-34js電磁輻射電磁輻射分類電磁輻射衰變類型放射性：不穩(wěn)定核素自發(fā)地放出射線，轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N核素，這種現(xiàn)象稱為放射性，這個過程稱為放射性衰變，這些核素稱為放射性核素。發(fā)出的射線種類可能有α射線、β射線、γ射線，還可能有正電子、質(zhì)子、中子等其他粒子發(fā)生衰變前的核稱為母核，發(fā)生衰變后的核稱為子核，衰變過程中釋放的能量稱為衰變能。根據(jù)能量守恒定律，衰變能=衰變前后諸粒子靜止質(zhì)量之差所對應(yīng)的能量，并以子核和發(fā)射粒子動能的形式釋放放射性核衰變放射性衰變方式α衰變原子序數(shù)z和質(zhì)量數(shù)A的放射性母核X通過以下方式變成子核Y：a、β-、β+、電子俘獲、γ和內(nèi)轉(zhuǎn)換。其中是一個核，也叫a粒子。a衰變的一個例子是衰變成，半衰期1600年。α衰變

鐳是典型的α衰變核素。它通過發(fā)射4.78MeV的α粒子直接衰變到氡的基態(tài)，也可能通過發(fā)射4.60MeV的α粒子先衰變到氡的激發(fā)態(tài)，后者再發(fā)射0.18MeV的γ射線而躍遷到基態(tài)。放射性核衰變原子核自發(fā)地放射出電子e-或正電子e+或俘獲一個軌道電子的轉(zhuǎn)變過程稱為β衰變放射電子的稱為β-衰變，發(fā)射出的電子稱為β-粒子；放射正電子的稱為β+衰變，發(fā)射出的正電子稱為β+粒子；俘獲軌道電子的稱軌道電子俘獲，如果俘獲的是K層電子，那么稱K俘獲。β衰變放射性核衰變β-衰變P到S的轉(zhuǎn)變是β-衰變，在綱圖中β-粒子的最大能量是1.71MeV和平均能量0.698MeVγ衰變α和β衰變后的子核很可能處于激發(fā)態(tài)，會以γ射線的形式釋放能量躍遷到較低的能態(tài)或基態(tài)，這種躍遷的過程稱為γ躍遷。eg:放療中常用的鈷-60源、銫-137源和銥-192源均既具有β放射性，同時(shí)也具有γ放射性放射性核衰變劑量學(xué)中的根本輻射量光子注量能量注量照射量吸收劑量比釋動能〔kerma〕根本輻射量光子注量和能量注量光子注量：指入射在橫截面積dA的球體上的粒子數(shù)目dN除以橫截面積。單位：m-2能量注量：入射在橫截面積dA的球體的輻射能量dE除以橫截面積。單位：J/m2根本輻射量照射量：X〔γ〕輻射在質(zhì)量為dm的空氣中釋放的全部次級電子〔正負(fù)電子〕完全被空氣阻止時(shí)，在空氣中形成的同一種符號的離子總電荷的絕對值dQ與dm的比值，即：X=dQ/dm單位為，曾用單位為倫琴〔R〕。

照射量吸收劑量同時(shí)適用于直接和間接電離輻射吸收劑量：電離輻射給予質(zhì)量為dm的介質(zhì)的平均授予能：單位為；專用名為戈瑞〔Gray,Gy〕曾用單位為拉德〔rad〕,1Gy=100rad.根本輻射量比釋動能(Kerma)是單位質(zhì)量中釋放的動能〔kineticenergyreleasedperunitmass)，它適用于間接電離輻射，定量描述計(jì)算從間接電離輻射轉(zhuǎn)移到直接電離輻射的平均數(shù)量值，不考慮轉(zhuǎn)移后的發(fā)生的情況。定義：不帶電電離粒子在質(zhì)量為dm的介質(zhì)中釋放的全部帶電粒子的初始動能之和：根本輻射量電子平衡所有離開△V的次級電子帶走的能量，恰好等于進(jìn)入△V的次級電子帶入的能量，那么稱在O點(diǎn)出處于電子平衡。根本輻射量電子平衡成立條件1.小體積△V周圍的X〔γ〕輻射場必須是均勻的，以使△V周圍X〔γ〕光子釋出的次級電子注量率保持不變。2.小體積△V在各個方向離介質(zhì)邊界的距離d要足夠大，至少要大于次級電子在介質(zhì)中的最大射程Rmax，即d>Rmax。電子與物質(zhì)相互作用過程：高能電子穿過介質(zhì)時(shí)，通過庫倫作用與原子軌道電子和原子核進(jìn)行相互作用。通過碰撞，電子可能損失其功能〔碰撞損失和輻射損失〕或改變其運(yùn)行方向〔散射〕。能量損失用阻止本領(lǐng)描述，散射用散射本領(lǐng)描述。電子與軌道電子的相互作用電離與激發(fā)電子與原子核的相互作用韌致輻射射線與物質(zhì)的相互作用X射線的產(chǎn)生軌道電子從低能級躍遷到高能級，為了保持原子的穩(wěn)定，高能級的電子會自發(fā)的躍遷到低能級而使原子回到基態(tài)，同時(shí)釋放出特征X射線或俄歇電子帶電粒子從原子核附近經(jīng)過時(shí)，在核庫侖場的作用，運(yùn)動方向和速度發(fā)生變化，帶電粒子的一局部動能就變成具有連續(xù)能譜的X射線輻射出來，這種輻射稱為軔致輻射射線與物質(zhì)的相互作用電子與物質(zhì)的作用特征X射線：產(chǎn)生于電子在原子殼層間躍遷韌致輻射：產(chǎn)生于電子與核的庫倫相互作用γ射線：產(chǎn)生于核躍遷湮沒光子：產(chǎn)生于正負(fù)電子對湮沒射線與物質(zhì)的相互作用光電效應(yīng)：光子與吸收介質(zhì)中的束縛很緊的軌道電子作用并消失相干散射：光子與軌道束縛電子相互作用。屬彈性反射，光子根本沒有能量損失僅發(fā)生小角度的散射，沒有能量轉(zhuǎn)移康普頓效應(yīng)：描述光子與根本“自由和靜止〞的軌道電子間的相互作用電子對效應(yīng)：光子消失，在原子核庫倫場作用下形成一個正負(fù)電子對光核反響：高能光子被原子核吸收發(fā)射中子X〔γ〕射線與物質(zhì)的作用

射線與物質(zhì)的相互作用光電效應(yīng)：光子將能量全部傳遞給原子軌道電子。光子消失，獲得能量的電子掙脫原子束縛成為自由電子〔光電子〕。輻射出特征x線射線與物質(zhì)的相互作用康普頓效應(yīng)：當(dāng)入射光子和原子內(nèi)一個軌道電子發(fā)生相互作用時(shí)，光子損失一局部能量，并改變運(yùn)動方向，電子獲得能量而脫離原子。射線與物質(zhì)的相互作用康普頓〔A.H.Compton)美國人(1892-1962〕康普頓在做康普頓散射實(shí)驗(yàn)

證實(shí)了康普頓效應(yīng)的普遍性

證實(shí)了兩種散射線的產(chǎn)生機(jī)制

－外層電子(自由電子)散射

0－內(nèi)層電子(整個原子)散射在康普頓的一本著作?X-Raysintheoryandexperiment?(1935)中19處引用了吳的工作兩圖并列作為康普頓效應(yīng)的證據(jù)

吳有訓(xùn)(1897—1977)意義:1923年參加了發(fā)現(xiàn)康普頓效應(yīng)的研究工作電子對效應(yīng)：當(dāng)光子從原子核旁經(jīng)過時(shí)，在原子核庫倫場的作用下形成一對正負(fù)電子。光子能量的一局部轉(zhuǎn)變?yōu)檎?fù)電子的靜止能量2mec2，另一局部作為正負(fù)電子的動能E+和E-hv=E++E-+2mec2只有當(dāng)入射X〔γ〕光子能量大于2mec2=1.02MeV時(shí)，才能發(fā)生電子對效應(yīng)。射線與物質(zhì)的相互作用相干散射：光子與軌道束縛電子相互作用。屬彈性反射，光子根本沒有能量損失僅發(fā)生小角度的散射，沒有能量轉(zhuǎn)移。過程：當(dāng)入射電磁波從原子附近經(jīng)過時(shí)，引起軌道電子共振，振蕩電子將發(fā)射波長相同但方向不同的電磁波，不同軌道電子發(fā)射的電磁波有相干性。又稱瑞利散射射線與物質(zhì)的相互作用三種效應(yīng)的能量區(qū)間在10～200keV能量范圍內(nèi)的X線，光電效應(yīng)是主要在200keV～7MeV能量范圍，康普頓效應(yīng)成為主要的能量吸收方式在7～100MeV能量范圍，由于電子對效應(yīng)變得重要，使得骨的吸收增大。射線與物質(zhì)的相互作用放射性核素的物理特性射線源的種類及照射方式常規(guī)遠(yuǎn)距離照射射線源的種類及照射方式近距離照射重粒子治療質(zhì)子治療快中子治療

重離子治療傳能線密度LET〔linearenergytransmission〕傳能線密度：指沿次級電子徑跡單位長度上的能量轉(zhuǎn)換，單位為KeV/um。低LET射線包括X射線、γ射線及電子線。高LET包括中子束、負(fù)π介子及重粒子。

質(zhì)子治療不同射線在水體模中的穿透特性〔深度吸收劑量曲線〕當(dāng)粒子束射入介質(zhì)時(shí)，在介質(zhì)外表，能量損失較慢；隨深度的增加，粒子運(yùn)動速度逐漸減低，粒子能量損失率突然增加，形成電離吸收峰，即布拉格峰；然后當(dāng)粒子最后靜止時(shí)，能量損失率急劇降為零。布拉格峰值的深度用改變離子入射能量或外加吸收體的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。光子線IMRT與質(zhì)子放療的治療方案結(jié)果比較

MEVIONS250質(zhì)子放療系統(tǒng)水分子(H2O)經(jīng)過高壓電離，其中的氫原子核與周圍的電子被別離，氫原子核就是質(zhì)子。質(zhì)子被注入盤旋加速器后經(jīng)過交變電磁場的鼓勵，運(yùn)動速度到達(dá)光速的2/3，并不斷獲得能量，到達(dá)約250MeV能量后，從盤旋加速器引出。引出的質(zhì)子束流經(jīng)過一系列的傳