医学影像物理学实验指导.doc

医学影像物理学实验指导 本实验指导是配合面向2l世纪课程教材《医学影像物理学》而编写的配套实验教材。本实验指导是依据医学影像设备专业专科生的培养目标，总结10年来医学影像设备专业的教学成果和经验,并依据影像实验室的现有设备条件而完成的。编写中充分注意了学科的现状和发展，其中若干实验是以计算机模拟仿真形式给出。实验编写过程中注意了实验内容与理论讲授内容的有机结合。由于《医学影像物理学 》是一门引导性专业基础课程, 实验指导强调了对学生观察分析能力、实践操作能力的培养。以帮助学生对医学影像设备的物理成像原理等方面的理解和认识。以达到与理论教学相辅相成，并促进理论知识的深化的目的 第一部份 基础实验 组合实验一 实验1-1 X射线吸收和特征谱测量 一、实验目的 1．了解X射线与物质的相互作用，及其在物质中的吸收规律。 2．测量不同能量的X射线在金属铝中的吸收系数。 3．了解元素的特征X射线能量与原子序数的关系。 二、内容 1．用238Pu X射线源激发Zn、Cu、Ni等样品产生特征X射线，并测量特征X射线在铝中的吸收系数。 2．测量几种元素的特征X射线谱。 三、原理 1、X射线的吸收 X射线是一种电磁波，它的波长在100?到0.1?之间。如图l所示，当一束单色的X射线垂直入射到吸收体上，通过吸收体后，其强度将减弱，即X射线被物质吸收。这一过程可分为吸收和散射两部分： (1)光电吸收：入射X射线打出原子的内层电子，如K层电子，结果在K层出现一个空位，接着发生两种可能的过程：①当L层或高层电子迁移到K层空位上时。发出K X射线(对重元素发生几率较大)；②放出俄歇电子(对轻元素发生几率较大)。 (2)散射：散射是电磁波与原子或分子中的电子发生作用。散射也分为两种。①波长不改变的散射，X射线使原子中的电子发生振动，振动的电子向各方向辐射电磁波，其频率与X射线的频率相同，这种散射叫做汤姆逊散射，②波长改变的散射，即康普顿散射。对于铝当X射线的能量低于0.04MeV时，光电效应占优势，康普顿散射可以忽略。 如图1所示，设一厚度及成份均匀的吸收体，其厚度为dt，每立方厘米有N个原子。若能量为hυ的准直光束，单位时间内垂直入射到吸收体单位面积上的光子数为I0，那么通过厚度为t的物质后，透射出去的光予数为I(t)并表示为： (1) (1)式中μ定义为线性吸收系数，μ=N·σ，σ为截面，其单位为cm2／atom，μ的量纲为cm-1。 对于原子序数为Z的原子，K层的光电截面为σph(cm2／atom)。 (2) 其中，，。 对于汤姆逊散射，每个电子的截面σT (cm2／electron) (cm2／electron) (3) 其线性吸收系数分别为 (4) (5) 总的线性吸收系数μ为两者之和，即 (6) 质量吸收系数为μm (7) 所以(1)式又可表示为 (8) (7)式中NA是阿佛加德罗常数，A是原子量。图(2)表示了金属铅、铜、铝的质量吸收系数随波长的变化。在能量低于0.1MeV时，随着能量减小截面显示出尖锐的突变。实验表明，吸收系数突然下降的波长(吸收限)与K系激发限的波长很接近。在长波长区还有L突变与M突变存在，由于L层和M层构造的复杂性，这些突变不如K突变那样明显，并且有几个最大值。 各种元素对不同波长入射X射线的吸收系数，由实验确定。元素的质量吸收系数与入射X射线能量之间的关系，可以用经验公式表示： 对E’ E EK (9) 或对铝吸收体，E’为6.20keV，EK为1.5596keV，C’K为16.．16，n为2.7345。 2、X射线的特征谱 原子可以通过核衰变过程即内转换及轨道电子俘获，也可以通过外部射线如X射线、β射线(电子束)、α粒子或其他带电粒子与原子中电子相互作用产生内层电子空位，在电子跃迁时产生特征X射线。玻耳理论指出电子跃迁时放出的光子具有一定的波长λ，它的能量为： (10) 或 (11) 其中n1、n2为电子终态、始态所处壳层的主量子数，对Kα线系n1=l，n2=2，对Lα线系，n1=2