Hệ số hấp thụ phóng xạ theo khối lượng vật liệu

Khi một chùm bức xạ tia X hoặc tia gamma đi qua vật chất thì có một số tia được truyền qua, một số tia bị hấp thụ và một số tia bị tán xạ theo nhiều hướng khác nhau. Sự hiểu biết về những hiện tượng này là rất quan trọng cho một nhân viên chụp ảnh bức xạ và những khía cạnh khác nhau của nó được trình bày dưới đây:

Hiện tượng hấp thụ

Một chùm bức xạ tia X hoặc tia gamma khi đi qua vật chất thì cường độ của chúng bị suy giảm. Hiện tượng này được gọi là sự hấp thụ bức xạ tia X hoặc tia gamma trong vật chất. Lượng bức xạ bị suy giảm phụ thuộc vào chất lượng của chùm bức xạ, vật liệu, mật độ của mẫu vật và bề dày của mẫu vật mà chùm tia bức xạ đi qua. Tính chất này của bức xạ tia X hoặc tia gamma được sử dụng trong chụp ảnh bức xạ công nghiệp. Nếu có một khuyết tật nằm bên trong cấu trúc của một mẫu vật nghĩa là có sự thay đổi về bề dày (chẳng hạn như lỗ rỗng) hoặc sự thay đổi theo mật độ (chẳng hạn như các tạp chất của các vật liệu khác ở bên ngoài). Sự hiện diện của những khuyết tật này sẽ tạo ra những thay đổi tương ứng với cường độ của chùm bức xạ truyền qua và chùm bức xạ truyền qua này được ghi nhận trên phim tạo ra được một ảnh chụp bức xạ trên phim. Hiện tượng này có một tính chất rất quan trọng nên chúng ta cần phải xem xét một cách chi tiết.

Quá trình hấp thụ bức xạ
Quá trình hấp thụ bức xạ

Hệ số hấp thụ

Trong phương trình biểu diễn quá trình hấp thụ thì m được gọi là hệ số hấp thụ tuyến tính. Hệ số hấp thụ tuyến tính là phần cường độ bức xạ bị suy giảm trên một đơn vị bề dày của vật hấp thụ. Bề dày vật hấp thụ thường được tính theo centimet (cm) và mx không có đơn vị nên m sẽ có đơn vị là (cm-1). Khoảng cách 1/m đôi khi được gọi là quảng đường tự do trung bình của bức xạ và để tính toán độ xuyên sâu thì độ xuyên sâu thường được biểu diễn theo chiều dài hồi phục và trong đó x = 1/m ; mx = 1 được gọi là một chiều dài hồi phục. Giá trị của m = Kl3Z3 chỉ ra rằng m phụ thuộc vào bước sóng của bức xạ sơ cấp và do đó những bức xạ mềm hay bức xạ có năng lượng thấp sẽ có hệ số hấp thụ lớn hơn. m cũng phụ thuộc vào nguyên tử số (Z) của chất hấp thụ và tăng lên theo nguyên tử số (Z). Do đó những vật liệu có nguyên tử số (Z) cao sẽ hấp thụ bức xạ tia X hoặc tia gamma nhiều hơn so với những chất có nguyên tử số (Z) thấp. Trong phương trình của m thì K là hằng số phụ thuộc vào mật độ vật lý của chất hấp thụ.  

Bề dầy làm yếu một nửa

Bề dày hấp thụ một nửa HVL (Half value layer) là bề dày của một vật liệu cho trước mà ta sẽ làm cho cường độ của chùm bức xạ phát ra khi đi qua nó giảm xuống còn một nửa. Bề dày hấp thụ một nửa HVL được xác định từ công thức:

Suy ra

Bề dày giảm 10

Bề dày giảm 10 TVL (Ten value layer) là bề dày của vật liệu che chắn mà làm giảm cường độ bức xạ hay liều chiếu đi 10 lần. Tính tương tự như bề dày hấp thụ một nửa ta có:

Chuyển đổi từ hệ số suy giảm theo khối lượng thành hệ số suy giảm tuyến tính

Vì hệ số suy hao tuyến tính (m) phụ thuộc vào mật độ vật liệu, nên hệ số suy giảm theo khối lượng thường được sử dụng. Hệ số suy giảm theo khối lượng chỉ đơn giản là hệ số suy giảm tuyến tính chia cho mật độ vật liệu. Tỷ số này có giá trị không đổi đối với một vật liệu hoặc hợp chất cụ thể. Để chuyển đổi hệ số suy giảm theo khối lượng (m / r) thành hệ số suy giảm tuyến tính (m), chỉ cần nhân nó với mật độ (r) của vật liệu.

Hằng số cho vật liệu đơn nguyên tố

Các bảng và đồ thị của hệ số suy giảm năng lượng photon theo khối lượng vật liệu từ 1 keV đến 20 MeV cho tất cả các phân tử khối từ Z = 1 đến 92, và cho các hợp chất và hỗn hợp lấy trực tiếp từ trang web của Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ. Các hằng số vật chất giả định rằng vật liệu là đơn nguyên tố. Các giá trị được tính bởi tỷ số số nguyên tử tới trọng lượng Z / A, năng lượng kích thích trung bình I và mật độ ρ. Một số giá trị mật độ chỉ là trên danh nghĩa;

Nguyên tử khối (Z)Vật liệuZ/AIMật độ
(eV)(g/cm3)
1HHydrogen0.9921219.28.375E-05
2HeHelium0.4996841.81.663E-04
3LiLithium0.4322140.05.340E-01
4BeBeryllium0.4438463.71.848E+00
5BBoron0.4624576.02.370E+00
6CCarbon, Graphite0.4995478.01.700E+00
7NNitrogen0.4997682.01.165E-03
8OOxygen0.5000295.01.332E-03
9FFluorine0.47372115.01.580E-03
10NeNeon0.49555137.08.385E-04
11NaSodium0.47847149.09.710E-01
12MgMagnesium0.49373156.01.740E+00
13AlAluminum0.48181166.02.699E+00
14SiSilicon0.49848173.02.330E+00
15PPhosphorus0.48428173.02.200E+00
16SSulfur0.49897180.02.000E+00
17ClChlorine0.47951174.02.995E-03
18ArArgon0.45059188.01.662E-03
19KPotassium0.48595190.08.620E-01
20CaCalcium0.49903191.01.550E+00
21ScScandium0.46712216.02.989E+00
22TiTitanium0.45948233.04.540E+00
23VVanadium0.45150245.06.110E+00
24CrChromium0.46157257.07.180E+00
25MnManganese0.45506272.07.440E+00
26FeIron0.46556286.07.874E+00
27CoCobalt0.45815297.08.900E+00
28NiNickel0.47708311.08.902E+00
29CuCopper0.45636322.08.960E+00
30ZnZinc0.45879330.07.133E+00
31GaGallium0.44462334.05.904E+00
32GeGermanium0.44071350.05.323E+00
33AsArsenic0.44046347.05.730E+00
34SeSelenium0.43060348.04.500E+00
35BrBromine0.43803343.07.072E-03
36KrKrypton0.42959352.03.478E-03
37RbRubidium0.43291363.01.532E+00
38SrStrontium0.43369366.02.540E+00
39YYttrium0.43867379.04.469E+00
40ZrZirconium0.43848393.06.506E+00
41NbNiobium0.44130417.08.570E+00
42MoMolybdenum0.43777424.01.022E+01
43TcTechnetium0.43919428.01.150E+01
44RuRuthenium0.43534441.01.241E+01
45RhRhodium0.43729449.01.241E+01
46PdPalladium0.43225470.01.202E+01
47AgSilver0.43572470.01.050E+01
48CdCadmium0.42700469.08.650E+00
49InIndium0.42676488.07.310E+00
50SnTin0.42120488.07.310E+00
51SbAntimony0.41889487.06.691E+00
52TeTellurium0.40752485.06.240E+00
53IIodine0.41764491.04.930E+00
54XeXenon0.41130482.05.485E-03
55CsCesium0.41383488.01.873E+00
56BaBarium0.40779491.03.500E+00
57LaLanthanum0.41035501.06.154E+00
58CeCerium0.41395523.06.657E+00
59PrPraseodymium0.41871535.06.710E+00
60NdNeodymium0.41597546.06.900E+00
61PmPromethium0.42094560.07.220E+00
62SmSamarium0.41234574.07.460E+00
63EuEuropium0.41457580.05.243E+00
64GdGadolinium0.40699591.07.900E+00
65TbTerbium0.40900614.08.229E+00
66DyDysprosium0.40615628.08.550E+00
67HoHolmium0.40623650.08.795E+00
68ErErbium0.40655658.09.066E+00
69TmThulium0.40844674.09.321E+00
70YbYtterbium0.40453684.06.730E+00
71LuLutetium0.40579694.09.840E+00
72HfHafnium0.40338705.01.331E+01
73TaTantalum0.40343718.01.665E+01
74WTungsten0.40250727.01.930E+01
75ReRhenium0.40278736.02.102E+01
76OsOsmium0.39958746.02.257E+01
77IrIridium0.40058757.02.242E+01
78PtPlatinum0.39984790.02.145E+01
79AuGold0.40108790.01.932E+01
80HgMercury0.39882800.01.355E+01
81TlThallium0.39631810.01.172E+01
82PbLead0.39575823.01.135E+01
83BiBismuth0.39717823.09.747E+00
84PoPolonium0.40195830.09.320E+00
85AtAstatine0.40479825.01.000E+01
86RnRadon0.38736794.09.066E-03
87FrFrancium0.39010827.01.000E+01
88RaRadium0.38934826.05.000E+00
89AcActinium0.39202841.01.007E+01
90ThThorium0.38787847.01.172E+01
91PaProtactinium0.39388878.01.537E+01
92UUranium0.38651890.01.895E+01

Hằng số hấp thụ (suy giảm) cho vật liệu phức hợp

Hằng số vật liệu với thành phần được giả định với các hợp chất và hỗn hợp phức hợp. Các thành phần của mô người khác nhau được lấy từ Báo cáo của ICRU 44 (1989). Các giá trị được tính bởi tỷ số số nguyên tử tới trọng lượng Z / A, năng lượng kích thích trung bình I và mật độ ρ. Một số giá trị mật độ chỉ là trên danh nghĩa;

Vật liệu<Z/A>IMật độComposition
(eV)(g/cm3)(Z: fraction by weight)
A-150 Tissue-Equivalent Plastic0.5490365.11.127E+001: 0.101330 6: 0.775498 7: 0.035057 8: 0.052315 9: 0.017423 20: 0.018377
Adipose Tissue (ICRU-44)0.5557964.89.500E-011: 0.114000 6: 0.598000 7: 0.007000 8: 0.278000 11: 0.001000 16: 0.001000 17: 0.001000
Air, Dry (near sea level)0.4991985.71.205E-036: 0.000124 7: 0.755268 8: 0.231781 18: 0.012827
Alanine0.5387671.91.424E+001: 0.079192 6: 0.404437 7: 0.157213 8: 0.359157
B-100 Bone-Equivalent Plastic0.5274085.91.450E+001: 0.065473 6: 0.536942 7: 0.021500 8: 0.032084 9: 0.167415 20: 0.176585
Bakelite0.5279272.41.250E+001: 0.057444 6: 0.774589 8: 0.167968
Blood, Whole (ICRU-44)0.5499975.21.060E+001: 0.102000 6: 0.110000 7: 0.033000 8: 0.745000 11: 0.001000 15: 0.001000 16: 0.002000 17: 0.003000 19: 0.002000 26: 0.001000
Bone, Cortical (ICRU-44)0.51478112.01.920E+001: 0.034000 6: 0.155000 7: 0.042000 8: 0.435000 11: 0.001000 12: 0.002000 15: 0.103000 16: 0.003000 20: 0.225000
Brain, Grey/White Matter (ICRU-44)0.5523973.91.040E+001: 0.107000 6: 0.145000 7: 0.022000 8: 0.712000 11: 0.002000 15: 0.004000 16: 0.002000 17: 0.003000 19: 0.003000
Breast Tissue (ICRU-44)0.5519670.31.020E+001: 0.106000 6: 0.332000 7: 0.030000 8: 0.527000 11: 0.001000 15: 0.001000 16: 0.002000 17: 0.001000
C-552 Air-equivalent Plastic0.4996986.81.760E+001: 0.024681 6: 0.501610 8: 0.004527 9: 0.465209 14: 0.003973
Cadmium Telluride0.41665539.36.200E+0048: 0.468358 52: 0.531642
Calcium Fluoride0.48671166.03.180E+009: 0.486672 20: 0.513328
Calcium Sulfate0.49948152.32.960E+008: 0.470081 16: 0.235534 20: 0.294385
15 mmol L-1 Ceric Ammonium Sulfate Solution0.5528276.71.030E+001: 0.107694 7: 0.000816 8: 0.875172 16: 0.014279 58: 0.002040
Cesium Iodide0.41569553.14.510E+0053: 0.488451 55: 0.511549
Concrete, Ordinary0.50932124.52.300E+001: 0.022100 6: 0.002484 8: 0.574930 11: 0.015208 12: 0.001266 13: 0.019953 14: 0.304627 19: 0.010045 20: 0.042951 26: 0.006435
Concrete, Barite (TYPE BA)0.45714248.23.350E+001: 0.003585 8: 0.311622 12: 0.001195 13: 0.004183 14: 0.010457 16: 0.107858 20: 0.050194 26: 0.047505 56: 0.463400
Eye Lens (ICRU-44)0.5470974.31.070E+001: 0.096000 6: 0.195000 7: 0.057000 8: 0.646000 11: 0.001000 15: 0.001000 16: 0.003000 17: 0.001000
Ferrous Sulfate Standard Fricke0.5533476.31.024E+001: 0.108376 8: 0.878959 11: 0.000022 16: 0.012553 17: 0.000035 26: 0.000055
Gadolinium Oxysulfide0.42265493.37.440E+008: 0.084527 16: 0.084704 64: 0.830769
Gafchromic Sensor0.5438467.21.300E+001: 0.089700 6: 0.605800 7: 0.112200 8: 0.192300
Gallium Arsenide0.44246384.95.310E+0031: 0.482030 33: 0.517970
Glass, Borosilicate (Pyrex)0.49707134.02.230E+005: 0.040066 8: 0.539559 11: 0.028191 13: 0.011644 14: 0.377220 19: 0.003321
Glass, Lead0.42101526.46.220E+008: 0.156453 14: 0.080866 22: 0.008092 33: 0.002651 82: 0.751938
Lithium Fluride0.4626294.02.635E+003: 0.267585 9: 0.732415
Lithium Tetraborate0.4848594.62.440E+003: 0.082081 5: 0.255715 8: 0.662204
Lung Tissue (ICRU-44)0.5504875.21.050E+001: 0.103000 6: 0.105000 7: 0.031000 8: 0.749000 11: 0.002000 15: 0.002000 16: 0.003000 17: 0.003000 19: 0.002000
Magnesium Tetroborate0.49012108.32.530E+005: 0.240870 8: 0.623762 12: 0.135367
Mercuric Iodide0.40933684.56.360E+0053: 0.558560 80: 0.441440
Muscle, Skeletal (ICRU-44)0.5500074.61.050E+001: 0.102000 6: 0.143000 7: 0.034000 8: 0.710000 11: 0.001000 15: 0.002000 16: 0.003000 17: 0.001000 19: 0.004000
Ovary (ICRU-44)0.5514975.01.050E+001: 0.105000 6: 0.093000 7: 0.024000 8: 0.768000 11: 0.002000 15: 0.002000 16: 0.002000 17: 0.002000 19: 0.002000
Photographic Emulsion (Kodak Type AA)0.48176179.02.200E+001: 0.030500 6: 0.210700 7: 0.072100 8: 0.163200 35: 0.222800 47: 0.300700
Photographic Emulsion (Standard Nuclear)0.45453331.03.815E+001: 0.014100 6: 0.072261 7: 0.019320 8: 0.066101 16: 0.001890 35: 0.349104 47: 0.474105 53: 0.003120
Plastic Scintillator, Vinyltoluene0.5414164.71.032E+001: 0.085000 6: 0.915000
Polyethylene0.5703357.49.300E-011: 0.143716 6: 0.856284
Polyethylene Terephthalate, (Mylar)0.5203778.71.380E+001: 0.041960 6: 0.625016 8: 0.333024
Polymethyl Methacrylate0.5393774.01.190E+001: 0.080541 6: 0.599846 8: 0.319613
Polystyrene0.5376868.71.060E+001: 0.077421 6: 0.922579
Polytetrafluoroethylene, (Teflon)0.4799399.12.250E+006: 0.240183 9: 0.759818
Polyvinyl Chloride0.51201108.21.406E+001: 0.048382 6: 0.384361 17: 0.567257
Radiochromic Dye Film, Nylon Base0.5498764.51.080E+001: 0.101996 6: 0.654396 7: 0.098915 8: 0.144693
Testis (ICRU-44)0.5520074.71.040E+001: 0.106000 6: 0.099000 7: 0.020000 8: 0.766000 11: 0.002000 15: 0.001000 16: 0.002000 17: 0.002000 19: 0.002000
Tissue, Soft (ICRU-44)0.5499674.71.060E+001: 0.102000 6: 0.143000 7: 0.034000 8: 0.708000 11: 0.002000 15: 0.003000 16: 0.003000 17: 0.002000 19: 0.003000
Tissue, Soft (ICRU Four-Component)0.5497574.91.000E+001: 0.101174 6: 0.111000 7: 0.026000 8: 0.761826
Tissue-Equivalent Gas, Methane Based0.5499261.21.064E-031: 0.101873 6: 0.456177 7: 0.035172 8: 0.406778
Tissue-Equivalent Gas, Propane Based0.5502759.51.826E-031: 0.102676 6: 0.568937 7: 0.035022 8: 0.293365
Water, Liquid0.5550875.01.000E+001: 0.111898 8: 0.888102