Tema 2
© CSN-2009 IRD-DR-GR-PW2
2
¿ A QUE LLAMAMOS RADIACION?
• El fenómeno de la
radiación
consiste en la propagación de energía
en forma de ondas electromagnéticas consiste en la propagación de
energía en forma de ondas electromagnéticas o partículas
subatómicas a través del vacío o de un medio material .
• La radiación propagada en forma de ondas electromagnéticas
(rayos UVLa radiación propagada en forma de ondas
electromagnéticas (rayos UV, rayos gammaLa radiación propagada
en forma de ondas electromagnéticas (rayos UV, rayos gamma,
rayos XLa radiación propagada en forma de ondas
electromagnéticas (rayos UV, rayos gamma, rayos X, etc.) se llama
radiación electromagnéticaLa radiación propagada en forma de
ondas electromagnéticas (rayos UV, rayos gamma, rayos X, etc.) se
llama radiación electromagnética, mientras que la llamada radiación
corpuscularLa radiación propagada en forma de ondas
electromagnéticas (rayos UV, rayos gamma, rayos X, etc.) se llama
radiación electromagnética, mientras que la llamada radiación
corpuscular es la radiación transmitida en forma de partículas
subatómicas (partículas αLa radiación propagada en forma de
ondas electromagnéticas (rayos UV, rayos gamma, rayos X, etc.) se
llama radiación electromagnética, mientras que la llamada radiación
corpuscular es la radiación transmitida en forma de partículas
subatómicas (partículas α, electrones, neutrones, etc.) que se
mueven a gran velocidad, con apreciable transporte de energía.
• Si la radiación transporta energía suficiente como para provocar
1. INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CON LA MATERIA
1. 1 Interacción de las partículas cargadas. Tipos de colisiones
1. 2 Poder de frenado y alcance
1. 3 Interacción de electrones en un material de número atómico
alto
2.
INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA MATERIA
2. 1 Interacción de fotones con la materia
2. 2 Atenuación de fotones
2. 3 Procesos de interacción
⇒
Cuando las partículas interaccionan con la materia
producen una serie de efectos, que son función de:
1. Interacción de partículas con la materia
• Masa
• Carga (+, -)
• estado Físico • densidad
• componentes (z)
• Tipo de partícula
• Energía
• Medio de interacción
1.1 Interacción de partículas cargadas.
Las partículas cargadas pierden su energía al interaccionar con la materia a través de tres tipos de interacciones coulombianas fundamentalmente:
Colisión elástica
Colisión inelástica
1.1 Interacción de partículas cargadas.
Colisión elástica
La partícula choca con los átomos del medio desviándose de su trayectoria y cediendo energía en forma de energía cinética.
1.1 Interacción de partículas cargadas.
Colisión inelástica
Excitación Ionización
La partícula interacciona con los electrones atómicos transfiriendo a estos energía. Produciéndose:
ionización del átomo
excitación del átomo
Disociación o radiólisis de las moléculas
e-Ionización Excitación
e-Disociación (ej.)
H
O
H
1.1 Interacción de partículas cargadas (2).
Colisión radiativa
La partícula cargada se "frena" o se "desvía" en su interacción con los átomos del medio y como resultado emite ondas electromagnéticas
Esta "radiación" se conoce como radiación de frenado (Bremsstrahlung).
Este proceso, se produce con mayor probabilidad en las proximidades del núcleo atómico como consecuencia de pequeñas "desviaciones" de la partícula incidente.
Colisió n radiativ a
e-m
z
Z
cte
=
I
2 2 2·
1.2. Poder de frenado y alcance
El poder de frenado de un medio S(E): la pérdida de energía que experimenta una partícula de energía E en un material determinado por unidad de
recorrido.
S(E) =-
dE
dx
El alcance (cm) de una partícula en un medio se define como el recorrido total de la partícula en el material, supuesto el recorrido rectilíneo.
ALCANCE
1.456·10-3 6.250·10-2 2.580 6.909·10-3 2.573 0.250 1.210·10-3 4.400·10-2 2.850 6.286·10-3 2.844 0.200 9.565·10-4 2.760·10-2 3.304 5.716·10-3 3.299 0.150 6.931·10-4 1.400·10-2 4.202 5.184·10-3 4.197 0.100 6.660·10-4 1.288·10-2 4.341 5.136·10-3 4.336 0.095 6.386·10-4 1.170·10-2 4.496 5.089·10-3 4.491 0.090 6.111·10-4 1.061·10-2 4.667 5.044·10-3 4.662 0.085 5.834·10-4 9.559·10-3 4.859 5.011·10-3 4.854 0.080 5.552·10-4 8.552·10-3 5.076 4.970·10-3 5.070 0.075 5.268·10-4 7.589·10-3 5.320 4.932·10-3 5.315 0.070 4.981·10-4 6.673·10-3 5.600 4.896·10-3 5.596 0.065 4.689·10-4 5.804·10-3 5.924 4.863·10-3 5.919 0.060 4.394·10-4 4.986·10-3 6.303 4.835·10-3 6.298 0.055 4.093·10-4 4.218·10-3 6.751 4.812·10-3 6.747 0.050 3.787·10-4 3.505·10-3 7.292 4.796·10-3 7.287 0.045 3.473·10-4 2.848·10-3 7.956 4.788·10-3 7.961 0.040 3.150·10-4 2.249·10-3 8.794 4.792·10-3 8.789 0.035 2.814·10-4 1.712·10-3 9.884 4.825·10-3 9.879 0.030 2.460·10-4 1.238·10-3 11.37 4.858·10-3 1.136·101 0.025 2.087·10-4 8.331·10-4 13.51 4.904·10-3 1.350·101 0.020 1.686·10-4 4.998·10-4 16.91 1.691·10-3 1.690·101 0.015 1.245·10-4 2.436·10-4 23.21 5.069·10-3 2.320·101 0.010 TOTAL RADIACIÓN COLISIÓN RENDIMIENTO DE RADIACIÓN ALCANCE
(g/cm2)
PODER DE FRENADO (MeV·cm2/g)
ENERGÍA (MeV)
1.3. Interacción de electrones en medios con Z altos
•
La generación de rayos X
se fundamenta en la producción de radiación de frenado.• Esta radiación se consigue impactando e- sobre un material de alto Z (ánodo). •Los e- se aceleran aplicando una diferencia de potencial entre el ánodo y el
cátodo: tensión kV Energía de los fotones keV
+
-Cátodo (C) Filamento (F)
Ánodo (A) Blanco de W (B)(mancha
focal) Circuito de
refrigeració n
1.3. Interacción de electrones en medios con Z altos
Los
electrones
interaccionan con un material de Z alto:
La mayoría de las interacciones producen excitaciones y ionizaciones
•El
1%
de la energía que transportan se transforma en rad. Electromagnética:
•RX:
• Radiación característica
(procedente de las
DESEXCITACIONES de atomos excitados o ionizados):
espectro discreto, dependiente del material ánodo
• La energia máxima de rayos x
producidos es igual a la energía
maxima de los electrones
incidentes.
• Corresponde a la desaceleracion
total de uno de los electrones
2. 1 Interacción de fotones con la materia
N
N
OLa interacción de los fotones con la materia interesa desde dos puntos de vista:
•Macroscópico: Atenuación de un haz al atravesar un objeto:
BLINDAJES
•Microscópico: Procesos de interacción de los fotones con los átomos:
2. 2 Atenuación de fotones
Cuando un haz de fotones (rayos X o radiación γ) atraviesa un material se observa una disminución en el número de estos: ATENUACIÓN.
Donde μ (m-1) se conoce como el coeficiente de atenuación lineal y depende de la energía de los fotones y del material absorbente.
N = No e
-μx
DISPERSIÓN
DISPERSIÓN FOTONES
ABSORCIÓN ATENUACIÓ
N
Fórmula válida si:
• Fotones monoenergéticos • Haz colimado
• Absorbente delgado
No N
COEFICIENTE DE ATENUACIÓN
Supongamos que
tenemos el siguiente
experimento:
Fotones incidentes
Colimador
Fotones dispersados
Fotones transmitidos
Detector
✔Un haz delgado de fotones monoenergético incide sobre un absorbente.
✔Se ubica un detector a una distancia fija de la fuente y suficientemente lejos del absorbente como para que sólo el haz primario sea detectado (todos los fotones que interactúan con el absorbente no son detectados).
Bajo estas condiciones, se cumple:
dN: número de fotones que son detectados
N: número de fotones incidentes
También:
μ es la constante de proporcionalidad y el signo “–” indica que el número de fotones decrece a medida que aumenta el espesor del absorbente.
μ es el Coeficiente de Atenuación
Si μ se expresa como distancia ( [μ] = 1/cm ) se denomina
Resolviendo la ecuación diferencial obtenemos:
N(x)
son el numero de fotones transmitidos
x
es el espesor de absorbente,
N
0es el numero de fotones incidentes en el
Absorbente
En general
μ depende
de la
energía de los fotones
y de la naturaleza del
material absorbente
.
Dividiendo
μ
por la densidad
ρ
del material, el coeficiente resultante (
μ / ρ
)
es
independiente de la densidad
.
( μ / ρ ) es el Coeficiente de Atenuación Másico
La dependencia con el material de este coeficiente involucra la composición atómica pero no la densidad.
[ ( μ / ρ ) ] =
x
Coeficiente de atenuación másico:
μ
m= μ/ρ
(cm 2/g)Ley de atenuación: N = N0
e
-μmxm donde xm= x·ρEspesor de semirreducción: Grosor del material
que consigue atenuar el haz (monoenergético) a la mitad:
d1/2= Ln(2) / μ= 0.693 / μ
2. 2 Atenuación de fotones (2)
Espesor decimorreductor :d1/10
es aquel que reduce la intensidad del haz (monoenergético) a su décima parte:
Capa hemirreductora (CHR)
2.3 Mecanismos de interacción de los
fotones x con la materia
•Excitación
•Ionización
Efecto fotoeléctrico
Efecto Compton
El fotón interacciona con un electrón ligado cediéndole toda su energía h·ν
El electrón invierte parte de la energía comunicada en romper la ligadura Eligadura
con el átomo y el resto como energía cinética Ec= h·ν- Eligadura
La probabilidad de que se produzca una interacción fotoeléctrica μ(IF) :
► ↓ cuando la energía de los fotones ↑ (aproximadamente como 1/E3).
► ↑ cuando Z del blanco ↑ (proporcionalmente a Z n) (n > 3).
► Es proporcional a la densidad del medio.
La interacción fotoeléctrica es dominante a bajas energías, <100 keV, en tejidos biológicos.
2.3. Procesos de interacción: Efecto fotoeléctrico
Fotón γ(h·ν
)
K
L Electrón
libre(h·ν) -
Ee
El fotón interacciona con un electrón poco ligado cediéndole parte de su energía h·ν
En la interacción se produce un fotón dispersado de energía h·ν’< h·ν
El e- liberado lleva una energía ≈ h·ν-h·ν’
La probabilidad de que se produzca una interacción Compton μ(IC) :
► ↓ cuando la energía de los fotones ↑ (aproximadamente como 1/E).
► ≈ cuando Z del blanco ↑.
► Es proporcional a la densidad atómica del medio (ρ)
La interacción Compton es dominante a energías є(100, 1000) keV, en tejidos biológicos.
2.3. Procesos de interacción: Efecto Compton
ϕ Fotón
γ
K L
Núcle o
Electrón libre
(h·ν)
Consiste en la materialización de un fotón en un electrón y un positrón que se reparten la energía de este.
El positrón cuando rebaja su energía se recombina con un electrón libre emitiendo
dos fotones de 511 KeV cada uno que salen en sentidos opuestos.
2.3. Procesos de interacción: Creación de pares
La probabilidad de que se produzca una creación de pares μ(CP) :
► ↑ cuando la energía de los fotones ↑ (aprox. proporcional a E para E>1.02 MeV)
► ↑ cuando Z del blanco ↑. (≈Z2)
La creación de pares sucede a energías >1.02 MeV (2mec2).
(Energía > 1,022 MeV)
0,511 MeV
0,511 MeV Fotón
Fotón Núcle
o
Fotón γ
Positró n
2.3. Procesos de interacción: Coeficiente de
atenuación total
De 0 a 0.5MeV R-X caract., efecto Auger Z3 fotoelectrón No 1/E3 Fotón desaparece Con todo el
átomo Efecto fotoeléctrico > 1.02MeV Alrededor de 1MeV. < 1MeV Importancia Radiación de aniquilación R-X caract., efecto Auger Ninguno Efecto posterior Z2 Z Z2 Coeficiente de atenuacion lineal Par positrón electrón. Electrón Compton Ninguna Partículas liberadas
2mec2 No
No
Umbral
Aumenta con la energía 1/E 1/E2 Dependencia energía Fotón desaparece Fotón dispersado Fotón dispersado Modo de interacción
Con el campo nuclear Con e-
poco ligados Con e-
2. 4 Formación de la imagen radiológica
La imagen radiológica se forma:
• Haz de fotones transmitido que alcanza el sistema de registro de la imagen.
Pueden ser:
• Primarios (Sin interacción)
• Secundarios (I. Compton)
Efotones Є (20 ,120) keV
E. fotoeléctrico:
• Formación de la imagen: muy buena
• Aumenta el contraste natural entre distintos tejidos (~Z3)
• No hay radiación dispersa (mejora en el contraste)
• Alta dosis al paciente: toda la energía es absorbida.
E. Compton:
• Formación de la imagen:
• Menos contraste entre tejidos (~Z)
• Hay mucha radiación dispersa (velo uniforme que deteriora el contraste) • Mejora del contraste empleando rejillas antidifusoras.
• Baja dosis al paciente: solo es absorbida una parte de la energía.
Compromiso en el voltaje
2. 4 Formación de la imagen radiológica (2)
Penetración y atenuación de los
rayos X en tejidos humanos
Atenuación de un haz de rayos X:
• aire:
despreciable
• hueso:
significativa
debido a su relativa alta
densidad (número de masa atómica del Ca)
• Tejido blando (ej., músculo,.. ):
similar
al agua
• Tejido adiposo:
menos importante que en agua
• pulmones:
débil
debido a la densidad
Penetración de los rayos X en tejidos
humanos
•
Aumentar el kVp reduce
el efecto fotoeléctrico
•
El contraste de la imagen
disminuye
•
Las estructuras óseas y
pulmonares pueden
visualizarse
Propósito de utilizar medios de
contraste
•
Hacer visibles tejidos blandos
normalmente transparentes a los rayos X
•
Realizar el contraste dentro de un órgano
específico
•
Mejorar la calidad de la imagen
•
Principales sustancias utilizadas
–
Bario: partes abdominales
2.5. Número atómico efectivo
El número atómico efectivo de un material compuesto es el número atómico que tendría un material puro que se comportase, en cuanto a la interacción de fotones, de la misma forma que lo hace el compuesto
Los materiales con los que interaccionan los fotones están formados por
compuestos, constituidos por varios elementos químicos.
Material Densidad (kg/m3