Interacción radiaciones con la materia

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TEMA 2

TEMA 2

INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA

INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA

Miguel Alcaraz Baños Miguel Alcaraz Baños

Cuando las partículas cargadas interaccionan con la materia, se producen una serie de Cuando las partículas cargadas interaccionan con la materia, se producen una serie de efectos, que dependen del tipo de partícula, de su energía, y del medio material con el que sufren efectos, que dependen del tipo de partícula, de su energía, y del medio material con el que sufren interacción.

interacción.

La problemática de la interacción de partículas con la materia, constituye un campo de La problemática de la interacción de partículas con la materia, constituye un campo de grangran interés en temas como la detección de la radiación, los efectos biológicos producidos por la acción interés en temas como la detección de la radiación, los efectos biológicos producidos por la acción de las radiaciones sobre la materia viva, el diseño de los blindaes apropiados para cada tipo de de las radiaciones sobre la materia viva, el diseño de los blindaes apropiados para cada tipo de radiación

radiación y la y la obtención de una obtención de una imagen diagnóstica válida para imagen diagnóstica válida para su interpretación clsu interpretación cl ínica.ínica.

!n general cuando un "a# de partículas cargadas interact$an con la materia, tienen lugar  !n general cuando un "a# de partículas cargadas interact$an con la materia, tienen lugar  una serie de proces

una serie de procesos que aten$an el "a# incidenos que aten$an el "a# incidente al ser absorbida en parte por dicte al ser absorbida en parte por dic"a materia. "a materia. !n!n %adiodiagnóstico tienen interés dos tipos de partículas en su interacción con la materia&

%adiodiagnóstico tienen interés dos tipos de partículas en su interacción con la materia&

''

Elec

Electron

trones

es

& en la producción de rayos ( al colisionar contra un ánodo de )olframio o de& en la producción de rayos ( al colisionar contra un ánodo de )olframio o de *olibdeno +actualmente también de %odio-aladio en mamografía

*olibdeno +actualmente también de %odio-aladio en mamografía

''

Fot

Fotone

oness

& que producidos en un tubo de rayos ( interaccionan con la materia. !n nuestro caso el& que producidos en un tubo de rayos ( interaccionan con la materia. !n nuestro caso el paciente, para poder obtener una imagen radiológica, en función de su mayor o menor  paciente, para poder obtener una imagen radiológica, en función de su mayor o menor  absorción.

absorción.

2.1.

2.1. INTERACCION DE L

INTERACCION DE LOS ELECTRONES

OS ELECTRONES CON LA MA

CON LA MATERIA.

TERIA.

Cuando una partícula cargada penetr

Cuando una partícula cargada penetra en a en un medio material, puede e/perimenun medio material, puede e/perimentar una tar una serieserie de colisiones con sus átomos. 0in embar

de colisiones con sus átomos. 0in embargo, dado el vacío relativo e/istente en el interiogo, dado el vacío relativo e/istente en el interior del r del átomo,átomo, las

las colicolisionsiones mecánies mecánicas por c"oque direcas por c"oque directo son muy cto son muy imprimprobaobablesbles. . !n realid!n realidad el ad el proprocesoceso predominante es la colisión culombiana, proceso de interacción debido a las fuer#as eléctricas predominante es la colisión culombiana, proceso de interacción debido a las fuer#as eléctricas producidas entre la partícula incidente y el medio absorbente +electrones y n$cleos atómicos. !sta producidas entre la partícula incidente y el medio absorbente +electrones y n$cleos atómicos. !sta interacción produce una pérdida, casi continua de la energía de la partícula, "asta llegar a su interacción produce una pérdida, casi continua de la energía de la partícula, "asta llegar a su detención.

detención.

Los procesos que contribuyen a la pérdida de energía de una partícula cargada en su Los procesos que contribuyen a la pérdida de energía de una partícula cargada en su interacción con medios materiales pueden ser, en términos generales, de tres tipos&

interacción con medios materiales pueden ser, en términos generales, de tres tipos&

2.1

2.1.a) Colis

.a) Colisión elás

ión elástic

tica

a

nna a papartírtículcula a pupuedede e ininterteraccaccioionar con los nar con los eleelectrctrononeses corticales de los átomos del medio cediéndoles parte de su energía y desviando su trayectoria. 0in corticales de los átomos del medio cediéndoles parte de su energía y desviando su trayectoria. 0in embargo, no se produce ninguna alteración atómica o nuclear en los átomos con los que interact$a embargo, no se produce ninguna alteración atómica o nuclear en los átomos con los que interact$a

2.1.!)

2.1.!)

Colisión inelástica

Colisión inelástica

el electrón interacciona con los electrones atómicos cediéndoles parte deel electrón interacciona con los electrones atómicos cediéndoles parte de su energía. Como consecuencia pueden suceder dos fenómenos.

su energía. Como consecuencia pueden suceder dos fenómenos. 2.1.b.1.

2.1.b.1.

Excitación:

Excitación:

los electrones corlos electrones corticales de los átomos son arrancaticales de los átomos son arrancados dos de sus órbitas a transicionde sus órbitas a transiciones aes a nive

niveles de energles de energía más alta +órbiía más alta +órbitas más e/tertas más e/ternasnas, pero sigue, pero siguen n ligaligados a los mismos átomodos a los mismos átomos.s. -osteriorm

-osteriormente, los átomos se deseente, los átomos se dese/citan espontá/citan espontáneamente y los neamente y los electroneelectrones vuelven a s vuelven a saltar asaltar a niveles más baos de energía emitiendo un fotón, y volviendo a una situación de estabilidad niveles más baos de energía emitiendo un fotón, y volviendo a una situación de estabilidad semeante a la inicial.

semeante a la inicial. 2.1.b.2.

2.1.b.2.

Ioniz

Ionización

ación::

0i en 0i en el c"oque de la el c"oque de la parpartícultícula con a con los electrlos electroneones s corticorticalecales atómicos atómicos s la la enerenergíagía transferida es superior a la energía

2 órbita y abandona el átomo3 en consecuencia se crea un par de iones& uno, negativo, el electrón que "a sido arrancado3 y otro, positivo, el átomo que "a perdido ese electrón

.

 4 lo largo de la trayectoria de la partícula y "asta una cierta distancia de la misma, se crea un cierto

n$mero de pares ión'electrón, que en condiciones normales tenderán a la recombinación, estableciéndose la neutralidad eléctrica del medio absorbente.

2.1.c)

Colisión ra"iati#a

cuando una partícula cargada pasa cerca de un n$cleo atómico puede sufrir  una deceleración o frenado debido a la interacción eléctrica entre cargas de distinto signo, desviándola de su trayectoria. Como consecuencia, la partícula cargada emite un fotón con energía igual a su pérdida de energía cinética.

!videntemente, las partículas pueden sufrir colisiones con los n$cleos atómicos, produciendo reacciones nucleares, pero estos procesos son relativamente muy improbables y en consecuencia, no se suelen considerar en los procesos de interacción.

2.2.

$ROD%CCION DE RA&OS '

n "a# de rayos ( se obtiene frenando un "a# de electrones que se "an acelerado, contra un blanco metálico de )olframio en radiología convencional o de *olibdeno en mamografía +actualmente también %odio-aladio en mamografía. !n cualquier aparato de rayos ( e/iste un cátodo emisor de electrones y un ánodo o anticátodo conectado a un potencial fuertemente positivo respecto al cátodo, que atrae los electrones y que a la ve# sirve de blanco contra el que éstos c"ocan. Los electrones son acelerados aplicándoseles una diferencia de potencial eléctrica +entre 25 67p y 158 67p en radiodiagnóstico, adquiriendo una energía má/ima igual a la diferencia de potencial aplicada, e/presada en 67.

Los electrones acelerados van a ir perdiendo energía cinética conforme van produciéndose colisiones inelásticas y radiativas con los átomos de ) y *b del ánodo. -ara las energías típicas utili#adas en radiodiagnóstico, las mayores pérdidas de energía se deben a ioni#aciones que quedan depositadas en el ánodo, provocando la producción de calor +99 : de la energía utili#ada se convierte en calor 3 sólo una pequeña cantidad +1: de la energía de esos electrones acelerados se emite en forma de radiación electromagnética& rayos (

Los rayos ( pueden originarse a través de un mecanismo de producción doble que frecuentemente act$an de forma simultánea& la radiación de frenado y la radiación característica.

2.2.a

Ra"iación "e (rena"o

n electrón, con carga negativa, puede pasar pró/imo a un n$cleo atómico, con carga positiva, puede quedar frenado en su trayectoria por atracción de las cargas de distinto signo que poseen, disminuyendo su energía cinética. La energía cinética perdida por el electrón se puede emitir en forma de un fotón de rayos (. !l electrón puede perder más o menos energía, dependiendo de su energía cinética inicial, de la pro/imidad de su trayectoria a los n$cleos de los átomos del ánodo y del n$mero de veces que sufra interacciones con pérdida de energía. Las posibilidades de ese enfrenamiento son muy variables, pueden encontrarse entre una fuerte atracción que resulte en un frenado completo, con lo que el 188 : de su energía cinética daría lugar  a radiación (3 o bien, en algunos casos, el electrón puede seguir su camino sin sufrir ning$n tipo de modificación en su trayectoria, lo cual no provocaría emisión alguna de radiación (. -or consiguiente el fotón emitido puede tener una energía muy variable. n "a# continuo de electrones que c"oquen con el ánodo dará lugar a un "a# de fotones "eterogéneos, de distintas energías.

 4sí, si se establece un gráfico entre el n$mero de fotones que se producen en el enfrenamiento, y la energía que poseen, se observa un espectro contínuo con energías3 y que caracteri#an a la parte del espectro característico de rayos ( producido por la radiación de frenado o ;remsstra"lung. La energía de los fotones de frenado tiene valores comprendidos entre cero, y la energía cinética má/ima que transporta el electrón al producirse la colisión.

e

-e

-fotón

F

E

2.2 Ra"iación "e (rena"o Fi. 2.*. $arte "el es+ectro "e ra,os ' +ro"-ci"o +or la ra"iación "e (rena"o

La radiación de frenado supone entre el <8 ' =5 : de la totalidad de radiación producida.

2.2.b

Ra"iación caracterstica

!n esta interacción o c"oque

/

la energía cinética de un electrón es lo suficientemente elevada que puede ioni#ar o e/citar a los electrones corticales de los átomos del ánodo. !n este c"oque se produce un "ueco en una órbita interna. !ste "ueco tiende a ser ocupado espontáneamente por otro electrón de una órbita pró/ima, emitiéndose la diferencia de energía e/istente como radiación electromagnética +fotón. !sta emisión de radiación tiene un valor  determinado de energía para cada valor de > de cada uno de los distintos átomos conocidos, por  ello recibe el nombre de radiación

caracterstica

. !s característica de la diferencia de energía e/istente entre los dos niveles energéticos afectados. -ara rayos ( de diagnóstico, la radiación característica puede suponer apro/imadamente un 15'25 : del total de la radiación producida .

La radiación característica de mayor interés en radiología es la que proviene de la e/pulsión de un electrón de la capa ? +bien sea de )olframio o de *olibdeno y para que se de este tipo de radiación característica, la energía del electrón incidente deberá ser superior a la energía de enlace de la capa ?.

La radiación característica tiene aplicación en técnicas radiográficas especiales, como en la mamografía, que precisa rayos ( de baa energía para diferenciar meor, por su distinta absorción,

e

0

e0

Ra"iaciónRa"iación

los componentes de la glándula mamaria. 0e utili#a un ánodo de molibdeno con un 6ilovoltae de 25 a @5 67, emitiendo radiación de frenado y característica para meorar el contraste de las estructuras mamarias.

e

-e

-fotón

F

E

Fi. 2.. Ra"iación caracterstica Fi-ra 2.. $arte "el es+ectro 3-e corres+on"e a la ra"iación caracterstica

0i en un gráfico se relaciona el n$mero de fotones producidos por este mecanismo, con la energía que tienen, se puede observar un espectro discreto, a saltos, y que corresponden a la diferencia energética entre las diferentes capas involucradas +Aig.2.5.

2.2.c

Es+ectro "e los ra,os '.

!l espectro característico de los rayos ( consta de la suma de los dos mecanismos anteriormente e/puestos& una parte continua, producida por la radiación de frenado o ;remsstra"lung3 y de una parte discreta en forma de picos, que se superponen a la anterior 

.

!stos picos corresponde a la radiación producida por la radiación característica. 4sí pues el origen de la radiación de frenado y de la radiación característica reside en los procesos de interacción de los electrones, acelerados en el interior del tubo, con el material del ánodo.

Ra"iación

caracterstica

F

E

nº de fotones 0'5 mm Al   B   B 2,5 mm Al      B      B      B   

Variación según el potencial de aceleración

nº de fotones

E (keV _{Energ!a (keV}

E"#E$%& E &A)A$)*

Efecto de la +ltración

00 0 .0 /0 20 0 0 20 /0 .0 0 00 20 00 kV

picos & caracter!sticos

50 k1

Fi. 2.4a. Es+ectro "e ra,os '

Fi. 2.4!. Es+ectro "e ra,os ' Fi. 2.4c. Es+ectro "e ra,os ' Mo"i(icación con el 56. Mo"i(icación con la (iltración.

!n ocasiones, el electrón con una energía incidente determinada puede ser frenado totalmente en una sola colisión radiativa y, por tanto, toda su energía será emitida en forma de un $nico fotón. !l n$mero de colisiones de este tipo es poco frecuente y da lugar a la parte más energética del espectro. !n consecuencia, cuando se bombardea el ánodo con electrones de 188 6e7 podemos esperar la producción de unos pocos fotones de energía de 188 6e7 pero ninguno de energía superior a esta.

E 75e6) ! ∀ ! D,5 mm 4l ! ! +∀! ! +∀! n8 "e (otones

ES$ECTRO DE RADIACION

2.*.0 INTERACCION DE %N 9A: DE FOTONES CON %N MEDIO MATERIAL

La interacción de los fotones con la materia interesa desde dos puntos de vista&

•

Macroscó+ico

& 4tenuación de un "a# al atravesar un obeto&

;LINDA<ES

•

Microscó+ico

& -rocesos de interacción de los fotones con los átomos&

T=CNICAS

DE O;TENCIÓN DE IM>?ENES

.

. Cuando un "a# de fotones interacciona con un paciente, pueden ocurrir dos cosas con cierta probabilidad&

1. Eue atraviese al paciente sin interaccionar con ning$n átomo de éste& no depositará en él ninguna energía, y no producirá en él ning$n efecto.

2. Eue colisione con alguno de los electrones corticales de los átomos del paciente, cediéndole toda o parte de su energía. !n este segundo caso, se pueden producir dos procesos de interés en radiodiagnóstico&

'

E(ecto (otoel@ctrico

0 E(ecto Co+ton.

2.*.a) E(ecto (otoel@ctrico

!l efecto fotoeléctrico se produce cuando tiene lugar una colisión entre un fotón de la radiación incidente y un electrón cortical de un átomo del material absorbente. !n este impacto, o interacción, el fotón incidente de radiación cede toda su energía, por lo que es completamente absorbido y desaparece. 4 este efecto se le denomina efecto fotoelectrico, y es el efecto deseado para obtener una buena imagen radiológica3 aunque implica la absorción de esa energía del fotón de radiación, y por ello, un posible efecto biológico.

!n el átomo del material absorbente +el paciente en nuestro caso, que "a recibido este impacto del fotón de radiación incidente pueden ocurrir varias cosas&

1.' Eue el fotón incidente ceda toda su energía en el impacto contra el electrón cortical del átomo del paciente, pero que la energía que le transmite es

enor

a la

enera "e lia"-ra

que lo mantiene en su orbital& en este caso el fotón de radiación es completamente absorbido y desaparecera +efecto fotoelectrico. !n el paciente prácticamente no ocurrirá nada ya que el electrón contra el que se colisionó volverá a su situación inicial +colisión elástica.

2.' n caso particular del apartado anterior, es aquella situación en la que tras el impacto del fotón de radiación, éste le cede

to"a

su energía al electron cortical del paciente, pero ésta resulta e/actamente igual a la energía de ligadura que lo mantiene en su orbital. !n este caso, el fotón de radiación también es completamente absorbido +efecto fotoeléctrico, aunque en el paciente el electrón orbital es arrancado de su posición y puede salir proyectado en cualquier dirección !n este caso particular, igualmente ocurre la absorción completa del fotón de radiación que caracteri#a al efecto fotoeléctrico, anque las posibles consecuencias para el medio absorbente +el paciente en nuestro caso, pudieran ser ligeramente mayores.

!l efecto fotoeléctrico depende, por tanto, de la energía de ligadura de las distintas capas orbitales del átomo. Fado que estas energías son características de cada elemento, la atenuación o

e-fotón

EFotoel3ctrico

absorción de los fotones de radiación dependerá del átomo del absorbente que se e/ponga a la radiación.

Se uede establecer !ue la robabilidad de interacción fotoel"ctrica:

1.' 4umenta de forma importante cuando aumenta el n$mero atómico de los átomos del paciente con los que colisiona +proporcionalmente a

:*

.

2.' Fisminuye cuando aumenta la energía de los fotones + apro/imadamente como

1BE*

. -or ello, disminuye rápidamente también con la disminución de la longitud de onda, en la misma proporción. 0iendo, por tanto, el efecto fotoeléctrico una interacción característica de radiaciones de baa energía.

@.' !s directamente proporcional a la densidad del medio& aumentará el efecto fotoeléctrico cuanto más denso sea el medio absorbente.

Fi. 2.. E(ecto (otoel@ctrico

La interacción fotoeléctrica es la interacción dominante con teidos biológicos a baas energías +por debao de 188 6e7, y es fundamental para la obtención de la imagen radiológica en radiodiagnóstico. Cuando un fotón interacciona por efecto fotoeléctrico con teidos biológicos puede suponerse que toda su energía es depositada dentro del medio con el que interacciona.

2.@.b

E(ecto Co+ton

.

0e trata de una interacción que se produce mayoritariamente con electrones atómicos poco ligados +los de las capas orbitales más e/ternas. !n el medio absorbente, en cada una de las colisiones, se cede #$s energía a los electrones que la energía de ligadura que los mantiene en sus orbitales. 0e producirá un arrancamiento de esos electrones de sus orbitales con los procesos de ioni#ación yo e/citación que se "an descrito anteriormente.

Como consecuencia de esta interacción Compton, dentro de la protección %adiológica suceden dos situaciones de interés&

1.' !l fotón de radiación incidente no es absorbido, sino que contínua su trayectoria tras m$ltiples colisiones que le provocan m$ltiples desviaciones de su trayectoria3 ello dará lugar a la

e-fotón

fotón $om ton

radiación dispersa que disminuira la calidad de la imagen radiológica, yo provocará el riesgo de irradiación del personal que se encuentre dentro de la sala durante la e/ploración radiológica.

2.' 0e prduciran m$ltiples ioni#aciones en los átomos del teido del paciente al absorverse parte de la energía de estos fotones tan energéticos3 y que son la base de las teorías por las que se e/plican los efectos biológicos producidos por la radiación ioni#ante.

Se uede establecer !ue la robabilidad de !ue se roduzca una interacción %o#ton:

1.' 4umenta al aumentar la energía de los fotones . -or ello, aumenta al disminuir la longitud de onda +1λ

2.' !s prácticamente independiente del n$mero atómico del material, ya que éste tiene escasa incidencia en el proceso

@.' !s proporcional a la densidad del medio& aumenta al aumentar la densidad del medio absorbente

La interacción Compton es la interacción dominante en teidos biológicos a energías intermedias +entre 188 y 1888 6e7. -or ello, las energías utili#adas en el diagnóstico radiológico tienen como límite superior energías de 158 67, en donde el efecto fotoeléctrico en los teidos orgánicos sería má/imo, mientras que el efecto Compton se encuentra, dentro de unos márgenes adecuados para obtener una buena calidad en la imagen radiológica.

Fi. 20 . E(ecto Co+ton

2.. ATEN%ACION DE FOTONES

0eg$n lo visto en párrafos precedentes, la atenuación de un "a# de fotones puede ser  debida a la absorción de fotones +efecto fotoeléctrico y procesos de dispersión o absorción parcial + la difusión Compton.

18  4sí pues, un "a# de rayos ( monoenergético, cuya intensidad de radiación inicial tiene un valor G8, al que le "acemos pasar a través de un medio "omogéneo de espesor /, éste actuará

como atenuante o filtro del "a# ya que reducirá el valor de la intensidad inicial de dic"o "a#.

!l cálculo teórico de un "a# de fotones monoenergético se reali#a con la le& de atenuación que pondría de manifiesto que&

G H G

_o

. e

0

µ

.

Fonde&

G H valor de la intensidad final del "a# GοH valor de la intensidad inicial del "a#.

e H n$mero base del sistema logaritmico natural o neperiano cuyo valor es ∼2,<1=@ I H el coeficiente de atenuación lineal que indica la cantidad de radiación que

desaparece por unidad de longitud .

/ H el espesor del medio que "a actuado como atenuante.

!l coeficiente de atenuación +I es la suma de los coeficientes de atenuación fotoeléctrica, y Compton

2..a) Foración "e la iaen ra"iolóica

La energía de los fotones utili#ados en radiodiagnóstico +de 28 a 158 6e7 provoca procesos de interacción con los materiales biológicos que se "an estudiado anteriormente& interacción fotoeléctrica e interacción Compton. La primera de ellas representa la absorción total de la energía del fotón, mientras que la interacción Compton supone la aparición de un fotón disperso de menor o igual energía que la del fotón incidente y un depósito parcial de la energía del mismo en el paciente.

La imagen radiológica se forma por la interacción de los fotones de rayos ( con el material detector +película radiográfica y representa, por tanto, la distribución de los fotones que "an interaccionado con el paciente yo "an alcan#ado el sistema de registro de la imagen. !sos fotones pueden ser bien los fotones que "an pasado a través del paciente sin interacción con ning$n átomo del paciente3 o bien , los fotones originados en los procesos de dispersión en el mismo paciente.

Es!ue#$tica#ente' el "a# de radiación podría reducirse a tres $nicos fotones en su interacción con el paciente& uno, que no colisiona con ning$n átomo del medio3 y, otros dos, que al colisionar con el paciente producirán un efecto fotoeléctrico y un efecto Compton, respectivamente.

' !l

+riero

, atravesará sin colisionar en ning$n sentido con los átomos del paciente y llegará a la película o receptor estimulando su emulsión fotográfica. 0erá el responsable del ennegrecimiento generali#ado de la película radiológica +fondo radiotransparente

' !l

se-n"o

, será el que producirá el efecto Aotoeléctrico. 0erá aquel fotón que al colisionar con los átomos del paciente será completamente absorbido +desaparecerá del medio, y no llegara a e/citar la emulsión fotográfica de la película radiográfica. 0erá el responsable de las imágenes blancas o radioopacas tras el revelado de la película.

' !l

tercer

fotón sería el que produce el efecto Compton. !l efecto Compton es aquel fotón que podrá colisionar una o varias veces con electrones corticales de los átomos del paciente, pero que no será totalmente absorbido. 4 cada colisión variará su dirección o trayectoria y podría provocar  diferentes efectos&

a.' podría c"ocar, al desviar su trayectoria sobre un punto de la película que ya estuviera ennegrecida por que "ubiera sido alcan#ada previamente por otro fotón. 0u efecto podría pasar  desapercibido.

b.' podría alcan#ar una #ona que debería estar blanca o radioopaca por corresponderse con puntos en los que se "a producido efecto fotoeléctrico. !n este caso, podría agrisarla o ennegrecerla "asta "acerla desaparecer completamente de la imagen ocultando las estructuras anatómicas que produeron la absorción de la radiación.

c.' podría cambiar tanto su trayectoria, e incluso llegar a la retrodispersión, que volvería a la sala aumentando la radiación dispersa, que provocaría la irradiación de las personas que se encontrasen dentro de la sala.

 4sí pues, los fotones dispersos son originados mayoritariamente en la interacción Compton y su intensidad aumenta al "acerlo la energía media del "a#,. 4demás, pueden ser emitidos en cualquier dirección dando lugar a un velo sobre la imagen que deteriora su contraste. -ara evitar  este deterioro se recurre a la utili#ación de reillas antidifusoras que pueden eliminar "asta el 98 : de la radiación dispersa.

EF *adaE$ompton

#aciente

#el!c4la

Fi. 2.. La iaen ra"iolóica se o!tiene con tres ti+os "e (otones

los 3-e atra#iesan el +aciente sin interacción/ los a!sor!i"os +or  el e(ecto (otoel@ctrico , los "is+ersa"os +or el e(ecto Co+ton.