Tema 2 Interacción de la radiación con la materia

1. Tema 2 Interacción de la radiación con la materia

2. 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 2. 4 Formación de la imagen radiológica 2. 5 Número atómico efectivo

3. Cuando las partículas interaccionan con la materia producen una serie de efectos, que son función de: Ligeras Pesadas • Masa • Carga (+, -) • Tipo de partícula • Energía • Medio de interacción • estado Físico • densidad • componentes (z) 1. Interacción de partículas con la materia

4. 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 Colisión radiativa

5. 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. No se produce alteración atómica ni nuclear en el medio.

6. O - - e e O - e - e Excitación Ionización 1.1 Interacción de partículas cargadas. Colisión inelástica • La partícula interacciona con los electrones atómicos transfiriendo a estos energía. Produciéndose: • ionización del átomo • excitación del átomo • Disociación o radiólisis de las moléculas Excitación Disociación (ej.) Ionización H H H + H

7. - e - e Colisión radiativa 2 2 · Z z I = cte 2 m 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. I= intensidad de la radiación emitida.

8. dE S(E) =- dx ALCANCE 1.2. Poder de frenado y alcance • El poder de frenadoS(E): la pérdida de energía que experimenta una partícula de energíaE en un material determinado por unidad de recorrido. Poder de frenado másico: 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.

9. provocan importantes desviaciones en su trayectoria, resultando ésta, por tanto, irregular y en zigzag. • pierden su energía provocando excitaciones e ionizaciones en los átomos del medio (colisiones inelásticas, C.I.) y emitiendo fotones (colisiones radiativas C.R.) 1.2. Poder de frenado y alcance (2) • Partículas ligeras: • Colisiones elásticas • Colisiones inelásticas • Colisiones radiativas

11. Blanco de W (B) (mancha focal) Circuito de Filamento (F) refrigeración Cátodo (C) Ánodo (A) Nube electrónica + - .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. Tubo de vacío Ventana de (T)(de vidrio) berilo Haz útil de rayos X (H) 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

12. 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 de frenado (COLISIONES RADIATIVAS): espectro continuo; energía máxima determinada por la energía máx. de los electrones • Radiación característica (procedente de las DESEXCITACIONES): espectro discreto, dependiente del material ánodo

13. NO N • 2. 1 Interacción de fotones con la materia • La 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: • TÉCNICAS DE OBTENCIÓN DE IMÁGENES.

14. DISPERSIÓN FOTONES ATENUACIÓN ABSORCIÓN DISPERSIÓN 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. x N No • Fórmula válida si: • Fotones monoenergéticos • Haz colimado • Absorbente delgado N = No e-μx Donde μ(m-1) se conoce como el coeficiente de atenuación lineal y depende de la energía de los fotones y del material absorbente.

15. x 2. 2 Atenuación de fotones (2) Coeficiente de atenuación másico:μm = μ/r(cm 2/g) Ley de atenuación: N = N0e-μmxm donde xm= x·r

16. Espesor decimorreductor:d1/10 es aquel que reduce la intensidad del haz (monoenergético) a su décima parte: 2. 2 Atenuación de fotones (2) Espesor de semirreducción: Grosor del material que consigue atenuar el haz (monoenergético) a la mitad: d1/2= Ln(2) / μ= 0.693 / μ Capa hemirreductora (CHR) es aquella que reduce la exposición del haz (de espectro continuo) a la mitad.

17. 2.3. Procesos de interacción Electrón ionización (absorción)  efectos biológicos FOTÓN Fotones de E ≤ E (otra dirección) dispersión Los procesos elementales de interacción de los fotones con la materia son fundamentalmente: Interacción fotoeléctrica Interacción Compton Creación de pares

18. Electrón libre L K (h·ν) - Ee Fotón γ Núcleo (h·ν) 2.3. Procesos de interacción: Efecto fotoeléctrico La interacción fotoeléctrica es dominante a bajas energías, <100 keV, en tejidos biológicos. 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.

19. L Electrón libre K Núcleo Fotón γ (h·ν) j Fotón γ’ (h·ν’) 2.3. Procesos de interacción: Efecto Compton La interacción Compton es dominante a energías є(100, 1000) keV, en tejidos biológicos. 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)

20. Electrón libre Núcleo Fotón 0,511 MeV Positrón Fotón γ (Energía > 1,022 MeV) 0,511 MeV Fotón 2.3. Procesos de interacción: Creación de pares La creación de pares sucede a energías >1.02 MeV. 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. • 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)

21. 2.3. Procesos de interacción: Coeficiente de atenuación total El coeficiente de atenuación total μ de un medio, para fotones de energía dada, es la suma de los coeficientes de atenuación fotoeléctrica, Compton y de creación de pares.

22. 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. Compromiso en el voltaje elegido • 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.

23. 2. 4 Formación de la imagen radiológica (2) Variación con la energía del coeficiente de atenuación másico para varios materiales.

24. Z efectivo Material Densidad (kg/m3 ) Electrones/g ·1023 2.250 5,97 6 Carbón 1,429 3,01 8 Oxígeno 2.699 2,90 13 Aluminio 8.960 2,75 29 Cobre 11.360 2,38 82 Plomo 1,293 3,01 7,78 Aire 1.000 3,34 7,51 Agua 1.040 3,31 7,64 Músculo 916 3,34 6,46 Grasa 1.650 3,19 12,31 Hueso 4.930 2,51 53 Iodo 3.510 2,45 56 Bario 2.5. Número atómico efectivo Los materiales con los que interaccionan los fotones están formados por compuestos, constituidos por varios elementos químicos. 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