TEMA 1: PRODUCCIÓN Y

CUALIDADES DE LOS RAYOS X.

Curso de Protección Radiológica para dirigir instalaciones

de Rayos X con fines de diagnóstico médico.

Francisco Blázquez Molina

Servicio de Protección Radiológica

HUiP La Fé, Valencia

Índice:

1. Estructura de la materia: 1. 1. Introducción. 1. 2. Estructura atómica. 1. 3. Unidades de masa y energía en física atómica. 1. 4. Radiación electromagnética.

2. Interacción de la radiación con la materia: 2. 1. Introducción. 2. 2. Interacción de partículas con la materia. 2. 3. Interacción de fotones con la materia. 2. 4. Formación de la imagen radiológica.

1. Estructura de la materia.

1.1. Introducción: Átomos y moléculas.

Elemento químico: sustancias que no pueden considerarse constituidas por otras más sencillas que mantengan sus propiedades químicas.

Compuestos o combinaciones químicas: sustancias que surgen de la combinación de dos o más elementos químicos.

Átomo Molécula

1.2. Estructura atómica: núcleo y corteza.

Núcleo: - Formado por neutrones y protones. - Carga eléctrica positiva. - Totalidad de la masa del átomo. - Radio típico: 10-14 m

Corteza eléctrica: - Formado por electrones. - Carga eléctrica negativa. - Poco masivo. - Radio típico: 10-10 m.

1.2. Estructura atómica: tabla periódica de los

elementos.

1 𝑢𝑚𝑎 = 1,6606 · 10−27 𝑘𝑔

1 𝑘𝑔 = 1 𝑘𝑔1 𝑢𝑚𝑎

1,6606 · 10−27 𝑘𝑔= 6,22 · 1026 𝑢𝑚𝑎

Unidad de masa atómica (UMA): doceava parte de la masa de un átomo de 12C.

Electronvoltio (eV): energía cinética que posee un electrón, al ser acelerado por una diferencia de potencial de un voltio, partiendo del reposo.

1 𝑒𝑉 = 1,602 · 10−19 𝐽

1 𝐽 =1 𝑒𝑉

1,602 · 10−19 𝐽 = 6,242 · 1018 𝑒𝑉

Equivalencia masa-energía:

𝐸 = 𝑚𝑐2

𝑐 = 3 · 108 𝑚/𝑠

1.3. Unidades de masa y energía en física atómica.

1.4. Radiación electromagnética: generalidades.

Onda: propagación de energía sin transporte de materia.

Onda electromagnética: onda capaz de propagarse en el vacío, formada por un campo eléctrico y otro magnético, en fase, cuyos planos de propagación son perpendiculares.

𝑐 = 𝜆 · 𝜈

Velocidad de propagación: 𝑐 = 3 · 108 𝑚/𝑠 Propiedades ópticas dependientes de la longitud de onda: partes blandas de nuestro cuerpo transparentes a rayos X y opacas a la luz visible. Radiaciones ionizantes a partir de: λ ≈ 10−8 𝑚. Correspondiente a UV-Rayos X. Especial interés en los rayos X (𝜆 comprendidas entre 0,1 𝑛𝑚 𝑦 10 𝑛𝑚).

1.4. Radiación electromagnética: características.

La energía de una onda NO puede tomar cualquier valor: cuantización.

𝐸 = ℎ𝜈 =ℎ𝑐

𝜆 ℎ = 6,626 · 10−34 𝐽 · 𝑠 = 4,14 · 10−15 𝑒𝑉 · 𝑠

Por ello, también podemos entender la radiación electromagnética desde un punto de vista corpuscular.

Naturaleza corpuscular: - Interacción con la materia. - Absorción y emisión atómica.

Naturaleza ondulatoria: - Difracción y reflexión.

1.4. Radiación electromagnética: dualidad onda

corpúsculo, el fotón.

- Ionización y desexcitación de un átomo.

Niveles concretos de energía, diferentes en cada elemento, dependiendo de su número atómico.

- Radiación de frenado o Bremsstrahlung.

Cualquier valor de la energía, siempre igual o inferior a la del electrón incidente.

1.4. Radiación electromagnética: producción de

rayos X.

2. Interacción de la radiación con la materia.

2.1. Introducción: ¿de qué depende una colisión?

Tipo de partícula:

• Partículas cargadas. - Ligeras (electrones y positrones). - Pesadas (protones, partículas alfa, fragmentos de fisión…).

• Partículas sin carga.

- Neutrones.

• Fotones.

Medio: su composición, densidad, estado físico… Energía.

2.2. Interacción de partículas con la materia:

tipos de colisiones para partículas cargadas.

A. Colisiones elásticas. B. Colisiones inelásticas. C. Colisiones radiativas.

2.2. Interacción de partículas con la materia:

tipos de colisiones para partículas cargadas.

A. Colisiones elásticas. B. Colisiones inelásticas. C. Colisiones radiativas.

- Interacción entre la partícula y la totalidad del átomo. - Cierta parte de la energía de la partícula

incidente (proyectil) es cedida en forma de energía cinética al átomo (blanco).

∆𝐸𝛾 = 𝐸𝑝𝑟𝑜

4 · 𝑚𝑝𝑟𝑜 · 𝑚𝑏𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜

𝑚𝑝𝑟𝑜 + 𝑚𝑏𝑙𝑎𝑛𝑐𝑜2

- No se producen reacciones nucleares ni atómicas en el medio. El proyectil es desviado.

2.2. Interacción de partículas con la materia:

tipos de colisiones para partículas cargadas.

A. Colisiones elásticas. B. Colisiones inelásticas. C. Colisiones radiativas. - Interacción entre la partícula y

los electrones del átomo. - Cierta parte de la energía de la

partícula incidente es cedida a los electrones, provocando la excitación (si un electrón pasa a un estado menos ligado) o la ionización (si el electrón escapa de la atracción del núcleo) del átomo.

- La excitación suele ir seguida de la emisión de un fotón, cuando el electrón vuelve a su estado habitual.

- La ionización, si se produce en medios moleculares, puede ocasionar fenómenos de disociación o radiólisis. La disociación genera radicales libres con gran reactividad química.

2.2. Interacción de partículas con la materia:

tipos de colisiones para partículas cargadas.

A. Colisiones elásticas. B. Colisiones inelásticas. C. Colisiones radiativas.

- Interacción entre la partícula y el átomo.

- La partícula se desvía, generando ondas EM (fotones).

La intensidad de las ondas depende de la carga (z) y masa (m) del la partícula incidente y de la carga (Z) del núcleo.

𝐼 = 𝑘𝑍2 · 𝑧2

𝑚𝑝𝑟𝑜2

- El equipo de rayos X se fundamenta en este proceso. Por ello se usa electrones, y Wolframio (Z=74).

- La energía de la onda depende de la energía de la partícula incidente.

2.2. Interacción de partículas con la materia:

poder de frenado y alcance.

- Poder de frenado: pérdida de energía por unidad de longitud recorrida.

𝑆 = −𝑑𝐸

𝑑𝑥 → 𝑆𝑚 = −

𝑑𝐸

𝜌 𝑑𝑥

- Suma de las colisiones y las pérdidas radiativas.

𝑑𝐸

𝑑𝑥=

𝑑𝐸

𝑑𝑥𝑐𝑜𝑙

+𝑑𝐸

𝑑𝑥𝑟𝑎𝑑

𝑑𝐸𝑑𝑥 𝑟𝑎𝑑

𝑑𝐸𝑑𝑥 𝑐𝑜𝑙

=𝑍𝑚𝑒𝑑𝑖𝑜 · 𝐸𝑝𝑟𝑜

800

- Alcance: penetración máxima de una partícula en un medio.

2.3. Interacción de fotones con la materia:

atenuación.

dx

Electrones

Fotones

dispersados

Fotones que no

interaccionan

(Nf)

Fotones

iniciales (N0)

- Atenuación: disminución del número de fotones incidentes, debido a procesos de absorción o dispersión.

- Sigue una ley exponencial:

𝑑𝑁 = −𝜇 𝑁 𝑑𝑥

𝑁𝑓 = 𝑁𝑜𝑒−𝜇𝑥 = 𝑁𝑜𝑒−

𝜇𝜌

𝜌𝑥

Solo válido en haces monoenergéticos, muy colimado y absorbente estrecho. - Capa hemirreductora

(decimorreductora): espesor de material necesario para reducir a la mitad (a la décima parte) el número de fotones.

𝑁𝑓 = 𝑁𝑜/2 ó 𝑁𝑓 = 𝑁𝑜/10

𝑑1/2 =ln 2

𝜇 ó 𝑑1/10 =

ln 10

𝜇

2.3. Interacción de fotones con la materia: tipos

de interacciones.

A. Efecto fotoeléctrica. B. Interacción Compton. C. Producción de pares electrón-positrón.

Interacción Compton.

Producción de pares electrón-positrón.

Efecto fotoeléctrica.

A. Efecto fotoeléctrica. B. Interacción Compton. C. Producción de pares electrón-positrón.

2.3. Interacción de fotones con la materia: tipos

de interacciones.

Efecto fotoeléctrica.

- Interacción entre un fotón y un electrón fuertemente ligado en el átomo.

- Toda la energía del fotón es transferida al ‘‘fotoelectrón’’: se emplea en arrancarlo

del átomo, y darle cierta energía cinética. 𝐸𝛾 = 𝐸𝑙𝑖𝑔𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 + 𝐸𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎 // 𝐸𝛾 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎 = 𝐸𝑙𝑖𝑔𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎 // 𝐸𝑐𝑖𝑛é𝑡𝑖𝑐𝑎 = 𝐸𝛾 − 𝐸𝑙𝑖𝑔𝑎𝑑𝑢𝑟𝑎

- Probabilidad de que se produzca el efecto fotoeléctrico:

• Disminuye al aumentar la energía. • Aumenta al aumentar el número atómico del blanco. • Es proporcional a la densidad del medio.

- Es la interacción dominante para energías inferiores a 100 keV.

A. Efecto fotoeléctrica. B. Interacción Compton. C. Producción de pares electrón-positrón.

2.3. Interacción de fotones con la materia: tipos

de interacciones.

Interacción Compton.

- Interacción entre un fotón y un electrón débilmente ligado en las capas más externas del átomo.

- Parte de la energía del fotón es transferida al electrón y parte al fotón dispersado.

El fotón dispersado siempre tendrá menos energía que el incidente. La energía transferida al electrón dependerá de la energía del incidente y del ángulo con el que es emitido.

- Probabilidad de que se produzca interacción Compton:

• Disminuye al aumentar la energía, pero en menor medida que en el EF. • No varía con el número atómico del blanco. • Es proporcional a la densidad del medio.

- Es la interacción dominante para energías medias, entre 100 y 1000 keV en tejidos.

A. Efecto fotoeléctrica. B. Interacción Compton. C. Producción de pares electrón-positrón.

2.3. Interacción de fotones con la materia: tipos

de interacciones.

Producción de pares electrón-positrón.

- Interacción entre un fotón y núcleo, aunque en ocasiones se produce con un electrones llamándose generación de tripletes.

- El fotón desaparece dando lugar a una pareja electrón-positrón. El positrón en un

98% de los casos interacciona con otro electrón, produciendo por lo general dos fotones en direcciones opuestas.

- Probabilidad de que se produzca producción de pares:

• Aumenta al aumentar la energía, siendo la energía mínima 1024 keV en presencia de núcleos y 2048 keV en presencia de electrones.

• Es proporcional al número atómico del blanco. • Es proporcional a la densidad del medio.

2.3. Interacción de fotones con la materia:

coeficiente de atenuación total.

𝜇(total)=𝜇(EF)+𝜇(IC)+𝜇(PP)

2.4. Formación de la imagen radiológica.

• Efecto fotoeléctrico. - Mayor contraste. - Depende de Z3.

- Energías bajas <30 keV.

• Dispersión Compton. - Menor dosis. - Se generan fotones dispersos. - Energía medias >50 keV.

Pero: mayor dosis, toda la energía de los fotones es absorbida.

Pero: menor contraste. Se utilizan rejillas antidifusoras, eliminando hasta el 90 % de radiación dispersa.