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.
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