Tema 2: Interacción de la Radiación | PDF

2 Interacción de la radiación con la materia CONTENIDOS Contenidos I. Interacción de partículas II. Interacción de electrones III. Interacción de fotones con la materia IV. Formación de la imagen radiológica...

2 Interacción de la radiación con la materia CONTENIDOS Contenidos I. Interacción de partículas II. Interacción de electrones III. Interacción de fotones con la materia IV. Formación de la imagen radiológica 2 Interacción de partículas Cuando las partículas interaccionan con la materia producen una serie de efectos, que son función de: 3 Interacción de partículas cargadas Las partículas cargadas pierden su energía al interaccionar con la materia a través de tres tipos de interacciones coulombianas fundamentalmente: 1. Colisión elástica 2. Colisión inelástica 3. Colisión radiativa 4  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. e- e- Colisión elástica 4 Colisión inelástica La partícula interacciona con los electrones atómicos transfiriendo a estos energía, y se puede producir: Ionización del átomo Excitación del átomo Disociación o radiólisis de las moléculas e- e- e- e- H O H Excitación O H +H Ionización Disociación  Colisión radiativa La partícula cargada se "frena" o se "desvía" en su interacción con un átomo del medio y como resultado emite radiación en forma de ondas electromagnéticas Esta radiación se conoce como radiación de frenado o Bremsstrahlung Este proceso, se produce con mayor probabilidad en las proximidades del núcleo atómico como consecuencia de pequeñas "desviaciones" de la partícula incidente. e- e- La intensidad de la radiación emitida aumenta con el número atómico Z del átomo y con la carga de la partícula incidente Colisión radiativa 7  Poder de frenado - El poder de frenado S(E), es la pérdida de energía que experimenta una partícula de energía E en un material determinado por unidad de recorrido. dE  dE   dE   dE  S (E) = − - dx  = - dx  + -  dx total colisión  dx radiación La partícula pierde energía atravesando el medio en los distintos procesos descritos (colisión, radiación) - Poder de frenado másico:  dE   1   dE  -  =      dx  M     dx  8  Alcance - 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 Penetración  Poder de frenado y alcance Partículas ligeras: provocan importantes desviaciones en su Colisiones elásticas trayectoria, resultando ésta, por tanto, irregular y en zigzag. Colisiones inelásticas pierden su energía provocando excitaciones e Colisiones radiativas ionizaciones en los átomos del medio (colisiones inelásticas, C.I.) y emitiendo fotones (colisiones radiativas C.R.) 11  Interacción de electrones Interacción de electrones en medios con Z altos Colisión Colisión Colisión elástica inelástica radiativa a b Rayos X c d característicos E E Superficie del blanco Br Ene em rg ss ía d tra e P hl un g K L M Rayo N delta Electrón K arrancado E= h Electrón en reposo 12  Interacción de electrones Interacción de electrones en medios con Z altos En general, el electrón va cediendo su energía poco a poco a lo largo de colisiones elásticas e inelásticas Ionizaciones Interacción electrostática con el núcleo de un átomo: emisión de radiación de frenado → ESPECTRO CONTÍNUO Excitaciones: si en una de las colisiones pierde energía suficiente para arrancar un electrón de una capa (energía de ligadura) Al volver al estado fundamental, emisión de radiación característica → ESPECTRO DISCRETO 13  Interacción de electrones 1: Procesos que puede sufrir una partícula cargada al interaccionar con la materia: 1.colisión elástica, 2.-excitación, 3.-ionización, 4.-radiación de frenado. 14 Interacción de electrones 15 Rayos X Formación (Radiación de frenado) Espectro Rx (Radiación característica) Atenuacion (Absorción) (Dispersión) 16  Interacción de electrones Interacción de electrones en medios con Z altos 99% de la energía cedida al material se transforma en calor Excitaciones Ionizaciones 1% se transforma en radiación electromagnética Rayos X característicos Espectro continuo de radiación de frenado 17  Interacción de electrones 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 18 Interacción de fotones con la materia Fotones = Partículas sin carga ni masa o Macroscópico: Atenuación de un haz al atravesar un objeto Blindajes o Microscópico: Procesos de interacción de los fotones con los átomos Formación de la imagen 19  Atenuación de fotones Cuando un haz monoenergético de N0 fotones (rayos X o radiación γ) atraviesa un material, se observa una disminución en el número de estos: ATENUACIÓN LEY DE ATENUACIÓN N = N0 e-μx Donde μ (m-1) se conoce como coeficiente de atenuación lineal y depende de la energía de los fotones y del material absorbente. Atenuación de fotones N = N 0 e − . x = N 0 e −  m. xm Ley de atenuación:  m = xm = x.  Expresión válida sólo si: Fotones monoenergéticos Haz colimado Absorbente delgado  Atenuación de fotones Espesor de semirreducción: espesor del material que consigue atenuar la intensidad del haz (monoenergético) a la mitad N0 ln 2 N= = N 0e − . x1 / 2  x1/ 2 = 2 μ Capa hemirreductora (HVL): espesor de material que hay que interponer ante un haz multienergético (espectro continuo) para reducir la intensidad del haz a la mitad Espesor de decimorreductor: espesor del material que consigue atenuar la intensidad del haz (monoenergético) a la décima parte N0 ln10 N= = N 0e − . x1 / 10  x1/10 = 10 μ  Procesos de interacción de fotones Los procesos elementales de interacción de los fotones con la materia son fundamentalmente: Efecto Fotoeléctrico Dispersión Compton Creación de pares electrón- positrón 23 Efecto fotoeléctrico hν = Energía ligadura + Energía cinética del electrón del electrón 24  Efecto fotoeléctrico 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 con el átomo El resto de la energía de transforma en energía cinética de ese electrón h = Eligadura + Ecinética La probabilidad de que se produzca una interacción fotoeléctrica : ►  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. 25 Dispersión Compton L K Núcleo Fotón γ (h·ν)  Fotón γ’ (h·ν’) h.ν = Energía cinética + h ν’ del electrón 26  Dispersión Compton 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’ h = h '+ Ecinética La probabilidad de que se produzca una interacción Compton: ►  cuando la energía de los fotones  (aproximadamente como 1/E). ► ≈ cuando Z del blanco . ► Es proporcional a la densidad atómica del medio (ρ) 27 Creación de pares Núcleo 0,511 MeV Fotón γ (Energía > 1,022 MeV) 0,511 MeV La energía necesaria para producir un par electrón (-) y positrón (+) es mayor de 1,022 MeV, energía que no se utiliza en radiodiagnóstico 28 Creación de pares Fundamento de la Tomografía por emisión de positrones (PET) 29 Interacción de la radiación con la materia La interacción fotoeléctrica es dominante a bajas energías, 1,02 MeV. Desde el punto de vista de formación de la imagen, la interacción de interés es la fotoeléctrica 30 Interacción de la radiación con la materia 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. 31  Formación de la imagen radiológica Fotones que atraviesan tejido interaccionan con sus átomos mediante: Efecto fotoeléctrico Dispersión Compton Efotones Є (20 ,120) keV El haz de fotones transmitido que alcanza el sistema de registro de la imagen. Los fotones que llegan sin haber sufrido interacción, se denominan PRIMARIOS, y contribuyen a formar la imagen Los fotones que llegan tras sufrir una dispersión Compton se denominan SECUNDARIOS 32 Formación de la imagen radiológica 33 Haces de radiación 34  Formación de la imagen radiológica 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 35 Formación de la imagen radiológica Coef. de atenuación másico 100 10 Yodo Plomo Hueso 1 Músculo Grasa 0,1 0 50 100 150 Energía de los rayos X (keV) Variación con la energía del coeficiente de atenuación para varios materiales. 36  Formación de la imagen radiológica En las partes blandas del organismo, el número atómico eficaz tiene un valor medio de 7,3, que es muy parecido al del agua, mientras que el número atómico eficaz del sistema óseo tiene un valor de 12,31. La absorción que sufre un haz cuando atraviesa una estructura compuesta por hueso será siete veces mayor que la que sufren las partes blandas: 12,313 = 1865,41 y 7,33 = 389,01. 37 Formación de la imagen radiológica 38 Formación de la imagen radiológica 39 Formación de la imagen radiológica 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 D. Compton: Menos contraste entre tejidos (~Z) Mucha radiación dispersa (velo uniforme que deteriora el contraste) Mejora del contraste y reducción del velo empleando rejillas antidifusoras Baja dosis al paciente: sólo es absorbida una parte de la energía del fotón incidente 40 41