Transcript 2 Interaccion de la radiacion con la materia

Tema 2
Interacción de la radiación con la
materia
IRD-DR-GR-PW2
1
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
IRD-DR-GR-PW2
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1. Interacción de partículas con la materia
 Cuando las partículas interaccionan con la materia
producen una serie de efectos, que son función de:
• Masa
• Tipo de partícula
Ligeras
Pesadas
• Carga (+, -)
• Energía
• Medio de interacción
• estado Físico
• densidad
• componentes (z)
IRD-DR-GR-PW2
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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
IRD-DR-GR-PW2
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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.
ee-
Colisión elástica
IRD-DR-GR-PW2
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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
Ionización
Disociación (ej.)
H
ee-
O H
ee-
O H +H
Excitación
Ionización
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1.1 Interacción de partículas cargadas (2).
Colisión radiativa
e-
La partícula cargada se "frena" o se "desvía" en
su interacción con los átomos del medio y como
resultado emite ondas electromagnéticas
e-
Esta "radiación" se conoce como radiación de
frenado (Bremsstrahlung).
Colisión
radiativa
Este proceso, se produce con mayor
probabilidad en las proximidades del núcleo
atómico como consecuencia de pequeñas
"desviaciones" de la partícula incidente.
2
2
·
Z z
I = cte
2
m
I= intensidad de la radiación
emitida.
IRD-DR-GR-PW2
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1.2. Poder de frenado y alcance
El poder de frenado S(E): la pérdida de energía que experimenta una partícula
de energía E en un material determinado por unidad de recorrido.
dE
S(E) =-
dx
 dE 
- dx  =
total
 dE 
 dE 
+
 dx 
- dx 
colisión
radiación
Poder de frenado másico:
 dE   1   dE 
     
dx
    dx 
M 

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
IRD-DR-GR-PW2
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1.2. Poder de frenado y alcance (2)
Partículas ligeras:
•Colisiones elásticas
•Colisiones inelásticas
•Colisiones radiativas
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.)
IRD-DR-GR-PW2
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ELECTRONES EN AGUA
PODER DE FRENADO
(MeV·cm2/g)
ENERGÍA
(MeV)
ALCANCE
(g/cm2)
RENDIMIENTO DE
RADIACIÓN
COLISIÓN
RADIACIÓN
TOTAL
0.010
2.320·101
5.069·10-3
23.21
2.436·10-4
1.245·10-4
0.015
1.690·101
1.691·10-3
16.91
4.998·10-4
1.686·10-4
0.020
1.350·101
4.904·10-3
13.51
8.331·10-4
2.087·10-4
0.025
1.136·101
4.858·10-3
11.37
1.238·10-3
2.460·10-4
0.030
9.879
4.825·10-3
9.884
1.712·10-3
2.814·10-4
0.035
8.789
4.792·10-3
8.794
2.249·10-3
3.150·10-4
0.040
7.961
4.788·10-3
7.956
2.848·10-3
3.473·10-4
0.045
7.287
4.796·10-3
7.292
3.505·10-3
3.787·10-4
0.050
6.747
4.812·10-3
6.751
4.218·10-3
4.093·10-4
0.055
6.298
4.835·10-3
6.303
4.986·10-3
4.394·10-4
0.060
5.919
4.863·10-3
5.924
5.804·10-3
4.689·10-4
0.065
5.596
4.896·10-3
5.600
6.673·10-3
4.981·10-4
0.070
5.315
4.932·10-3
5.320
7.589·10-3
5.268·10-4
0.075
5.070
4.970·10-3
5.076
8.552·10-3
5.552·10-4
0.080
4.854
5.011·10-3
4.859
9.559·10-3
5.834·10-4
0.085
4.662
5.044·10-3
4.667
1.061·10-2
6.111·10-4
0.090
4.491
5.089·10-3
4.496
1.170·10-2
6.386·10-4
0.095
4.336
5.136·10-3
4.341
1.288·10-2
6.660·10-4
0.100
4.197
5.184·10-3
4.202
1.400·10-2
6.931·10-4
0.150
3.299
5.716·10-3
3.304
2.760·10-2
9.565·10-4
0.200
2.844
6.286·10-3
2.850
4.400·10-2
1.210·10-3
0.250
2.573
6.909·10-3
2.580
6.250·10-2
1.456·10-3
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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
Filamento (F)
Cátodo (C)
Nube electrónica
Ánodo (A) Blanco de W (B)
(mancha focal)
Circuito de
refrigeración
.. ....
..
..
.. .. .. ..
.. ..
..
..
.. ..
..
..
.. .. ......
-
Ventana de
berilo
+
Tubo de vacío
(T)(de vidrio)
Haz útil de
rayos X (H)
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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
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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.
NO
N
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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.
DISPERSIÓN
FOTONES
ABSORCIÓN
ATENUACIÓN
x
No
DISPERSIÓN
N
Fórmula válida si:
• Fotones monoenergéticos
N = No e-μx
• Haz colimado
• Absorbente delgado
Donde μ (m-1) se conoce como el coeficiente de atenuación lineal y depende de
la energía de los fotones y del material absorbente.
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2. 2 Atenuación de fotones (2)
μ m = μ/ (cm 2/g)
Coeficiente de atenuación másico:
Ley de atenuación: N = N0 e-μmxm
donde xm= x·
x
120
Radiación transmitida (% )
100
80
60
40
20
0
0
E
2E
3E
4E
Espesores de semirreducción
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5E
6E
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
Espesor decimorreductor :d1/10
es aquel que reduce la intensidad del haz (monoenergético) a su décima parte:
d1/10
Ln 10
=

Capa hemirreductora (CHR)
es aquella que reduce la exposición del haz (de espectro continuo) a la mitad.
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2.3. Procesos de interacción
Los procesos elementales de interacción de los fotones con la materia son
fundamentalmente:
Electrón  ionización (absorción) 
efectos biológicos
FOTÓN
Fotones de E ≤ E (otra dirección)  dispersión
Interacción fotoeléctrica
Interacción Compton
Creación de pares
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2.3. Procesos de interacción: Efecto fotoeléctrico
La interacción fotoeléctrica es dominante a bajas energías, <100 keV, en tejidos
biológicos.
L
K
Fotón γ
(h·ν)
(h·ν) - Ee
Núcleo
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.
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2.3. Procesos de interacción: Efecto Compton
La interacción Compton es dominante a energías є(100, 1000) keV, en tejidos
biológicos.
L
K
Núcleo
Fotón γ
(h·ν)
j
Fotón γ’
(h·ν’)
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)
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2.3. Procesos de interacción: Creación de pares
La creación de pares sucede a energías >1.02 MeV.
Núcleo
0,511 MeV
Fotón γ
(Energía > 1,022 MeV)
0,511 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)
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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.
   ( IF )   ( IC )   (CP)
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2. 4 Formación de la imagen radiológica
La imagen radiológica se forma:
•
Efotones Є (20 ,120) keV
Haz de fotones transmitido que
alcanza el sistema de registro de
la imagen.
Pueden ser:
E. fotoeléctrico:
•
Primarios (Sin interacción)
•
Secundarios (I. Compton)
• 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.
E. Compton:
Compromiso en
el voltaje
elegido
• 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.
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2. 4 Formación de la imagen radiológica (2)
Coef. de atenuación másico
100
Yodo
10
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 másico para varios
materiales.
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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
Material
Carbón
Oxígeno
Aluminio
Cobre
Plomo
Aire
Agua
Músculo
Grasa
Hueso
Iodo
Bario
Densidad (kg/m3 )
2.250
1,429
2.699
8.960
11.360
1,293
1.000
1.040
916
1.650
4.930
3.510
Z efectivo
6
8
13
29
82
7,78
7,51
7,64
6,46
12,31
53
56
IRD-DR-GR-PW2
24
Electrones/g ·1023
5,97
3,01
2,90
2,75
2,38
3,01
3,34
3,31
3,34
3,19
2,51
2,45