Fsica de las Radiaciones BioIng. Hctor R. Agero2013UNIVERSIDAD DE MENDOZA FACULTAD DE INGENIERABIOINGENIERA

Estructura del tomo

Cada electrn se encuentra ligado al ncleo por una cantidad fija de energa.Si uno desea remover un electrn y que este quede libre, debe proveerse energa.La mnima cantidad de energa requerida para liberar a un electrn se conoce como la energa de ligadura del electrn en el tomo Eb Unidad de energa: eV ; Joule Energa de Ligadura

ExcitacinBajo condiciones normales, los electrones ocupan los niveles de energa ms bajos posibles (las capas ms cercanas al ncleo).La cantidad de electrones por capa ser consistente con el principio de exclusin de Pauli. K2 L 8 M 18 N 32Sin embargo, los electrones pueden ser desplazados a capas ms altas (no ocupadas) temporariamente por la absorcin de energa.

Esta absorcin puede suceder de varias maneras:CalorCampos elctricos fuertesPasaje de partculas cargadas por la materiaImpacto mecnicoLos tomos excitados son, en general, inestables y vuelven a su configuracin normal al emitir radiacin electromagntica (fluorescencia), dentro de los 10-9 segundos.

Excitacin

Ionizacin

Proceso mediante el cual uno o ms electrones son liberados de tomos molculas. Si la energa impartida al electrn no es suficiente para arrancarlo del tomo, pero alcanza para que adquiera un estado de mayor energa, se dice que se ha producido un proceso de excitacin.

IonizacinProceso por el cual un tomo neutro adquiere carga positiva o negativa por la prdida o ganancia de un electrnLa energa impartida al electrn debe ser igual o superior a la energa de ligadura Eb El exceso de energa se convierte en energa cintica (EK) del electrn libre

Radiaciones IonizantesSon aquellas con energa, tales que al interaccionar con un medio le transfieren energa suficiente para desligar a un electrn de su tomo, dando como resultado un par inico.Radiaciones No-IonizantesSon aquellas con energa, tales que al interaccionar con un medio no poseen la suficiente energa para excitar o desligar a un electrn de su tomo, no siendo capaces de producir un par inico.

Clasificacin

ClasificacinRadiaciones Particuladas E es propagada por corpsculos que tienen masa. (protones, neutrones, electrones)Radiaciones Electromagnticas E es propagada por fenmenos tales como ondas de luz, microondas, rayos ultravioletas, rayos x y rayos gamma (fotones). E = hn = hc/l

Radiaciones IonizantesPartculas con carga: (e-, p+) son conocidas como radiaciones directamente ionizantes siempre que posean suficiente energa cintica para producir ionizacin cuando penetran la materia.E se pierde en un gran nmero de pequeos incrementos a lo largo de la trayectoria de ionizacin en el medio.Interactan con la materia sobre todo mediante las fuerzas de Coulomb, que les hace repeler o atraer electrones de tomos y molculas en funcin de sus cargas.Partculas sin carga: (neutrones, fotones) son conocidas como radiaciones indirectamente ionizantes ya que ellas son las que liberan partculas directamente ionizantes cuando interactan con la materia.

Espectro Electromagntico

La radiacin no ionizante abarca todas las frecuencias inferiores al umbral de UV:

UltravioletaEspectro visibleInfrarrojoRadiofrecuencias (microondas, ondas de radio)Frecuencias bajas Radiaciones No-Ionizantes

Radiaciones IonizantesEl umbral de frecuencia, por encima del cual una radiacin es ionizante se sita en torno a los 12eV y una longitud de onda de 100nm.

Las radiaciones de longitud de onda menores a 320 nm sern ionizantes. Sin embargo suele excluirse la regin de 100 a 400 nm (UV), debido a su bajo poder de penetracin en la mayora de los materiales.La energa necesaria para producir la ionizacin de un tomo se encuentra entre 4 25 eV.

Radiaciones Ionizantes

Radiaciones IonizantesRayos X: Radiacin electromagntica emitida por partculas cargadas cuando se frenan en un campo de Coulomb (bremsstrahlung) o bien cuando excitan transiciones electrnicas en tomos (rayos x caractersticos). Los rangos de energa de los rayos x se clasifican de la siguiente manera:

0.1 20 kVRayos x de baja energa o blandos 20 120 kVRayos x de uso diagnstico120 300 kV Rayos x de ortovoltaje (Terapia Superficial)300 1 MVRayos x de energa intermedia (Terapia)> 1MVRayos x de megavoltaje (Radioterapia)

Campo de RadiacinLas mediciones de radiacin requieren de varias especificaciones del campo radiante en el punto de inters.El nmero N de partculas.La energa E transportada por las partculasPara N partculas de energa E el campo radiante es:

R = E x N

Magnitudes y Unidades

Dosis Absorbida: energa depositada por cualquier tipo de radiacin, por unidad de masa de material irradiado. D = 1J/Kg = 1Gy [Gray]1eV = 1.602x10-19J

Dosis iguales de radiaciones ionizantes de diferente naturaleza tienen en general diferentes efectos biolgicos.La unidad que tiene en cuenta el efecto biolgico es el Sievert (Sv): 1 Sv = 1 Gy . EBR [Sievert]

Supongamos una esfera infinitesimal de seccin mxima da centrada en un punto P. Se define la fluencia, como el nmero de partculas que inciden en la esfera por unidad de superficie da:

Fluencia de Partculas

Tasas de Fluencia de PartculasLa tasa de fluencia se define como la fluencia por unidad de tiempo:

Definicin:La fluencia de energa es el cociente entre dR y dA, donde dR es la energa radiante incidente en una esfera de seccin transversal dA.

Para el caso especial de haces monoenergticos, la fluencia de energa puede calcularse apartir de la fluencia de partculas usando la siguiente ralacin:Fluencia de Energa

Tasa de Fluencia de Energa puede ser definida para todos los valores de t en el intervalo desde t=t0 (=0) hasta t=tmax (= max). Entonces para cualquier t dentro del intervalo definimos:

se denomina tasa de fluencia de energa o densidad de flujo energtico.

Energa Transferida

Kerma

Componentes del Kerma

Componentes del Kerma

Componentes del Kerma

Tasa de Kerma

Kerma en un Material

Energa Impartida

Dosis

Tasa de Dosis

Ejemplo

Exposicin

Exposicin

Exposicin - Kerma

Tasa de Exposicin

Interaccin de la Radiacin

Equipos de RX

Tipos de Interaccin

La radiacin electromagntica (fotones) interacta con la materia de 5 formas diferentes:

Dispersin Rayleigh Efecto Fotoelctrico Efecto Comptom Produccin de Pares Interacciones Fotonucleares

Los fotones interactan con la materia y causan ionizacin de varias maneras diferentes: la probabilidad de cada interaccin depender de la Energa de los fotones y del nmero atmico Z del medio. La interaccin puede ser con un electrn o con el ncleo del tomo Desaparecer completamente (Fotoelctrico,Pares) Dispersado , elastica (Rayleigh) Dispersado, inelastica (Compton)

Tipos de Interaccin

Tipos de Interaccin

Dispersin RayleighInteraccin elstica: No hay perdida de energa EINCIDENTE = EDISPERSADO

Como no existe transferencia de E desde el fotn a laspartculas cargadas, no se produce ni excitacin niionizacin. Esta interaccin no contribuye a la Dosis.

Efecto FotoelctricoInteraccin con un electrn orbital ligado al tomo.El fotn incidente es totalmente absorbido y su energa es transferida al electrn, el cual es liberado tomo se encuentra ionizadoe- de capas externas rayos x caractersticose- (electrones Auger)e-(K)

Interacciona con los electrones de las capas ms internas de un tomo, especialmente de nmero atmico (Z) alto.El efecto fotoelctrico no puede darse a menos que h > Eb para dicho electrn.En Radiologa y Tomografa, la diferencia en Z de los tejidos biolgicos (msculo, hueso, grasa, etc.) hace que se vea amplifica la diferencia en la absorcin de los rayos x.

Efecto Fotoelctrico

El fotn incidente tiene una energa E, luego de lainteraccin, el fotn con una energa reducida E, es dispersado con un ngulo q El electrn, que recibe una energa cintica Ee del fotn,es emitido con un ngulo qeEfecto Compton

Es un proceso de absorcin en el cual el fotn desaparece y da lugar a la creacin de un electrn e-y un positrn e+.Puede ocurrir en campos electromagnticos, cerca del ncleo atmico (pares), con menor probabilidad, en el campo electromagntico de un electrn atmico (tripletes).

hn > 1.022 MeVCreacin de Pares

El e+ pierde su energa y al final de su rango se combina con un e- libre dando lugar a la formacin de dos fotones de 0.511 MeV.(Radiacin de aniquilacin)La produccin de pares tiene predominancia cuando fotones de alta energa pasan por materiales de un nmero atmico alto. Creacin de Pares

Las partculas cargadas interactan con la materia a travs de campos electromagnticos con electrones atmicos y con el ncleo atmico.Colisiones elsticasSufre dispersin pero no pierde energa.Colisiones inelsticasParte de su energa es transferida a un e- orbital o emitida como radiacin de Bremsstrahlung.Radiaciones Directamente Ionizantes

Tipos de interaccin inelstica con el campo electromagntico son caracterizadas simplemente en trminos del tamao relativo del parmetro de impacto clsico b vs. el radio atmico a.b>>a Colisiones Blandas (Soft)ba Colisiones duras (Hard)b

Rayos X Para generar rayos X se debe disponer de un haz de electrones, y de un campo elctrico creado por una diferencia de potencial.Cuando un haz de electrones impacta contra un objeto (blanco) se produce radiacin electromagntica, conocida como rayos X Bremsstrahlung

Tubo de Rayos X

Espectro de RX - TensinFiltracin inherente

Filtracin AgregadaSi vemos el espectro de un haz de Rx, el mismo tiene una distribucin continua de E por Bremsstrahlung y picos discretos de radiacin caracterstica.

Esta distribucin incluye los efectos de la atenuacin en la ampolla de vidrio del tubo de Rx, del aceite que rodea y de la ventana de salida de la carcaza del tubo. Esto es llamado filtracin inherente, la cual es equivalente a 1 mm de Al en la mayora de los tubos de Rx. Este filtrado inherente junto con el filtrado agregado absorbe a los Rx caractersticos producidos de muy baja E que no aparecen en el espectro.

Filtracin Agregada

Espectro de RX - Corriente

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