área 2 interaccion de los electrones con la materia

ÁREA 2
INTERACCION DE LOS ELECTRONES CON LA
MATERIA
2.1 INTERACCION DE RADIACIONES DIRECTAMENTE IONIZANTES
CON LA MATERIA.
Las radiaciones constituidas por partículas cargadas se suelen
denominar directamente ionizantes. En general, este tipo de radiaciones actúan sobre
la materia por medio de dos mecanismos principales:
- colisión o choque
- frenado
2.1.1 Colisión.
Cuando una partícula o radiación directamente ionizante choca con un
átomo, puede arrancar de su corteza uno o varios electrones, es decir, produce una
ionización, y pierde energía como consecuencia de la gastada en este primer
proceso. Después del primer choque, la partícula, aunque con menor energía, puede
volver a colisionar, produciendo un nuevo ión. En definitiva, la partícula va
realizando un cierto recorrido, produciendo a su paso ionizaciones, hasta que acaba
por agotar su energía. También es posible que se produzcan excitaciones cuando la
energía cedida al átomo por la radiación no es suficiente para producir ionización.
Así pues, la colisión da lugar a ionizaciones y excitaciones. La partícula va
transfiriendo su energía al medio a lo largo de su recorrido.
2.1.2 Frenado.
Cuando una radiación directamente ionizante pasa cerca de otra
partícula cargada con carga del mismo signo, la repulsión electrostática produce un
cambio de dirección y una disminución de su velocidad. La pérdida de energía
aparece en forma de fotones, que constituyen lo que se llama "radiación de Frenado"
o con su nombre alemán "bremsstrahlung"-
2.2 PARTÍCULAS ALFA.
Sus interacciones ocurren en un espesor muy pequeño, es decir, se trata
de radiaciones muy poco penetrantes. Así, en el aire, el recorrido medio varía desde
6mm a 10 cm para energías comprendidas entre o.6 MeV y 10 MeV. En el agua el
recorrido de las partículas es unas 800 veces menor que en el aire.
2.3 ELECTRONES. COLISIONES. FRENADO. REACCIÓN NUCLEAR.
Son mucho más penetrantes que las partículas α. Las interacciones de
los electrones con la materia de interes en este curso son:
2.3.1 Colisión.
Como ya se ha dicho, da lugar a ionizaciones y excitaciones.
2.3.2 Frenado.
Cuando los electrones alcanzan la proximidad de los núcleos, se
produce el fenómeno de frenado y la consiguiente emisión de fotones de
bremsstrahlung. Este mecanismo es el que se aprovecha para la producción de rayos
X, al hacer incidir un chorro de electrones sobre un material de alto Z (tungsteno).
2.4
PODER DE FRENADO, ALCANCE Y LET.
Una partícula cargada, al atravesar un medio, va perdiendo energía
porque la va gastando en producir ionizaciones, excitaciones o rayos X. Por
consiguiente, la velocidad va disminuyendo hasta detenerse. Si tenemos un haz de
electrones, podemos hacer una media de las distancias recorridas por cada electrón
en el medio. Ese recorrido medio es lo que se suele llamar "alcance" o "rango" de
ese haz de electrones . Esta magnitud se puede medir con relativa facilidad en
cámaras de burbujas o emulsiones fotográficas donde el recorrrido de los electrones
puede hacerse visible.
El poder de frenado lineal, también denominado LET (Linear Energy
Transfer), para un electrón es la relación ∆E/∆x, siendo ∆E la energía cedida al
medio por dicho electrón al recorrer una distancia ∆x medida en línea recta Este
poder de frenado lineal depende, como es lógico, de la energía inicial del electrón y
de la naturaleza y densidad másica del material atravesado. Una magnitud
especialmente interesante para la dosimetría clínica o de protección es el llamado
"poder de frenado másico", que se suele designar con la letra s y que se define así:
s = ∆E /ρ.x
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Curso Protección R.I.. Área 2-2
En muchas ocasiones, el haz de electrones ha de atravesar medios de
diferente naturaleza. En este supuesto, el comportamiento de los electrones resulta
dependiente, entre otras cosas, de la relación entre los poderes másicos de frenado.
Así por ejemplo, cuando pretendemos medir la dosis absorbida en el agua usando
una cámara de ionización (llena de aire), medimos la ionización producida en el aire
de la cámara y , en función de esta medida, determinamos la dosis absorbida
aplicando la fórmula de Bragg-Gray:
Dw = Mu . s(w,air) . Pu . ND
(1)
en la que Mu es la ionización en el aire de la cámara, Pu y ND son factores de
corrección y s(w,air) es la relación entre los poderes másicos de frenado del agua y
del aire. Esta fórmula se cumple aproximadamente en determinadas condiciones
respecto de las cámaras. Los modelos actuales se diseñan y construyen de manera
que sean aptos para aplicar la ecuación (1). El factor ND es característico de cada
cámara y debe haber sido determinado en un proceso de calibración en un
laboratorio de metrología que posee una cámara patrón o en la propia instalación si
se posee otra cámara de ND conocido.
El factor Pu es más bien un conjunto de factores dependientes de la
propia cámara y de la energía de los electrones que constituyen el haz y se
encuentran tabulados en cualquier protocolo, en particular en el titulado
"Procedimiento recomendados para la dosimetría de fotones y electrones de energías
comprendidas entre 1 MeV. y 50 MeV. en Radioterapia de haces externos"
(S.E.F.M. nº 1, 1.984). También están tabuladas las razones de poderes de frenado.
2.5
RADIACIÓN CARACTERÍSTICA Y RADIACIÓN DE FRENADO.
INFLUENCIA DEL FILTRADO.
En la FIGURA 1 se ha esquematizado un tubo de Rayos X . Por el
filamento del cátodo se hace pasar una corriente que lo pone incandescente y que es
capaz de liberar electrones (C), que se encuentran en presencia de un campo
eléctrico si establecemos una diferencia de potencial (V) entre el ánodo y el cátodo.
Los electrones son atraídos por el ánodo, adquiriendo energía cinética y
llegando a (A) con una energía E= e V. Así si la diferencia de potencial son 100 kV,
la energía de los electrones al llegar al ánodo es de 100 keV.
Un tubo de rayos X consiste en un tubo de vidrio, en el que se ha hecho
vacío, en cuyo interior y en un extremo va el cátodo (negativo) y en el otro va el
ánodo (positivo). El cátodo está formado por un filamento incandescente de
tungsteneo y el ánodo es una barrera de cobre, en cuya parte final hay una pieza de
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tungsteno de 1 cm2 aproximadamente, que constituye el foco, y en donde colisionan
los electrones acelerados.
La energía que portan estos electrones se transforma en, a) energía
calorífica, b) radiación de frenado y c) radiación característica.
a) Al llegar los electrones a un átomo cualquiera del ánodo,
interaccionan con los electrones de dicho átomo o con el propio núcleo. Para las
energías correspondientes a los rayos X de diagnóstico, la mayor parte de los
electrones procedentes del cátodo interaccionan con la corteza electrónica,
produciendo excitaciones e ionizaciones que rápidamente recuperan su situación
normal y ocasionan un incremento de temperatura en el material.
b) Algunos de los electrones del cátodo llegar a interaccionar con el
núcleo, o bien porque chocan con él directamente o bien porque pasan cerca de él y
son atraídos. En estas condiciones dichos electrones son frenados y la energía
cinética que pierden se emite en forma de radiación, de acuerdo con la teoría
eletromagnética.
La pérdida de energía varía desde cero hasta la máxima energía de los
electrones procedentes del cátodo. Los fotones obtenidos por frenado se emitirán
con energías dentro de los mismos límites.
Así, si manejamos un tubo con 120 kV, tendremos fotones entre 0 y 120
keV. Ahora bien, es difícil obtener fotones de la máxima energía, pues para ello es
necesario que el choque entre el electrón y el núcleo sea frontal, esto es, que pierda
toda su energía. Lo que en realidad ocurre, es que la probabilidad de que se emita un
fotón con una determinada energía es tanto mayor cuanto menor es esa energía.
Según esto, el número de fotones producido por frenado en función de la energía
estaría representado en la FIGURA 2 por la línea de puntos. Ahora bien, como
dichos fotones tienen que atravesar las paredes del tubo de rayos X, los de más baja
energía serán absorbidos, dando la curva de trazo continuo. Desde un punto de vista
práctico y para tensiones por debajo de 200 kV, se alcanza el máximo número de
fotones para unos 40 keV y la energía media de los fotones emitidos por frenado
oscila entre el 35 y el 60% de la energía máxima.
c) La radiación característica se produce porque algunos de los
electrones procedentes del cátodo interaccionan con los electrones de las capas más
próximas al núcleo (K, L), pasando éstos a niveles energéticos más alejados del
núcleo y quedando el átomo en una situación inestable. Tras la desexcitación se
liberan fotones de energía equivalente a la diferencia de energía de los dos niveles.
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Como la energía de enlace de las capas de electrones es exclusivamente
característica de cada sustancia, esta radiación de fotones dependerá del número
atómico del material que constituye el ánodo.
Como ejemplo, en el tungsteno con Z= 74, la energía de enlace de las
capas K, L y M son 69.5 KeV, 11.5 KeV y 2.3 KeV. Si se produce un salto de L a K
, la energía es de 67.2 KeV, por lo que, si estamos con una tensión de aceleración de
65 kv, no se podrán producir fotones de la línea K. La contribución de la radiación
característica a la emisión de fotones de un tubo de rayos X es pequeña.
En la FIGURA 3 se pueden observar distintos espectros de fotones
correspondientes a varias tensiones de aceleración.
De la energía que llega al ánodo procedente de los electrones del
cátodo y para los aparatos de diagnóstico, sólo el 1 % aproximadamente saldrá en
forma de radiación y el 99 % restante se transformará en calor, por ello es necesario
que el ánodo esté refrigerado.
De acuerdo con lo dicho, podemos indicar que los factores que regulan
el espectro de los fotones producidos en un tubo de rayos X son:
1.- El material del ánodo, que influye tanto en la radiación de frenado
como en la característica y que aumenta con el número atómico.
2.- La tensión aplicada al tubo, que se mide en kilovoltios, que en
radiodiagnóstico oscila entre 20 y 150 kV y que determina la energía máxima de la
radiación de frenado, aumentando ésta a medida que aumenta la tensión.
3.- El tiempo de aplicación de la alta tensión, se mide en milisegundos
y contribuye directamente a la cantidad de radiación emitida.
4.- La corriente eléctrica que pasa por el tubo, se emite en miliamperios
y contribuye a aumentar la radiación emitida al incrementar dicha corriente, ya que
es mayor el número de electrones que llegan al ánodo.
5.- Otro factor importante es el filtrado adicional que deben llevar los
aparatos de rayos X y que consiste en láminas generalmente de aluminio de 1 a 3
mm. de espesor, colocadas a la salida del haz de radiación.
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2.6 DIRECCIONALIDAD.
La dirección en que la energía de los rayos X es emitida es un problema
muy complicado si se pretende abordarlo teóricamente. Sin embargo, hay
electrones
+
ánodo
cátodo
-
rayos X
Figura 1
Producción de rayos X (fotones) por interacción de un haz de
electrones acelerados con un anticátodo (T)
mucha experiencia, que los fabricantes de equipos deben tener muy en cuenta. La
direccionalidad depende, desde luego, del material y espesor del ánodo así como del
potencial acelerador de los electrones.
Intensidad de rayos X
Rayos X emergentes del tubo
Rayos X producidos
Energía de los rayos X
Figura 2
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Intensidad de rayos X
120 kV
90 kV
60 kV
50
100
Energía de los rayos X (MeV)
Figura 3
Espectro de fotones emitidos por un tubo de rayos X con diferentes
tensiones.
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