Fisica Applicata - riassunto

Le radiazioni ionizzanti

Le radiazioni ionizzanti sono fasci di particelle che trasportano un’energia e fanno parte dello spettro elettromagnetico. Questo comprende campi elettrici e magnetici statici, ovvero campi in cui la corrente è continua e costante, dunque non varia nel tempo (es. la risonanza magnetica ha 3 tipi di campi magnetici e anche a macchinario spento il campo magnetico è presente).

Altre radiazioni invece non hanno un andamento costante, ma variabile nel tempo; es. radiofrequenze, onde radio o di cellulare, forno a microonde (fase più elevata di radiofrequenze). Dopo le microonde ci sono le radiazioni infrarossi, radiazioni percepite con il calore; esistono tre tipi di radiazioni infrarossi: A, B e C in base al valore della frequenza. Se aumentiamo ancora la frequenza c’è lo spettro del visibile e poi vi sono gli UV (A, B, C):

• A: Eritema; danno fotochimico all’interazione con il tessuto biologico, il quale attiva un meccanismo di difesa e cioè la produzione di melanina.
• B: Frequenza più alta, possono causare elastosi, rughe, invecchiamento precoce e nei casi più gravi melanoma. Per questo l’esposizione ai raggi è vietata ai minorenni se non per cause sanitarie.
• C: Impiegati nelle lampade germicide che devono obbligatoriamente avere il vetro schermante.

Raggi X

Salendo ancora di frequenza abbiamo i raggi X:

Ci sono raggi X di bassa frequenza utilizzati per indagini cristallografiche e chimiche per vedere ad esempio i componenti delle leghe. Ci sono raggi X con capacità di entrare e uscire dai tessuti biologici e poi ci sono quelli usati per la radioterapia che è mirata sul tumore, risparmiando i tessuti sani grazie ad una schermatura in piombo fuso (piombo → elemento con alta densità; più è denso più scherma dalle radiazioni). La schermatura dipende dal tempo di occupazione del luogo (fattore t di transito), da dove viene emesso il raggio (fattore d’uso) e dalla distanza dalla fonte radiogena.

Le radiazioni ionizzanti sono tutte quelle radiazioni con energia > a 10 eV che interagendo con la materia provocano fenomeni di ionizzazione, ovvero rompono i legami atomici formando degli ioni. Ciò comporta un possibile danno alle cellule come impossibilità di sopravvivenza, impossibilità di riproduzione (sterilità), riproduzione con modificazioni (malformazioni), ecc. dunque l’effetto che può presentarsi è biologico (reversibile) o sanitario (irreversibile).

Tipi di radiazioni ionizzanti

Le radiazioni ionizzanti possono essere corpuscolari o elettromagnetiche:

• Radiazioni corpuscolari: Sono formate da particelle aventi una massa e un'energia cinetica, esempi sono particelle α, protoni, neutroni ed elettroni.
• Radiazioni elettromagnetiche: Per esempio i fotoni, sono formate da particelle prive di massa che si muovono con energia E=hf, generata da un campo magnetico e un campo elettrico perpendicolari tra loro. Tutte le radiazioni elettromagnetiche viaggiano nello spazio con la stessa velocità, ovvero la velocità della luce (V = c= 3 x 10⁸ m/s = 300.000 Km/s).

In generale la frequenza (=numero di oscillazioni al secondo Hz) delle radiazioni è direttamente proporzionale all’energia E= h f (h= cost di Planck). L’energia è la capacità di compiere lavoro per cui a seconda della frequenza la mia radiazione compie lavori diversi. Oltre all’energia un altro parametro associato alla frequenza è la lunghezza d’onda che si misura in m. Frequenza e lunghezza d’onda sono inversamente proporzionali per cui all’aumentare dell’una diminuisce l’altra.

Il tubo radiogeno e produzione di raggi X

I raggi X non sono prodotti naturalmente, ma artificialmente mediante l'utilizzo di un tubo radiogeno. Affinché si crei una radiazione elettromagnetica c'è bisogno di un campo elettrico e un campo magnetico; la componente magnetica del tubo è rappresentata da un catodo e un anodo mentre la componente elettrica da un filo di tungsteno, collegato ai due elettrodi, a un generatore di alta tensione (tensioni da 40 a 150 kV, con eccezione per i mammografi con 20-25 kV) e un generatore di corrente. Altri elementi necessari sono il tavolo di comando ed il trasformatore che è un sistema in grado di aumentare o ridurre la tensione e di trasformare la corrente da alternata a continua.

Il tubo è formato da una guaina di piombo, discontinua a livello del foro dal quale escono i raggi, che ha la funzione di attenuare la radiazione di fuga; questa guaina contiene un'ampolla di vetro che, spesso, ma non sempre, è immersa in un olio isolante o in acqua che fungono da sistemi di raffreddamento (ad esempio non c’è nei portatili per le radiografie a letto), all'interno della quale viene creato il vuoto, condizione necessaria affinché gli elettroni rimangano compatti attorno al filo di metallo e non interagiscano con l’aria.

I due elettrodi sono collegati da un filamento di tungsteno, metallo con un alto punto di fusione ed un elevato potere di conduzione, che a sua volta è collegato ad un generatore di alta tensione e ad uno di corrente. Nel momento in cui viene fatta passare corrente all'interno del filo, gli elettroni del metallo acquistano energia cinetica (1/2 mV²) e si staccano dagli atomi di appartenenza; l'elevata differenza di potenziale che viene stabilita tra il catodo e l'anodo fa convogliare il fascio di elettroni sull'anodo, per poi indirizzarlo al di fuori del tubo attraverso un foro filtrato.

Il filtro

Ricordiamo che se imposto il tubo con una determinata tensione, es 90 kV, i raggi in uscita andranno dai 0 ai 90 kV. Dunque per bloccare le radiazioni di bassa energia (ovvero rx molli che non contribuirebbero all’immagine radiografica, ma verrebbero solo assorbiti dai tessuti) ed impedirne il passaggio, utilizzo un filtro, ovvero una piccola e sottile lamina di alluminio posta nella finestra d'uscita del tubo a raggi X che appunto filtra il fascio radiogeno, diminuendo la radiazione diffusa e aumentando la qualità di penetrazione.

Il catodo è formato da una spirale di tungsteno dalla quale fuoriescono gli elettroni; le dimensioni della spirale sono fondamentali perché influenzano il diametro della macchia focale, quindi della penombra; alcuni catodi possiedono due filamenti, altri possiedono una coppa di focalizzazione che permette una maggiore collimazione del fascio elettronico (cioè dirige tutti i raggi X verso l’anodo). L'anodo è formato da una placca di tungsteno e può essere fisso (nei portatili o nelle OPT per esempio) o rotante. Il 95% dell’energia degli elettroni è termica e scalda l’anodo per questo esso è costituito da materiale ad alta temperatura di fusione e la versione rotante (10.000-12.000 giri al minuto) esiste proprio per prevenirne il surriscaldamento o possibili forature dato che gli elettroni arrivano sempre nello stesso punto; il punto in cui gli elettroni colpiscono l’anodo si chiama fuoco; esistono 2 tipi di fuoco: reale ed effettivo (proiezione del fuoco reale).

Soltanto il restante 5% sono raggi X. Inoltre l’anodo è inclinato di 15° e ciò diminuisce la macchia focale e genera un fascio di raggi conico in cui quelli centrali sono quelli con più energia e con maggiore potere penetrante, mentre quelli periferici sono meno intensi e quindi meno efficaci.

Lo spettro di emissione dei raggi X

I raggi vengono prodotti per frenamento (radiazioni bremsstrahlung) o per radiazione caratteristica: il fenomeno di frenamento avviene quando gli elettroni che partono dal catodo subiscono una brusca decelerazione quando si avvicinano all'anodo con conseguente emissione di energia sotto forma di raggi X; il fenomeno di radiazione caratteristica avviene quando l'elettrone proveniente dal catodo colpisce uno degli elettroni più interni degli atomi di tungsteno che formano l'anodo, provocando l'emissione dell'elettrone e la formazione di una lacuna elettronica. Questo vuoto elettronico viene colmato dagli elettroni superficiali che passando agli orbitali più interni, con minor energia, cedono l'energia in eccesso sotto forma di raggi X. Lo spettro di emissione dei raggi X presenta pertanto una forma a campana che identifica le diverse energie di emissione dei raggi (dipendenti dalle energie degli elettroni provenienti dal catodo) X con dei picchi che rappresentano la radiazione caratteristica in base all'elemento utilizzato per l'anodo.

L'intensità del fascio radiogeno, cioè il numero di raggi X che lo costituiscono, dipende dalla quantità degli elettroni prodotti dal catodo, che viene regolata mediante il controllo dell’intensità, in milliampere (mA), sulla console dell’apparecchio radiografico. I mA determinano la brillantezza dell’immagine (+ mA + brillantezza), non la profondità di penetrazione dei fotoni che rimane la stessa.

La quantità di elettroni prodotta può essere regolata anche mediante il controllo del tempo di funzionamento del tubo (tempo esposizione), in secondi (s), sulla console dell’apparecchio radiografico. Per questo, più propriamente, la quantità di elettroni prodotta viene espressa in mA x s (mAs). L’intensità ed il tempo di esposizione rappresentano, perciò, un parametro quantitativo.

I kV (tensione) invece determinano la profondità di penetrazione. Aumentando i kV diminuisce il contrasto, la scala di grigi è ampia e riesco ad individuare più elementi in modo chiaro; diminuendo i kV ho meno profondità per cui aumenta il contrasto e avrò una scala di grigi meno ampia. I kV rappresentano quindi un parametro qualitativo. Tensione (V) x Intensità di corrente (A) = potenza (Watt → W) --- > ricordiamo che però il tubo usa kV e mA.

Le interazioni radiazioni-materia

I raggi X possono interagire con la materia in modi diversi in base all’energia e al tipo di materiale attraversato:

• Effetto fotoelettrico: Un fotone di bassa energia (<500 keV) colpisce un elettrone della materia, fortemente legato al nucleo, scalzandolo dall'atomo con energia pari alla differenza tra l’energia del fotone incidente e l’energia di legame dell’elettrone espulso dall’atomo; la lacuna elettronica prodotta viene colmata da...