Fisica delle radiazioni

DEL NUMERO ATOMICO E DELL’ ENERGIA DEI FOTONI? 4 3.

La probabilità che una radiazione x interagisca tramite effetto fotoelettrico è proporzionale a : Z /E

oltre una certa soglia di energia non si ha effetto foto elettrico .

Il fotone interagisce con gli orbitali atomici e viene completamente assorbito . Un elettrone acquista

energia per liberarsi (fotoelettrone).

Il posto vacante dell’elettrone viene occupato da un altro e di un’orbita più esterna con emissione di

X caratteristici.

SPIEGA COS’È L’EFFETTO COMPTON, E COSA INTERAGISCE CON IL FOTONE

INCIDENTE

SCATTER INCOERENTE (EFFETTO COMPTON)

Si ha il fotone che arriva sul atomo .. (E= ..)parte dell’

energia interagisce con l’ elettrone che assorbe solo

una parte del fotone incidente, poi l’ elettrone esce

dall’ atomo e in uscita abbiamo un altro fotone con un

energia minore.

L’ effetto compton oltre a disturbare l’ immagine

radiologica perche produce un’ altro fotone

interagente in posti diversi da quelli attesi e che può

anche retrodiffondere, non ha informazioni sul

contrasto. Quando l’ energia del fotone è circa 35 KeV

l’ effetto compton è dominante nel paziente. C’è una

provabilità che il fotone può diffondere con diversi

angoli rispetto al fotone incidente: anche

retrodiffondere.

PRODUZIONE DI COPPIE ELETTRONE-POSITRONE

La radiazione X interagisce con il nucleo e produce una

coppia β+ β- : il positrone si annichila immediatamente

con un elettrone del mezzo producendo una coppia di

quanti ciascuno di energia 0.511 MeV emessi in direzione

opposta.

L’ energia sotto forma di onde elettromagnetiche si

manifesta sotto forma di massa.

QUAL È LA SOMMA DI ENERGIA PER AVERE

UNA PRODUZIONE DI COPPIE?

La probabilità di produzione coppie è proporzionale a:

2

Coppie  ln (E)· Z

processo a soglia: E > 2m (~ 1 MeV)

 e

processo dominante per E = h > 30 MeV



Nel materiale organico questo è un processo dominante solo per energie sopra i 30 MeV E = hν > 30

γ

MeV

FOTODISINTEGRAZIONE

I raggi X colpiscono il nucleo e viene emesso un frammento nucleare. Avviene per energie maggiori

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di 10 MeV non interessanti in ambito di radiodiagnostica.

B) INTERAZIONE SECONDARIA

X-RAYS:

si ha ogni volta che un‘ atomo viene ionizzato

EFFETTO AUGER:

non si hanno emissioni radioattive ma l‘ energia dell‘ elettrone che fa il salto viene presa da un‘ altro elettrone

che si ionizza e si ha l‘ uscita di due elettroni, che rilasciano la loro energia molto vicino rispetto all‘ atomo.

Con il riassestamento dei livelli elettronici in luogo di un X caratteristico può essere espulso un elettrone da

un orbitale più esterno. Se una lacuna in k ( Ek) viene occupata da un elettrone proveniente dalla shell L (EL),

può essere espulso un elettrone Auger dalla shell M (EM).

La probabilità dell'effetto Auger è inversamente proporzionale a Z : per Z<15 (atomi biologici) la ionizzazione

K dà luogo ad un elettrone Auger (significativo per la dose)

ANNICHILAZIONE DI POSITRONI ED ELETTRONI

X- RAYS DI FRANAMENTO DOVUTI A ELETTRONI IONIZZATI

PROVABILITÀ DI INTERAZIONE IN PB/AL

Le curve sono diverse in relazione allo Z, il Pb ha lo Z più alto

15

Tutto l’ andamento ha un significato provabilistico, è un concetto fisico simile a quello del

decadimento

AI FINI DELL’IMMAGINE RADIOLOGICA TRE TIPI DI RADIAZIONI X

INTERESSANO:

La radiazione assorbita (fotoelettrico)

La radiazione diffusa (Compton)

La radiazione trasmessa (nessuna interazione)

La radiazione diffusa crea “disturbo” nell’immagine radiologica

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DA QUAL PARAMETRI DIPENDE LA MAGGIORE O MINORE ATTENUAZIONE DEI RAGGI

X CON LA MATERIA?

DA COSA DIPENDE IL CONTRASTO DI UN IMMAGINE DIAGNOSTICA?

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DA COSA DIPENDE LA MAGGIORE O MINORE ATTENUAZIONE DEI RAGGI X

CON LA MATERIA?

Energia dei raggi x, spessore di tessuto, densità del tessuto, numero atomico Z

RIASSUNTO

- PROSPETTIVA RADIOLOGICA: creazione di un immagine.

Consideriamo 3 fotoni che sono quelli assorbiti (fotoelettrico) dalpaziente e non

interagiscono la lastra, poi i fotoni che interagiscono col paziente ma vengono diffusi avolte

si trovano sulla lasta altre volte tornano al tubo radiogeno o vanno in altre direzioni e ci

danno la nebbia radiologica ( compton), poi la radiaztione trasmessa che sono tutti i fotoni

che attraversano il paziente con alta energia

- CISSIONE ENERGETICA: danno delle radiazioni e terapie

Gli ambiti in cui si usano le radiazioni in ospedale:

in diagnostica: tubo radiogeno (produce radigrafie, ormai l’ apparecchiatura e digitalizata e non

vengo quasi più fatte lastre), TAC. la differenza tra tubo radiogeno e tac: il tubo è fisso quindi la

lastra è 2D, la TAC invce ha il tubo radiogeno che ruoto intorno al paziente e fornisce una

rappresentazione 3D.

medicina nusclare: gamma camera e pet. la differenza è che la prima e 2D e la seconda 3D

radioterapia: acceleratori lineari, non fanno immagini ma terapia.

I RIVELATORI

COSA RIVELIAMO IN MEDICINA?

RAGGI X  radiologia, TC, acceleratori in radioterapia, ria

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ELETTRONI ALTA ENERGIA  radioterapia

RAGGI GAMMA  medicina nucleare, radioterapia

RAGGI BETA  radioimmunologia (RIA)

QUAL È IL FENOMENO FISICO CHE CONSENTE DI RIVELARE LE RADIAZIONI?

LA RIVELAZIONE DELLE RADIAZIONI SI BASA SUGLI EFFETTI CHE QUESTE

PRODUCONO NEL PASSAGGIO ATTRAVERSO LA MATERIA

ionizzazione

eccitazione, fluorescenza

luminescenza

effetto fotografico

effetto termico ( >106 particelle/cm2 )

Effetto Strumento

Ionizzazione nei gas Camere a ionizzazione

Contatori proporzionale

Contatori Geiger Muller

Ionizzazione ed eccitazione Scintillatori – semiconduttori – termoluminescenti – pellicole

in certi solidi fotografiche

Effetti chimici Dosimetro di Frike

Effetto termico Calorimetro

Attivazione da parte di Rivelatore a neutroni

neutroni

Le tracce che le radiazioni lasciano all’ interno della materia sono le ionizzazioni.

grandezza simbolo unità SI unità “storica” dimensioni

-2

Flusso  m n°particelle/area

-2 -1

intensità di  m s n° particelle/area ∙ tempo

flusso

attività A Bq Ci (Curie) n° disintegrazioni/tempo

10

3.7∙ 10 dis/s

20

attività A Bq/g Ci/g attività/massa

s

specifica

esposizione X C/kg Röntgen ( R ) cariche/massa

-4

1 R = 2.58 ∙ 10 C/kg

dose assorbita D Gray rad energia/massa

1Gy =1 J/kg

dose H Sievert (Sv) rem energia/massa

equivalente 1Sv =1 J/kg

dose efficace E Sievert (Sv) energia/massa

I RIVELATORI SONO SUDDIVISI IN:

-CONTATORI: contano ogni singolo fotone che interagisce nel rivelatore e servono per misurare

COSA PUÒ RIVELARE UN RIVELATORE CHE LAVORA IN MODO INTEGRALE?

- INTEGRATORI: generano segnali la cui ampiezza è proporzionale al flusso di elettroni, quindi

non segue il singolo fotone, ma potrò avere la DOSE .

IONIZZAZIONE A GAS

w = e / n energia media per creare una coppia di ioni

per tutti i gas w assume valore abbastanza costante.

Condensatore con aria all’interno di capacita’ c. Resistenza r – generatore di alta tensione. Una

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radiazione ionizzante passa all’interno delle armature e spende la sua energia all’interno ionizzando

(e) . Crea un certo numero di coppie di ioni (n) che iniziano a migrare verso gli elettrodi. Ai capi del

condensatore si misura una caduta di v della diffrenza di potenziale perche’ neutralizza parzialmente

le cariche sugli elettrodi sfruttano la ionizzazione dei gas. La ionizzazione produce uno ione positivo

e un fotone, la radiazione cede energia a un e- degli orbitali molecolari e e- si libera, quindi ho un e-

da una parte e uno ione di gas positivo dall’ altra. Se metto un gas tra due condensatori e le cariche

elettriche formate dalla radiazione andranno verso il polo positivo, e così posso misurare la DOSE.

Quello che ottengo e una V ai capi del condensatore che sarà = al numero di cariche che sono state

prodotte.

L’ energia media per ionizzare l’ aria ci vogliono 33,85 eV. Per ionizzare un singolo atomo ci

vogliono pochi eV. Ogni volta che la radiazione ionizza una coppia ione e- vuol dire che ha perso 34

eV dentro il gas.

Ai capi del condensatore si misura la caduta di tensione.

RIVELATORE INTEGRALE

viene misurata la corrente totale prodotta durante l’esposizione del rivelatore alla radiazione e questa è correlata

all’energia rilasciata dalla radiazione stessa e quindi alla grandezza da misurare (per esempio la dose)

Se V è la tensione degli elettrodi in partenza, all’arrivo di una radiazione ionizzante si avrà:

0 V = Q/C perchè Q = CV.

Una misura di questa variazione di tensione ai capi del condensatore darà la carica totale generata

dalla ionizzazione durante il periodo della misura.

Poiché la carica totale è uguale a N ∙ e cioè al numero totale di coppie ione-elettrone per la carica del

singolo elettrone dunque V = Q/C = N e / C

poiché N = E/W  V = E e / C W  E = V C W / e

cioè da una misura di tensione possiamo risalire all’energia ceduta dalla radiazione e dunque alle

grandezze di interesse dosimetrico.

RIVELATORI IMPULSIVI (CONTATORI)

Questo modo di operare è utile per “contare” tutte le particelle che interagiscono nel gas valutandone

la loro energia perché l’impulso di tensione misurato è proporzionale all’energia ceduta.

COSA PUÒ MISURARE UN RIVELATORE A GAS CHE LAVORA IN MODO

IMPULSIVO

Misurano :

- Numero particelle che attraversano il volume sensibile

- Energia trasportata da ciascuna particella

IMPULSO DI TENSIONE

La forma dell’impulso di tensione dipende da diversi fattori:

- geometria degli elettrodi

- costante di tempo RC del circuito

- posizione della traiettoria descritta dalla particella..

- Il massimo valore dell’impulso e : V = N e / C

In pratica si ha nell’impulso ottenuto :

- una prima componente veloce dovuta alla raccolta degli elettroni

- una seconda componente più lenta attribuibile alla raccolta degli ioni

- un ritorno a zero del potenziale dovuta alla ricarica del condensatore, con andamento

esponenziale. V(t) = ( N e / C ) e - t / RC 22

CONTEGGIO DI PARTICELLE: RIVELATORI IMPULSIVI

Efficienza di rivelazione  numero di impulsi prodotti per cento particelle incidenti  si può contare il