Fisica delle Radiazioni

S=( S

coll irr

dx dx

coll irr

5

Il LET è il potere frenante lineare da collisione, e si tiene conto solamente delle perdite

di energia per unità di percorso di collisione, visto che le perdite per irraggiamento

avvengono tramite l’emissione di radiazione elettromagnetica che si suppone

trasferisca energia lontano dalle tracce.

( ) ( )

∆ E dEdx

= =

LET lim lim

∆ x

∆ x →0 ∆ x→ 0

coll coll

Assorbimento di particelle cariche pesanti (particelle alfa o ioni pesanti)

Il danno da radiazione è principalmente causato dalla velocità con cui l’energia viene

ceduta e dal meccanismo con cui viene ceduta. Dipende invece in modo minore la

lunghezza del percorso che la radiazione compie in un mezzo.

Nel meccanismo delle particelle cariche pesanti il meccanismo principale è costituito

da urti di tipo Coulombiano con gli elettroni; sono invece rari gli urti che coinvolgono il

nucleo atomico.

I risultati di un’interazione della particella con i singoli elettroni sarà quella o di

-

un’eccitazione di tipo elettronico (e passa a un livello elettronico superiore) che è

definita collisione distante, oppure l’espulsione di un elettrone dal sistema atomico

che è definita collisione prossima.

In questi casi la particella alfa, data la sua massa enormemente superiore di quella

dell’elettrone, scaraventa l’elettrone in modo violento, mentre la particella modifica di

pochissimo la sua traiettoria. Sempre per questo motivo serviranno molti urti per far

perdere totalmente l’energia alla particella.

Nonostante la storia di ogni particella è individuale, tutte le particelle hanno un

numero di urti e il percorso nel materiale molto simili tra di loro. Si può così costruire

un grafico trovando un range medio di ogni materiale per così comprendere dove tutte

le particelle saranno assorbite. Il range dipende molto anche dall’energia delle

particelle.

OSSERVAZIONI:

Maggiore è la carica della particella incidente maggiore sarà l’energia persa per

 unità di percorso.

Maggiore è la densità elettronica del mezzo assorbente maggiore sarà l’energia

 persa per unità di percorso (più elettroni ci sono nel mezzo maggiore è la

probabilità che la particella carica incidente collida).

Minore è la velocità della particella incidente maggiore sarà l’energia persa per

 unità di percorso (più lenta è la particella incidente più ha tempo di interagire con

gli elettroni che incontra). La dipendenza dalla velocità evidenzia come la perdita di

energia per unità di percorso aumenta quando la particella sta per fermarsi. Perciò

alla fine del percorso saranno massime la ionizzazione e l’energia trasferita (Picco

di Bragg).

Assorbimento di particelle cariche leggere (elettroni )

-



Le particelle cariche leggere sono soggette non solo alla collisione con gli elettroni

atomici del mezzo in cui interagiscono, ma subiscono anche un secondo tipo di

meccanismo di perdita di energia dovuto alla interazione coi nuclei atomici. Questo

secondo tipo di interazione, importante per energie elevate dell’elettrone incidente e

alti valori del numero atomico Z dell’assorbitore, consiste nella perdita di energia per

irraggiamento.

L’emissione di fotoni attraverso questo processo è chiamato irraggiamento da

frenamento o Bremsstrahlung (è in questo modo che si producono fasci di raggi X).

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Questo processo diventa dominante quando sono presenti energie elettroniche

relativistiche e il materiale di impatto è ad alto Z.

In questo caso la massa della particella beta – è uguale a quella dell’elettrone con cui

interagisce, di conseguenza si osserva che l’urto causa la deviazione della traiettoria,

creando un moto tortuoso e l’impossibilità della creazione del picco di Bragg.

In ogni caso, dato che a parità di energia tra elettrone e particella carica pesante la

massa minore dell’elettrone porta ad una velocità maggiore, la perdita di energia per

unità di percorso sarà minore per gli elettroni rispetto al caso di particelle pesanti

(ecco perché particelle alfa e ioni sono definite particelle ad alto LET mentre gli

elettroni sono noti come particelle a basso LET).

Lezione 5

I Raggi X

Gli elettroni per la radiodiagnostica vengono prodotti grazie ad elettroni veloci nel

vuoto che impattano contro un materiale pesante ad alto Z.

Un tubo a raggi X è costituito da un involucro nel quale viene creato il vuoto nel quale

sono inseriti un anodo + e un catodo -. Ha un’efficienza dell’1%, perché il restante

99% viene emanato sotto forma di calore.

Il catodo è costituito da un avvolgimento di tungsteno, che se riscaldato dal passaggio

di correte, emette elettroni per via dell’emissione termoionica.

L’anodo è la zona dove gli elettroni impattano, ed è chiamata macchia focale. La

dimensione della macchia focale dipende dalle dimensioni del filamento al catodo,

dato che più grande è più elettroni riuscirà a produrre.

L’anodo rotante è costituito da tungsteno, dato che le temperature possono arrivare a

3000°C e a quella temperatura i metalli fondono, ma il tungsteno fonde a 3400°C

quindi adatto a questo compito. L’anodo ruota per avere una migliore dissipazione di

calore.

Il tubo radiogeno è schermato per non permettere alla radiazione di non andare dove

non serve, e dei sistemi di collimatori ad alto Z dirigono il fascio solo nella zona

anatomica di interesse per il paziente senza irraggiare altre parti non interessate.

L’immagine radiografica

L’immagine radiografica è un’immagine bidimensionale, ed è presente una

deformazione per la divergenza dei raggi dato che il fascio è conico.

Per poi ridurre il fenomeno della radiazione diffusa si utilizza una griglia antidiffusione

per aumentare la qualità dell’immagine.

Lezione 6

La fisica della produzione dei Raggi X

Gli elettroni prodotti nel catodo per emissione termoionica a livello del catodo vengono

accelerati grazie alla differenza di potenziale, e durante l’interazione con l’anodo

vengono prodotti raggi x per effetto di radiazione di frenamento (Bremsstrahlung) e la

radiazione caratteristica.

L’80% della radiazione è prodotta per frenamento, e il 20% per radiazione

caratteristica. 7

Radiazione di frenamento

È il tipo di radiazione che si produce quando il fascio di elettroni proiettile viene

rapidamente arrestato o rallentato, cedendo energia cinetica che si trasforma in raggi

x. Questa presenta vari livelli energetici a seconda della velocità di frenamento

dell’elettrone, visto che se questi passano vicino al nucleo sono frenati maggiormente

di quelli che passano in periferia dell’atomo.

La maggior parte dei raggi prodotti sono di bassa intensità, e sono inutili per la

diagnostica, quindi si utilizza un filtro di alluminio per bloccare la radiazione di bassa

intensità che aumenterebbe inutilmente la dose al paziente.

L’energia massima di un raggio X è pari all’energia cinetica iniziale degli

elettroni. Si ha sempre un’energia media.

L’energia dei raggi X è misurata il keV, mentre la differenza di potenziale del tubo in

kV. Quindi l’energia massima in kV del tubo sarà l’energia massima dei fotoni prodotti.

(es. 70kV produrranno un fascio di radiazioni con Emax di 70keV)

Radiazione caratteristica

In un atomo di tungsteno la produzione di raggi X caratteristici avviene quando il posto

lasciato vuoto da un elettrone estratto dalla sua orbita viene occupato da un elettrone

proveniente da un orbitale più esterno. Quando un elettrone proiettile rimuove un

elettrone da un orbitale interno, si crea un buco elettronico. Un elettrone appartenente

a un orbitale più esterno va a riempire un posto vacante e genera un raggio X

caratteristico di energia pari alla differenza tra l’energia di legame dell’orbitale da cui

è stato rimosso l’elettrone e quella dell’orbitale più esterno.

Il buco elettronico è solitamente riempito da un elettrone che si trova nello strato

energetico immediatamente successivo, tuttavia è possibile che si verifichino passaggi

di elettroni da orbitali più lontani rispetto al nucleo. Nei tubi a raggi X utilizzati per

diagnostica (anodo in lega di tungsteno) il tipo più comune di transizione prevede il

passaggio di un elettrone dall’orbitale L a quello K (raggio X da 58 keV).

Una transizione meno probabile è quella da un’orbitale M a un’orbitale K (raggi X

caratteristici di energia 67 keV).

L’energia di legame elettronico dell’orbitale K dell’atomo di tungsteno è di 69,53 keV.

Per poter rimuovere un elettrone dall’orbitale K dell’atomo gli elettroni proiettile che

vanno a colpire l’anodo devono pertanto possedere energia cinetica uguale o

superiore a 69,53 keV (differenza di potenziale impostata al tubo di almeno 70 kV).

L’energia dei raggi X caratteristici non è modificabile.

Qualità di un raggio X capacità di penetrazione ed è determinato dall’energia media



del fascio.

Intensità dipende dal numero e dall’energia dei raggi X, e viene regolata dai mA che



attraversano il catodo.

L’integrale del grafico della radiazione è l’intensità del fascio, mentre il picco è

l’energia media.

Cambiando il materiale dell’anodo si hanno radiazioni con intensità diversa e

radiazioni caratteristiche diverse, come per il fatto della mammografia nella quale

servono energie minori.

L’energia del fascio è strettamente legata ai kV nel tubo radiogeno. Infatti più alto

saranno i kV più alta sarà la radiazione a energia media e anche l’energia massima

della radiazione, che avrà capacità di penetrazione maggiori. Anche l’intensità

aumenta dato che si creano più raggi di alta intensità.

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I mA cambiano solamente la quantità di radiazioni, quindi l’intensità del fascio, e non

dell’energia dei fotoni emessi. Infatti l’Emax e quella media rimarranno invariate.

Anche la filtrazione può cambiare il grafico della radiazione. Non cambia l’energia

massima e il fascio caratteristico, ma visto che scherma i fotoni a bassa intensità

l’energia media dei fotoni si alza.

Variazioni avvengono anche dal tipo di alimentazione del tubo radiogeno, quindi dal

tipo di corrente e dal generator utilizz