ÁREA 2 INTERACCION DE LOS ELECTRONES CON LA MATERIA

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1 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 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 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

2 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: Colisión Frenado. Como ya se ha dicho, da lugar a ionizaciones y excitaciones. 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 Curso Protección R.I.. Área 2-2

3 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: D w = M u. s(w,air). P u. N D (1) en la que M u es la ionización en el aire de la cámara, P u y N D 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 N D 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 N D conocido. El factor P u 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 Curso Protección R.I.. Área 2-3

4 tungsteno de 1 cm 2 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. Curso Protección R.I.. Área 2-4

5 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. Curso Protección R.I.. Área 2-5

6 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 Curso Protección R.I.. Área 2-6

7 Intensidad de rayos X 120 kv 90 kv 60 kv Energía de los rayos X (MeV) Figura 3 Espectro de fotones emitidos por un tubo de rayos X con diferentes tensiones. Curso Protección R.I.. Área 2-7