Rayos X e interacción de la radiación ionizante con la materia

Transcripción

1 Radiaciones, medio ambiente y ser humano Rayos X e interacción de la radiación ionizante con la materia Ivana Aguiar Sobre rayos X: Descubrimiento Definición Generación Fuentes de rayox X Aplicaciones Vamos a ver Descubrimiento 1

2 Premios Nobel relacionados con rayos X Qué son los rayos X? Son radiaciones electromagnéticas de alta energía Espectro electromagnético 2

3 Dualidad onda partícula de los rayos X Los rayos X, como otras radiaciones electromagnéticas, tienen dualidad onda-partícula Esta onda puede describirse por su frecuencia n (o longitud de onda l) y una velocidad c. c=3 x 10 8 m/s (velocidad en el vacío) l c = l n n = c / l Unidad de Energía: Electrón-Volt Se define 1 ev (electrón volt) como la cantidad de energía igual a la que adquiere un electrón al ser acelerado por una diferencia de potencial de 1 volt 1eV = Joule CATODO Ec = 1 ev - + V=1 v ANODO Generación de rayos X Se producen rayos X de dos formas: (1)Bremsstrahlung (radiación de frenado) (2) Emisión de rayos X característicos 3

4 Bremsstrahlung Cuando una partícula cargada sufre aceleración o desaceleración, emite rayos X El electrón se acerca al núcleo, por atracción se desvía, se frena y desacelera y una carga al frenarse radia energía. Esta energía es del orden de rayos X. Estos rayos X pueden ser absorbidos o escapar. El bremsstrahlung es un espectro continuo hasta la energía del electrón. Bremsstrahlung El bremsstrahlung produce un espectro continuo de rayos X Emisión de rayos X característicos Capas electrónicas 4

5 Rayos X característicos Al remover un electrón de su nivel energético, el átomo debe desexcitarse El átomo retorna a su estado normal por: - emisión de rayos X característicos (fluorescencia) - emisión de electrones Auger Fluorescencia Hueco Hueco Cuando un electrón interacciona con la materia los rayos X característicos y el Bremsstrahlung se superponen Ejemplos de fuentes de rayos X Tubos de rayos X Radiación Sincrotrón 5

6 Tubo de rayos X convencional Qué sucede en el cátodo (--) electrones cátodo Emisión termo iónica: cuando se calienta un metal sus átomos absorben energía térmica y algunos electrones excapan de la superficie del metal Filamento de tungsteno: El filamento está hecho con alambre de tungsteno con alto punto de fusión ( C), y baja vaporización. Los electrones se aceleran hacia el ánodo 6

7 Qué sucede en el ánodo? Electrones de alta energía colisionan con los átomos del blanco Blanco Electrones (--) (+) cátodo Rayos X Radiación sincrotrón Radiación sincrotrón Sincrotrón en Campinas, SP, Brasil 7

8 Aplicaciones: Radiografías Aplicaciones: Cristalografía Aplicaciones: Cristalografía 8

9 Aplicaciones: Fluorescencia de rayos Interacción de la Radiación Ionizante con la Materia Por qué estudiar la interacción de las radiaciones con la materia? Porque se usan: En la producción de rayos X (interacción de electrones) En la protección radiológica, en especial en calcular el blindaje En la dosimetría En los procesos de detección En la selección de detectores y de dosímetros En las aplicaciones de las radiaciones ionizantes, por ejemplo en medicina, en la industria (medidas de espesores, densidades, niveles, etc.), etc. 9

10 Vamos a ver Clasificación de las radiaciones Interacción de partículas cargadas Interacción de partículas no cargadas Clasificación de las radiaciones Cargadas - partículas α - partículas β No cargadas - radiación gamma - rayos X - neutrones Interaccionan con los electrones del medio Interaccionan con los núcleos, transfiriendo toda o parte de su energía a los electrones o núcleos de los átomos o a las partículas cargadas producto de reacciones nucleares Vamos a ver Clasificación de las radiaciones Interacción de partículas cargadas Interacción de partículas no cargadas 10

11 Interacción de partículas cargadas Partículas α Monoenergéticas Interactúan con el medio a través de fuerzas coulómbicas Al entrar al medio absorbente inmediatamente interactúan con muchos electrones, disminuyendo su velocidad La interacción puede resultar en: - excitación del electrón - remover el electrón del átomo (ionización) Su trayectoria es recta Se caracterizan por un rango definido, que representa la distancia a la cual no penetrará ninguna partícula Cuando el encuentro es muy cercano, el electrón puede tener suficiente energía como para ionizar otros átomos Poder de frenado (S) Poder de frenado lineal, o pérdida específica de energía, pérdida de energía por unidad de trayectoria S se incrementa al disminuir la velocidad de la partícula Partículas con mayor densidad y número atómico tendrán mayor poder de frenado Curva de Bragg: Gráfico de la pérdida específica de energía a lo largo de la trayectoria de la partícula -de dx Distancia de penetración 11

12 Rendimiento relativo 11/10/2016 Rango Rango medio: espesor que reduce la intensidad del haz de partículas alfa a la mitad Interacción de partículas cargadas Partículas β Pierden su energía a una velocidad menor y siguen un camino más tortuoso Su energía es un continuo Difieren de las partículas α en que pueden perder energía por radiación (bremsstrahlung) Las partículas beta de baja energía son rápidamente absorbidas en pequeños espesores Energía de la partícula β Trayectoria y rango 12

13 Mecanismos de emisión de radiación Emisión de rayos X característicos La interacción de electrones excita electrones de los átomos del medio a un nivel energético superior y éste se desexcita en un tiempo del orden de nanosegundos pasando a un nivel inferior. Según los niveles de la vacante y del que procede el electrón se tienen series de rayos X característicos: K, K, etc. Bremsstrahlung (radiación de frenado) El electrón se acerca al núcleo, por atracción se desvía, se frena y decelera y una carga al frenarse radia energía. Esta energía es del orden de rayos X. Estos rayos X pueden ser absorbidos o escapar. El bremsstrahlung es un espectro continuo hasta la energía del electrón. Cuando un electrón interacciona con la materia los rayos X característicos y el Bremsstrahlung se superponen La interacción de los electrones (del cátodo) con la materia (el ánodo) determinan el espectro de emisión del tubo de rayos X X k X L d(rx)/de Rayos X característicos 70 E (kev) Bremsstrahlung 70 E (kev) Espectro de rayos X del tubo de W con voltaje 70 kev 70 E (kev) Espectro de emisión de un tubo de rayos X con blanco de molibdeno, filtrado con 30 m de molibdeno, de uso común en mamografía para filtrar la radiación de frenado 13

14 Poder de frenado Los mayores poderes de frenado corresponden a materiales con alto Z y alta densidad Pérdida de energía por radiación: Estas pérdidas son más significativas para β de alta energía y materiales de alto Z S total = S int + S rad Srad S EZ int 700 (E en MeV) Las pérdidas por radiación son sólo fracción de las pérdidas por ionización y excitación y son más significativas en materiales de alto Z Backscattering (retrodispersión) Los electrones sufren deflexiones de gran ángulo en su trayectoria Cuando el electrón entra a la superficie de un material puede sufrir una deflexión tal que re-emerge de la superficie a la que entró Estos electrones no depositan toda su energía en el medio absorbente, por lo que pueden tener un efecto significante en al respuesta de los detectores Es más pronunciado para electrones con baja energía incidente y absorbentes con alto número atómico 14

15 Cuentas/min 11/10/2016 Autoabsorción Una fracción de las partículas emitidas es absorbida por la propia muestra Depende de: - densidad del medio - Z del medio - energía de las partículas Positrones (β+) La trayectoria, la pérdida de energía específica y el rango de los positrones en un absorbente es similar a la de los electrones Cuando decaen se genera radiación electromagnética adicional Cuando su energía es baja, se combinan con un electrón y se generan dos fotones opuestos de MeV radiación de aniquilación Absorción de partículas β Se absorben rápidamente en pequeños espesores de absorbente La curva de transmisión tiene una forma similar a exponencial Esta exponencial es una aproximación empírica Se define un coeficiente de atenuación n I = I 0 e -nt t: espesor de absorbente en g/cm 2 Aluminio Curvas de transmisión para partículas β de 185 W Cobre Plata Espesor de absorbente mg/cm 2 15

16 Vamos a ver Clasificación de las radiaciones Interacción de partículas cargadas Interacción de partículas no cargadas Los fotones pueden sufrir alguno de estos procesos: Atenuación Absorción Dispersión Transmisión Photoelectric effect Photon Matter Compton Scatter Pair production Atenuación se refiere a al remoción de radiación del haz por la materia. Puede ocurrir debido a absorción o dispersión High Speed electrons Matter Absorción se refiere a la toma de energía del haz por el material irradiado. Ionization Excitation Heat Dispersión se refiere al cambio de dirección de los fotones y contribuye tanto a absorción como a atenuación X rays Recombination Biological effects Chemical effects Cualquier fotón que no sufra los procesos anteriores es transmitido Interacción de partículas cargadas Radiación gamma Tres mecanismos de interacción: Efecto fotoeléctrico Efecto Compton Producción de pares La radiación gamma transfiere su energía al electrón, desapareciendo o siendo dispersado un cierto ángulo 16

17 Efecto fotoeléctrico La radiación incide sobre un átomo absorbente, y la radiación desaparece Un foto-electrón es eyectado La interacción se da con el átomo como un todo (no con electrones libres) Energía del foto-electrón: E e- = hν E b E b : energía de enlace del foto-electrón También se crea un átomo ionizado con una vacancia. Esta vacancia se llena rápidamente : - capturando un electrón libre - re arreglando los electrones, generándose uno o más rayos Fluorescencia X característicos (fluorescencia) - emitiendo electrones Auger Hueco Hueco Probabilidad de que ocurra efecto fotoeléctrico: τ = Z 3 /E γ 3 Mayor probabilidad para materiales absorbentes con alto Z Proceso predominante en la interacción de radiación gamma de baja energía Efecto Compton Interacción entre un fotón gamma incidente y un electrón del material absorbente El fotón gamma es deflectado un ángulo θ con respecto a su dirección original Observado en 1923 por Arthur H. Compton Fue tomado como la prueba final de la dualidad onda-partícula, y estableció la legitimidad de la teoría cuántica La probabilidad de efecto Compton depende del número de electrones disponibles, por lo que se incrementa linealmente con Z Fotón incidente (energía=hν) Electrón Fotón dispersado (energía=hν ) 17

18 Z del absorbente 11/10/2016 Producción de pares Si la energía de la radiación gamma excede 1.02 MeV Ocurre en la cercanía del núcleo La radiación gamma es reemplazada por un par electrón-positrón El positrón luego se aniquilará, dando dos radiaciones gamma como productos secundarios de la interacción fotón incidente núcleo fotón gamma, MeV La probabilidad de ocurrencia aumenta con E y con Z del medio fotón gamma, MeV Importancia relativa de los tres tipos principales de interacción de fotones gamma Efecto fotoeléctrico domina Producción de pares domina Efecto Compton domina Dispersión coherente La radiación gamma interacciona coherentemente con un átomo del absorbente Se le llama dispersión de Rayleigh El átomo absorbente no se excita ni se ioniza La radiación gamma retiene su energía original luego de la dispersión, pero cambia su dirección Como no hay transferencia de energía, no se toma en cuenta en las discusiones de interacción de radiación gamma La probabilidad de que ocurra dispersión coherente es significativa para radiaciones de baja energía (pocos kev), y absorbentes de alto Z 18

19 Coeficiente de atenuación 11/10/2016 Atenuación de radiación gamma Disminución del número de radiaciones por absorción o dispersión del haz al pasar por un absorbente de espesor x Atenuación exponencial Coeficiente de atenuación lineal: μ A = A 0 e - x μ depende de: - energía de la radiación - Z del absorbente μ total = μ fotoeléctrico + μ Compton + μ pares El coeficiente de atenuación lineal varía con la densidad del absorbente coeficiente de atenuación másico μ másico = μ lineal /ρ D 1/2 = ln2/μ másico A net Ln A neta a A 0 μ line D 1/2 x al x Absorción debida interacciones con la capa L Absorción debida a interacciones con las capas M y L Absorción debida a interacciones con las capas K, M y L Energía de la radiación Discontinuidades: bordes de absorción Corresponden a las energías de unión de los electrones a las diferentes capas del átomo Cuando la energía de la radiación es igual a la del borde de absorción, hay una alta probabilidad de que la radiación sea absorbida 19

20 Ejemplo: imagen de alta resolución con radiación gamma VACIS (Vehicle and Cargo Inspection System) 20

21 En resumen: Las partículas α interaccionan con los electrones del átomo, excitándolo o removiéndolo del mismo Las partículas β - interaccionan con los electrones de los átomos, ionizándolos, excitándolos, o irradiando energía en forma de rayos X (bremsstrahlung). Se puede producir backscattering o autoabsorción Las partículas β + sufren los mismos procesos que las β -, pero además pueden sufrir aniquilación La radiación gamma interacciona con los núcleos de los átomos, pudiendo producir efecto fotoeléctrico, efecto Compton y producción de pares 21