Tema 2
INTERACCIÓN DE ELECTRONESCON LA MATERIA
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INTERACCIÓN DE ELECTRONESCON LA MATERIA
2.1. Introducción
Cuando una partícula cargada incide sobre un material se producen una serie de fenómenos, que dependerán de:
· El tipo de partícula incidente, es decir, de su carga eléctrica y de su masa.
· La energía de la partícula incidente.
· El tipo de material sobre el que incide (estado de agregación y densidad del material).
Las interacciones que producen las partículas cargadas varían según que éstas tengan más o menos masa, ya que la perdida de energía que experimentan en la colisión es diferente en cada caso.
A continuación se describirán las interacciones que producen las partículas ligeras cargadas, como los electrones, en la materia.
Cuando los electrones chocan contra un medio material pierden progresivamente su energía cinética a lo largo de la trayectoria. Esta reducción de velocidad es consecuencia de diferentes interacciones elementales entre dicho electrón incidente y las partículas cargadas del medio, bien con otros electrones o bien con los núcleos atómicos.
2.2. Tipos de colisiones
La interacción de un electrón con un medio material se denomina colisión y supone una transferencia de energía a la materia. Este es el origen último de todos los efectos producidos por las radiaciones ionizantes sobre la materia.
Las colisiones se clasifican en elásticas, inelásticas y radiactivas.
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2.2. 1. Colisión elástica
En este tipo de colisión, al chocar el electrón incidente con los átomos del material, sólo se produce una desviación en la trayectoria que lleva el electrón. Esta variación en la trayectoria supone una cierta cesión de energía al material, sin producir ninguna alteración en la estructura electrónica del material (figura 2.1.a).
2.2.2. Colisión inelástica
Cuando el electrón incidente choca con los átomos del medio, invierte parte de su energía en arrancarles de su corteza electrónica uno o varios electrones, produciendo una ionización. Tras el primer choque, al electrón incidente le puede quedar aún energía para provocar nuevas ionizaciones secundarias hasta que pierda toda su energía inicial (figura 2.1.b).
Pero puede ocurrir que el electrón incidente no tenga suficiente energía como para arrancar electrones del medio, sino que produzca sólo una promoción en los electrones de la corteza electrónica, saltando de sus niveles fundamentales a otros de mayor energía. Se produce así una excitación en los átomos del medio material. Posteriormente se producirá el fenómeno de la desexcitación, volviendo los electrones de los niveles excitados a su nivel fundamental (figura 2.1.c).
En los procesos de ionización y excitación el electrón incidente va perdiendo toda su energía a medida que va atravesando el medio material sobre el que incide.
2.2.3. Colisión radiactiva
La colisión radiactiva tiene lugar cuando el electrón incidente pasa próximo a los electrones que están en la corteza de los átomos del medio material, dando lugar a una repulsión entre las cargas del mismo signo. Se produce, en consecuencia, una variación en la dirección que lleva el electrón incidente, una disminución en su velocidad y, por tanto, una pérdida de energía que se emite en forma de radiación electromagnética o fotones y se denomina radiación de frenado o bremsstrahlung (figura 2. 1.d).
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Este fenómeno se da con mayor probabilidad en las proximidades de los núcleos atómicos. Ésta es la base física de la producción de radiación en un tubo de rayos X, donde se hace incidir un haz de electrones sobre un material de número atómico alto.
2.3. Alcance
Cuando una partícula cargada atraviesa un medio material va perdiendo energía, ya que va produciendo ionizaciones, excitaciones o emisión de radiación de frenado (rayos X).
La velocidad del electrón incidente va disminuyendo hasta que su energía se reduce a un valor prácticamente nulo y se detiene. Si consideramos que es un haz de electrones el que incide, podemos calcular cuál será el recorrido medio que experimentan esos electrones en el material. Es decir, podemos calcular el alcance de ese haz de electrones (saber hasta dónde penetran).
Para los electrones el alcance es aproximadamente igual a la longitud de su trayectoria (que no es rectilínea por ser partículas ligeras).
2.4. Poder de frenado
El poder de frenado de un medio material depende de:
· La energía inicial del electrón.
. Del tipo de material atravesado (naturaleza y densidad).
Existen dos magnitudes para cuantificar este fenómeno:
a) El poder de frenado lineal, definido como la relación entre la energía que va cediendo el electrón al medio, a medida que lo va atravesando, y la distancia media que recorre, es decir:
Poder frenado lineal = - dE / dx (eV/cm)
b) El poder de frenado másico, más usual en protección radiológica, es la pérdida de energía que experimenta el electrón incidente cuando atraviesa el material por unidad de masa y de volumen, dado por la expresión:
Poder frenado másico = - (dE / dx) . (1 / densidad) (eV. cm2/g)
El frenado puede ocurrir por colisiones elásticas (ionizaciones) o bien por colisiones radiativas. La pérdida total de energía que experimenta el electrón en su recorrido será la suma de ambas:
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dE dE dE---- = ---- + ----dx total dx ioniza dx radia
La transferencia lineal de la energía (LET) es el poder de frenado que se produce solamente por las ionizaciones:
dE LET = - ------- (eV/cm)
dx ionizaciones
Y representa la medida de la densidad de ionización que experimenta la partícula ionizante a lo largo de su trayectoria.
2.5. Espectro de rayos X
Los rayos X se generan de la forma que se describe en la figura 2.2. Entre un cátodo (filamento) y un ánodo, que se encuentran en el interior de una ampolla de vidrio al vacío, se establece una alta diferencia de potencial. Se hace pasar una corriente por el filamento, que se calienta; por efecto termoiónico se liberan en él electrones, que son fuertemente atraídos por el ánodo, colisionando con él y originando un conjunto de fenómenos de interacción con el material del ánodo.
Figura 2.2. Tubo de rayos X.
En el rango de las energías utilizadas en radiodiagnóstico, la mayoría de los electrones que inciden sobre el ánodo provocan excitaciones en su corteza electrónica, que al desexcitarse emiten la diferencia de energía en forma de calor. Otros electrones al incidir sobre el ánodo se frenan, pierden velocidad y, por tanto, energía cinética, que la emiten en forma de radiación de frenado. La pérdida de energía varía desde cero hasta la máxima energía de los electrones que proceden del cátodo. A su vez, esta energía depende de la
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tensión aplicada entre el ánodo y el cátodo: si manejamos un tubo con 120 kV tendremos fotones entre 0 y 120 keV
La radiación característica se produce porque algunos de los electrones procedentes del cátodo interaccionan en el ánodo con los electrones de las capas más próximas al núcleo (K, L), excitando a estos electrones que pasan a capas superiores. Al desexcitarse se emiten fotones cuya energía es equivalente a la diferencia de energía entre los dos niveles (figura 2.5). La energía de enlace de los electrones a sus capas es característica de cada sustancia, y dependerá del material del ánodo.
El origen de la radiación de frenado y de la radiación característica se encuentra en los procesos de interacción de los electrones, que son acelerados en el interior del tubo de rayos X e inciden sobre el ánodo. La energía que llevan los electrones se convierte en energía calorífica, radiación de frenado y radiación característica.
El espectro de radiación indica el número relativo de fotones que se emiten en cada intervalo de energía, en función de la energía de los mismos. Para los ánodos de Wolframio utilizados en equipos de rayos X convencionales, el espectro de emisión es el mostrado en la figura 2.3, que consta de una parte continua, correspondiente a la radiación de frenado, y de una discreta, que representa la radiación característica.
Figura 2.3 Espectro de rayos X.
El número de fotones que se producen por frenado está en función de la energía de los electrones al chocar, obteniéndose un espectro teórico como el que se representa en la figura 2.4. Los fotones tienen que atravesar las paredes de la ventana del tubo de rayos X, por lo que aquellos de menor energía serán absorbidos en ella, dando lugar al espectro real, de menor intensidad a bajas energías (curva de trazo continuo en la figura 2.4).
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Figura 2.4 Espectro de radiación de frenado
Figura 2.4 Espectro de radiación característica
2.6. Factores que modifican el espectro de rayos X
Los factores que modifican el espectro de los fotones que se producen en un tubo de rayos X son:
• La tensión aplicada al tubo (kV de trabajo): en radiodiagnóstico oscila entre 20 y
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150 kV y determina la energía máxima de radiación de frenado. Al aumentar la tensión de trabajo se aumenta la producción de radiación de frenado. La máxima energía (keV) que se obtiene a la salida del tubo de rayos X será equivalente al potencial (kV) seleccionado en el generador (figura 2.6).
Figura 2.6. Variación del espectro con el kV.
• El material del ánodo, que influye tanto en la radiación de frenado como en la característica. Al aumentar el número atómico aumenta la energía a la que se produce la radiación característica.
• La corriente eléctrica aplicada (controlada por el selector de mA) implica que cuanto mayor sea el mA aplicado, mayor será la radiación emitida, ya que aumenta el número de electrones que inciden sobre el ánodo (figura 2.7) De igual forma actúa el tiempo
seleccionado en el generador.
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Figura 2.7. Variación del espectro con mAs.
• En el caso de tener un espectro continuo de fotones, al penetrar en un medio el haz se "endurece", ya que se atenúan preferentemente los fotones de baja energía, aumentando así la energía promedio de los fotones del haz y este se vuelve más penetrante.
Para conseguir esta eliminación de los fotones de baja energía, se utilizan filtros adicionales de láminas de aluminio (Al) que se colocan a la salida del haz de radiación (figura 2.8).
Figura 2.8. Influencia de la filtración.
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