Post on 01-May-2015
transcript
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Cariche
RadiazioniFlusso di Energia
Particelle Radiazioni Elettromagnetiche
Non Cariche
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
L’energia cinetica delle particelle può variare da pochi eV a BeV
Similmente può variare l’energia delle radiazioni elettromagnetiche
L’interazione avviene attraverso il trasferimento di energia
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Ionizzazione Specifica: coppie di ioni prodotte per unità di distanza percorsa
LET: energia rilasciata per unità di distanza percorsa
Range: la distanza percorsa fino ad aver rilasciato sufficiente energia cinetica da non avere più interazioni
Questi fattori dipendono dal tipo e dall’energia delle radiazioni e dalle caratteristiche della materia
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Particelle Cariche
Dovute alle forze di Coulomb piuttosto che a contatto fisico diretto
•Ionizzazione
•Eccitazione Atomica (e- orbitale)
•Eccitazione Molecolare (vibrazione di molecole)
•Collisioni Molecolari (atomi o parti di atomi rimossi)
•Bremstrahlung (radiazioni di frenamento)
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Particelle Cariche
Pesanti (protoni, deuteroni, , atomi ionizzati) viaggiano in linea retta, hanno alto LET e ionizzazione specifica e basso range
Leggere (elettroni e positroni) percorso tortuoso, basso LET e ionizzazione specifico e alto range
Spesso le interazioni di raggi X e risultano in produzione di e- liberi
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Fotoni
I raggi X e sono radiazioni elettromagnetiche che trasportano energia nello spazio
Alcune delle loro interazioni sono spiegabili con le teorie della propagazione dell’onda.
Altre assumendo che consistano di pacchetti discreti di energia, con caratteristiche simil-particelle, per la bassa lunghezza d’onda e l’alta frequenza
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Fotoni
Se un fotone ha almeno 15 keV di energia è capace di ionizzare e si parla di radiazioni ionizzanti
I raggi X, e alcuni UV sono radiazioni ionizzanti
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Fotoni Attenuazione
Quando un fascio di fotoni si riduce di intensità attraversando un materiale si parla di ATTENUAZIONE
•Completamente assorbito
•Deflesso
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Fotoni Attenuazione
•Scattering Coerente
•Assorbimento Fotoelettrico
•Scattering Compton
•Produzione di Coppie
•Fotodisintegrazione
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Equazione di Attenuazione
Quando un fotone attraversa un mezzo c’è una probabilità associata con uno dei 5 processi
In genere, questa probabilità è funzione dell’energia del fotone, lo spessore e le caratteristiche del mezzo
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Equazione di Attenuazione
I0 = I0 - I
La frazione di fotoni assorbita (I0/I0) è direttamente proporzionale allo spessore del mezzo (x)
I0/I0 = -x : coefficiente di attenuazione lineare (1/d)
I = I0 e-x
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Equazione di Attenuazione
è la somma di
Scattering Coerente
Assorbimento fotoelettrico
Scattering Compton
Produzione di Coppie
Fotodisintegrazione
e dipende dall’energia del fotone e dalle caratteristiche del mezzo
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Equazione di Attenuazione
Per semplificare è stato introdotto il concetto di strato emivalente (HVL: half-value layer), definito come lo spessore del mezzo che dimezza il numero di fotoni trasmessi
HVL = 0.693
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Scattering Coerente (o Classico o di Raleygh)
Non viene trasferita energia al’atomo e si ha solo cambio di direzione
Avviene solo per energie < 50 keV
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Assorbimento Fotoelettrico
Tutta l’energia del fotone incidente è trasferita ad un e- interno
Questo (fotoelettrone) è espulso con Ec = E
L’assorbimento fotoelettrico avviene solo se l’energia del fotone è superiore all’energia di legame dell’elettrone
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Assorbimento Fotoelettrico
Il posto vuoto lasciato dal fotoelettrone è occupato da un e- esterno, de-eccitazione con emissione di energia sotto forma di X caratteristico o di e- Augér.
L’assorbimento fotoelettrico produce una coppia di ioni e radiazione caratteristica
Il fotoelettrone ha energia sufficiente a ionizzare altri atomi
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Assorbimento Fotoelettrico
E’ una interazione a bassa energia, la cui probabilità decresce rapidamente all’aumentare dell’energia
La probabilità dipende fortemente dallo Z del messo (proporzionale a Z4)
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Scattering Compton
Un fotone interagisce con un e- debolmente legato.
L’e- è espulso con un angolo rispetto alla direzione del fotone incidente, ed il fotone stesso è deviato di un angolo
L’energia ceduta al fotone dipende dall’angolo di deflessione del fotone.
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Scattering Compton
E = E’ + Ee
E’ = E / (1+(E/511)(1-cos))
511 = massa a riposo di e- in keV
varia da 0° (no interazione) a 180° (backscatter)
Sia che decrescono al crescere dell’energia del fotone incidente
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Scattering Compton
Anche in questo caso il prodotto finale è una coppia di ioni
La probabilità di Scattering Compton è decresce lentamente al crescere dell’energia del fotone incidente ed è direttamente proporzionale al numero atomico (Z) del mezzo
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Produzione di Coppie
E’ una interazione a soglia in cui il fotone incidente interagisce principalmente con il forte campo elettrico del nucleo
L’energia è convertita in massa sotto forma di e- + e+
Poiché la massa a riposo di un e- è 0.511 MeV, il fotone deve avere energia pari ad almeno 1.022 MeV.
L’energia in eccesso è trasferita come energia cinetica
Medicina Nucleare
Interazioni con la Materia
Fotodisintegrazione
Quando un fotone ha energia molto alta (7 MeV) ha energia sufficiente a produrre una reazione fotonucleare con espulsione di un nucleone.
La probabilità di questo evento è molto bassa