Fizica radiatiilor

Structura atomului , numar atomic Z, numar de masa, excitare, ionizare Radiatii corpusculare, radiatii electromagnetice, radiatii ionizante, radiatii non-ionizanteTubul rontgen Producerea radiatiilor X, spectrul radiatiilor X

Particulele elementare

Atomul: unitatea structurala a materiei Protonii

Sunt particule elementare cu sarcina electrica pozitiva, care se gases in nucleu

Neutronii

particule elementare fara sarcina electrica, se gasesc in nucleu, fiind foarte strans legate de protoni prin forte nucleare (interactiuni tari).

Particulele elementare

Electroniisunt particule elementare cu masa neglijabila (9.10938291(40)1031 kg, contribuind cu mai putin de 0.06% la masa totala a atomului. Se poate considera ca intrega masa a atomului este concentrata in nucleu.

sarcina electrica negativa -1.6 x 10 19 coulombsse deplaseaza pe orbite circulare sau eliptice in jurul nucleului, avand diferite nivele energetice K,L,M,N,O. Fiecare dintre aceste orbite poate contine un numar maxim de electroni (ex nivel K cu 2e- si nivel O cu 50-

Particulele elementare

Intr-un atom neutru din punct de vedere electric, numarul electronilor care orbiteaza in jurul nucleului este egal cu numarul protonilor din nucleu. Numarul atomic Z reprezinta numarul atomilor si respectiv al protonilior din acel atom.

Structura materiei

Atomul caracteristici

nr. atomic Z = numarul de sarcini electrice nr. de masa A= particule din nucleu

A Z

X

Modele atomice

Structura atomului Modelul Rutherford (1911)

Nucleu in centru concentreaza sarcinile + (protonii) si particulele neutre electric (neutronii) masa atomului

electroni pe orbite, la periferie = nor e concentreaza sarcinile -, masa neglijabila

sarcina e- = sarcina p+

?

Structura atomului Bohr

e- se misca in jurul nucleului cu o anumita acceleratie o sarcina electrica in miscare emite o unda electromegnetica, pierzand energie e- ar pierde energie cinetica sa cada pe nucleu atomi instabili

Postulatele lui Bohr

1. e- se misca pe orbite circulare, bine determinate (orbite stationare), fara a castiga sau pierde energie 2. trecerea de pe o orbita pe alta se face prin emisia sau absorbtia de energie sub forma de cuante

E=h

h = constanta Planck = frecventa radiatiei emise sau absorbite

masa nucleu < suma p+n diferenta = energie de legatura intre nucleoni

E=mc2

(Einstein)

Energia de legatura= energia necesara pt a desface nucleul in nucleoni

Modele atomice

Atomii

Electronii sunt mentinuti pe orbite prin doua forte opuse. Forta electrostatica Forta centrifuga

www.green-planet-solarenergy.com/images/bohr_atom.gif

echilibrul intre aceste doua forte mentine electronii pe orbite

Les atomes

Forta electrostaticaCu cat numarul atomic este mai mare (mai multi protoni) cu atat forta electrostatica pentru toti electronii este mai mare

+

EF

_

CF

Forta electrostatica si energia cinetica

Electronii situati mai aproape de nucleu (electroni centrali) vor aveo o forta electrostatica mai mare si o energie mai redusa. Electronii care sunt mai departati de nucleu (periferici) au o forta electrostatica mai mare dar o energie mai inalta, ei avand sanse mai mari de a parasi atomul.

Ionizarea atomilor

Ionizarea este procesul fizic de conversie a unui atom in ion prin primire sau prin cedare de energie Ioni pozitivi, ioni negativi

Ionizarea Un ion incarcat pozitiv este produs atunci cand un electron legat de atom absoarbe suficienta energie pentru a putea invinge forta electrostatica si pentru a fi eliberat din atom Cantitatea de energie necesara = potential de ionizare Un ion negativ se produce cand un electron liber intra in coliziune cu un atom si este capturat de care acesta, cedand intreaga energie excedentara sub forma de cuanta de energie

Excitarea

In starea fundamentala, electronul se afla pe orbita cu energie minima Excitarea este cresterea nivelului de energie al atomului , superior starii lui de echilibru energetic e- trece pe o orbita superioara, cedand energie

Excitarea atomilor

Durata de viata a unui atom in stare excitata este in general scurta atomi instabili Spontan sau provocat de o cuanta de energie (numita foton) sistemele parasesc starea de excitare si revin la pozitia de echilibru energetic prin cedare de energie Atomii cu durata lunga de viata in stare excitata se numesc metastabili

Excitarea atomilor

Dupa excitare, atomul se poate intoarce la o stare inferioara de excitare sau la nivelul de repaus energetic fundamental prin emiterea unui foton de energie caracteristica

Emisia fotonilor de catre atomii care se gasesc in diferite sari de excitare, conduc la un spectru electromagnetic care alcatuiesc radiatiile electromagnetice caracteristice

Radiatiile

In fizica, radiatiile descriu orice proces in care energia emisa de un corp se deplaseaza printr-un mediu sau in spatiu pentru ca in final sa fie absorbita de alte corpuri Radiatii: Electromagnetice corpusculare

Radiatii corpusculare

Energia este transportata de catre particule materiale foarte rapide: atomi, ioni, particule ale atomului (neutroni, electroni, particule elementare) Exemple:

Radiatii catodice Radiatii alpha Radiatii neutronice

Radiatii corpusculareRadiatii catodice

Radiatii alpha

Electroni liberi Sunt produse in tubul catodic

Particule atomice Emise prin dezintegrarea nucleilor (izotopi de uraniu)

Radiatii neutronice Neutroni

Emise prin

dezintegrarea radioactiva a nucleilor

Radiatii electromagnetice

Energia este transportata de unde elecromagnetice sinusoidale cu diferite lungimi de unda O sarcina electrica in miscare genereaza un camp magnetic unde electromagnetice Unda rezulta prin compunerea si descompunerea periodica a campului magnetic si electric

Spectrul undelor electromagnetice

Campul electromagnetic = gama de spectre a tuturor frecventelor posibile pentru radiatiile electromagnetice

Radiatiile electromagnetice

Energie - keV lungime de unda - unitati metrice

E0,5 1,5 3eV 0,12keV 1 10 102 103 Diagnostic 104Cosmic 0,01 0,001

Radio

Vizibil

IR24k 8k

UV4k 100

RX + Terapie 10 1 0,1

Radiatiile ionizante

Radiatiile care au suficienta energie pentru ionizarea particulelor Induc adesea perturbari ale sistemelor biologice si pot cauza mutatii ADN si un efect cancerigen

Acest tip de radiatii se produc in general prin dezintegrare radioactiva

Radiatii ionizante

Exemple de radiatii ionizante: Radiatiile alpha () sunt foarte ionizante, apar prin dezintegrarea unui nucleu de Heliu Radiatii (-) - apar prin dezintegrarea unui neutron de un proton din nucleu, rezultand particule - si antineutrino Radiatii + - apar la emitere de pozitroni liberi, sunt foarte instabile si se transforma in radiatii Radiatii sunt fotoni cu frecventa peste 1019 Hz.

Radiatii non ionizante

Radiatii care nu transporta suficienta energie pentru a ioniza atomii sau moleculele forme de energie electromagnetica: unde radio, micro-ondes, radiatii trahertz, infrarosii, lumina vizibila). Aceste radiatii electromagnetice au energie suficienta doar pentru excitarea atomilor Diferite efecte biologice pot fi observate pentru diferite tipuri de radiatii non-ionizante

Radiatiile X

Radiatii electromagnetice dual - corpuscul (foton) + unda dupa energie: MOI - = 1-5 , energie si penetratie scazuta DURE - = 0,01, energie si penetratie crescuta

descoperite 1895 Wilhelm Conrad Rntgen

1895 WILHELM CONRAD RONTGEN

Rntgen dcouvre radiations (rayons X) 1901 - Prix Nobel

Producerea radiatiilor X

Producerea radiatiilor X

ANOD CATOD Tub de sticla vidat

RADIOGRAFII INTRA-ORALE

RADIOGRAFII EXTRAORALE

Aparatura de producere a RX

Sursa de RX alimentarea de joasa si inalta tensiune sistem de comanda si control

Tubul de raze Xcatod = filament de tungsten Anod = molibden

kV

mA

Fereastra

RX

Emisia termoionicaActionarea butonului de expunere curentul electric (mA) traverseaza filamentul catodic Filamentul este adus la incandescenta Elibereaza electroni (emisie termo-ionica).

x-section Filament of incandescence filament

electrons

Cu cat temperatura filamentului este mai mare cu atat numarul de electroni este mai mare

Tubul de radiatii XkV

mA

Fenetre

RX

AnodulTungsten, Molibden (numar atomic mare) . Focarul anodic (pata focala) = o mica zona de la anod unde se formeaza radiatiile X Cu cat focarul anodic este mai mic cu atat imaginea radiologica are o netitate mai buna la anod se produc 1% radiatii X + 99% radiatii calorice

Anodul

Daca focarul anodic este foarte mic se produce mai multa caldura iar riscul de supraincalzire a anodului si de dezintegrare este mai mare. !! Anodul din material cu numar atomic mare Tinta de la anod unde electronii ciocnesc anodul (spotul focal) este inclinata fata de directia fascilului de electroni pentru a mari suprafata de impact a acestora

Line Focus PrincipleTarget (Anode) Cathode Foyer actuelle (reelle)

Foyer optique(apparente)

PID

Focar anodic aparent Focar anodic real

tubul rontgen tub vidat Sticla cu saruri de plumb Eliminarea caldurii support de cupru Ulei de racire la exteriorul tubului, in carcasa metalica Radiatiile X care se produc la anod se propaga sferic, in toate directiile

fereastra in tubul de sticla permite iesirea radiatiilor X din tub

Focarul anodic aparent se gaseste pe directia acestei ferestre a tubului rontgen

Circuite electrice

functii: Furnizeaza o tensiune joasa pentru incalzirea filamentului catoduc transformator de joasa tensiune Generarea unei diferente de potential intre catod si anod transformator de inalta tensiune

Rayonnement X production

1. X-ray production stops whentoheatand time across tube 2. Depress low-voltage circuit toexposure produce x-rays 3. Activate high-voltage strike target filament pull electrons 5. 4. Electronsexposure button cross tube, circuit ends. Release exposure button

Transformator de joasa tensiune

Daca tensiunea care traverseaza filamentul este prea mare, filamentul se consuma circuitul de joasa tensiune are rolul de a reduce tensiunea inainte de travesarea filamentului reduce tensiunea la aprox 10V, ceea ce antreneaza un curent de 45mA care circula in filament

Transformator de joasa tensiuneCircuit primar intrarea tensiunii in transformatorul de joasa tensiune Circuit secundar la iesire . Cu cat sunt mai putine spire la bobina secundara, cu atat tensiunea este mai mare la iesire. primairecurrent flow current flow

110 volts or less

10 volts

Secondaire

Autotransformator

Autotransformatorul determina cate tensiune se va transfera in circuitul de inalata tensiune. Cu cat sunt mai multe spire selectionate in autotransformator, cu atat va creste tensiunea in tub (kV)

if the setting is changed to Autotransformer: the initial setting is 65; 65 80, 80 volts leave the autotransformer. volts leave the autotransformer.110 V

current flowkVp selector 80 65 voltsto step-up transformer

Transformator de inalta tensiune

Tensiunea provenita de la autotransformator este amplificata in circuitul de inalta tensiune. Ex: La tension ultime venant du transformateur de haut tension est peu prs mille fois plus que la tension d'entre. Par exemple, si vous rglez le bouton de contrle 65 kV, 65 volts permet de quitter le autotransformateur. Ce 65 volts est augmente 65.000 volts par le transformateur lvateur.

Transformator de inalta tensiune

primaire

current flow

65-90 volts

current flow

65,000 to 90,000 volts

secondaire

Relatia intre diferitele componenete ale tubului .

kVp control

Autotransformer

Step-up transformerX R A Y T U B E

mA control 110 volts 10 volts 65,000 to 90,000 volts

Step-down transformer filament

Radiatiile X sunt produse doar pe parcursul timpului de expunere Durata de activitate a circuitului de inalta tensiune (care determina kV) este durata de expunere

-Ulei - izolarea componenetelor electrice, -Racirea anodului, -Filtrarea radiatiilor X

Step-up Transformer

oil

barrier material

Step-down Transformer

Curentul electricCurentul care circula este un curent alternativ 60 cycles 1 ciclu o faza pozitiva si una negativa

Doar in faza pozitiva se produc radiatiile X (anodul este [pozitiv ) 1 ciclu dureaza 1/60 sec sunt 60 ciclii/sec

Courant alternatif

+ 110, 220positive

0

- 110, 220negative

target positive; target negative; electrons flow no electron flow

target positive; electrons flow

Masini cu potential constant _ convetresc curentul alternativ in curent continuu (tension constante). Eficacitate mai mare a tubului

60-cycle Alternating Current

Direct Current (Constant Potential)

Timer

La dispositif pour contrle de la dure de l'exposition. -Impulsions -secondes

Exposure factors too high (too dark)

Correct exposure factors

Exposure factors too low (too light)

Les facteurs de controle du faisceau de rayons X

mA, kV, Timp de expunere, Filtrarea colimarea

milliAmpere (mA)

mA determina cantitatea de curent care circula prin filament (catod) Influenteza numarul de electroni produsi la catod si indirect cantitatea de radiatii X

Rayonnement X production

1. X-ray production stops whentoheatand time across tube 2. Depress low-voltage circuit toexposure produce x-rays 3. Activate high-voltage strike target filament pull electrons 5. 4. Electronsexposure button cross tube, circuit ends. Release exposure button

mA (milliampere) Le rglage mA dtermine le chauffage du filament.Plus la temprature du filament, le plus d'lectrons qui sont mis, le plus d'lectrons traversant le tube rayons X, plus le nombre de rayons X qui en rsultent. Il n'ya pas de changement dans l'nergie moyenne ou maximale d'nergie du faisceau de rayons X. Doubler les rsultats mA mise en deux fois plus (twice as many x-rays) 10 mA de rayons-x.Number of X-rays

5 mAmaximum energy (no change)

average energy (no change)

X-ray Energy

le contrle du Kilovolts (kV)

Le du contrle du kVp - la tension travers le tube rayons X. 70 kVp - la tension maximale Plus la tension, plus vite les lectrons ont Voyage du filament la cible.

Le kVp contrles principalement l'nergie ou de pntration de la qualit du faisceau de rayons X. Plus le kVp, plus le maximum d'nergie et plus l'nergie moyenne de la poutre.

kiloVoltaj(kV)KV creste energia radiatiilor X penetrabilitatea

Number of X-rays

90 kVp

70 kVp

X-ray Energy (keV)

70

90

Timpul de expunere d'expositioncreste cantitatea de radiatii X Nu influenteaza energia fasciculuyluiNumber of X-rays

10 impulses (twice as many x-rays)

5 impulsesmaximum energy (no change)

average energy (no change)

X-ray Energy

Exposure Button

Expunerea dureaza doar cat este setata timpul de expunere

Nu este influentata de mentinerea apasata a butonului de expunere nu exista supraexpunere Este posibila subexpunerea prin decuplarea precoce a butonului exponometru

Mecanismul de producerea a radiatiilor X

Exista doua tipuri de radiatii X produse la nivelul tintei anodice Radiatii de franare Radiatii X caracteristice

Radiatii de franare

Se produc prin incetinirea electronilor accelerati, proveniti de la catod, cand trec prin vecinatatea nucleilor atomilor tinta Cu cat electronii sunt mai apoape de nucleu, cu ata sunt mai incetiniti

Cu cat viteza electronilor esete mai amre, cu atat energia radiatiilor de franare rezultate este mai mare Electronii sunt deviati Electronii interactioneaza apoi cu mai multi atomi, pana la pierderea totala a energieie lor

Radiatii de franare

Electrones du Grand vitesse

+

Electronii sunt incetiniti cand trec prin vecinatatea nucleului energia suplimentara este eliberata sub forma de radiatii X de franare Electronii isi schimba directia si se deplaseaza , interactionana cu alti atomi, pana la pierderea complecta a eneriei lor

Radiatii de franare Energy maximalle

+Electronii intra in atomi si isi pierd intreaga lor energie, fiind mentinuti in atom

Energia radiatiilor X de franare produsa energia maximala

Radiatii X caracteristice

Electronii intra in coliziune cu un electron de pe orbita unui atom din anodul tinta electronul esete scos de pe orbita, locul ramas liber este ocupat imediat de un electron de pe o orbita periferica , iar energia este cedata sub forma de radiatii X caracteristice energia electronilor de mare viteza trebuie sa depaseasca energia de legatura a electronilor tinta cu care interactioneaza

Cei doi electroni parasesc atomul

Radiatii X caracteristice- ont des nergies "caractristique" du matriau du cible.

L'nergie sera gale la diffrence entre les nergies de liaison des lectrons cibles impliqus.Les nergies de liaison sont diffrentes pour chaque type de matriel, il dpend du nombre de protons dans le noyau (le numro atomique).K-shell L-shell M-shell

Radiatii X caracteristiceElectron L-shell descend pour combler cette vacance dans Kshell D'lectrons de haute vitesse d'au moins 70 keV d'nergie (il faut plus que l'nergie de liaison du K-shell atome de tungstne) les grves d'lectrons dans la couche K, la mettant hors de son orbite

Ejected electron leaves atomvacancy

M

L

K

Recoil lectrons (avec trs peu d'nergie) sorties d'atome

Spectrul de Radiatii X .Spectru de energii spectru de radiatii X cu diferite lungiumi de unda

Energia determinata de kVmajoritatea radiatiilor sunt radiatii de franare si doar cateva sunt radiatii X caracteristice# of x-rays

Rayonnement caracteristique (59 & 67 keV)Rayonnement De Freinage

X-ray energy (keV)

Spectrul de radiatii X .)Este influentat de : : Distanta intre electronii de inalta vitreza si nucleul atomilor tinta Interactiunile multiple ale electronilor ( electronii continua sa interactioneza pana cand isi pierd intreaga lor energie) Tensiunea , potentialul constant .

Producerea radiatiilor X foarte ineficienta 1% radiatii X 99% dintre inetractiuni- producere de caldura

heat

Filtrarea

Spectrul de radiatii X cu diferite energii Energie suficienta pentru penetrarea tesuturilor si producerea unei imagini radiologice Radiatii de joasa energie - contribuie la iradierea pacientului dar nu au contributie diagnostica, nu ajung la film

filtru de aluminiu indepartarea fotonilor de energie inferioara

Filtrarea

Creste calitatea radiatiilor X reglemetari nationale la tuburi de 70kV esete necesara o filtrare totala de 2,5 mm echivalent de aluminiu

Filter

Colimarea

Reducerea diametrului fasciculului de radiatii rotund sau rectangular 7cm de diamtre

Colimarea

Restarngerea zonei iradiate doar la cea de interes diagnostic Nous voulons couvrir le film avec le faisceau de rayons X, mais ne veulent pas surexposer le patient.

Quand les rayons X interagissent avec les tissus du visage, du rayonnement diffus est produite. Ce rayonnement diffuse cre une exposition supplmentaire du patient et diminue galement la qualit de l'image radiograpique.

Collimation

Disc de plumb cu un orificiu in interior determina forma si dimensiunea fasciculului de radiatii X

ColimareaPartea expusa la iesire este mai mare decat cea de la intrare Scade iradierea difuza a pacientului . Reduce doza la pacienttarget (x-ray source) collimator collimated beam

7 cm 6 cm 6 cm round

ColimareaSi vous passez de la srie 7 cm pour un PID a 6 cm rond PID, le patient reoit 25% moins de radiation parce que la zone couverte par le faisceau est rduit de 25%.Collimation rectangulaire (ligne pointille gauche) des rsultats chez le patient ayant subi une irradiation de 55% infrieure par rapport ce qu'elles auraient reu avec rond de 7 cm d'un PID.

(4.5 cm long)

film

entrance

entranceexit exitarea covered at skin surface (6 cm round PID) area covered as beam exits (6 cm round PID) area covered at skin surface (7 cm round PID) area covered as beam exits (7 cm round PID)

Interactiunea RADIATIILOR X CU MATERIA

Interactiunea radiatiilor X cu materia

9% din rad X traverseaza tesuturile fara sa interactiuneze cu acestea

3 tipuri de interactiuni sunt posibile 1. imprastierea coerenta (efectul Thompson) 2. difuziunea Compton 3. absorbtia photo-electrica

Imprastiere coerenta (efect Thomson)Radiatii X de energie joasa interactioneaza cu electronii de pe orbitele periferice si ii face sa vibreze. Electronul nu este scos din atom Fara ionizare Fotonul este deviat pe o noua directie , fara pierdere de energie

Imprastiere ComptonUn electron de pe o orbita periferica este scos de pe orbita un lectron rezultand un ion (ionizare) Electronul este eliberat din atom ionizare Radiatiile X primare pierd o parte din energie si continua deplasarea dar pe o directie diferita (sunt deviate) 62% dintre inetractiuni

Absorbtia fotoelectricaUn electron central este ciocnit de radiatiile X, cu un lectron central este scos de pe orbita rezultand un ion pozitiv si un electron liber Electronul este eliberat din atom ionizare Radiatiile X primare pierd intreaga lor energie- nu rezulta radiatii difuzate

8% dintre interactiuni.

30% dintre inetractiuni

Imprastiere coerenta (Efect Thomson Radiatiile X emise cuelectron vibrates primary x-ray strikes electron in outer shell

aceeasi energie cu cea a radiatiilor X primare, dar au alta directie

Leffet Comptonprimary x-ray ejected electron (negative ion)

scattered x-ray

atom with net positive charge is positive ion

Photoelectric Absorptionejected electron (negative ion)

atom with net positive charge (positive ion)

Rfrences

Self-study X-Ray production -ppt jaynes.1@osu.edu. 1: Whaites E. Essentials of Dental Radiography CHURCHILL LIVINGSTONE, 2003, 3. White CS, Pharoah MJ. Oral radiology. Principles and interpretation. Fourth edition, Mosby 2000 F.A Passler Manuel de Radiologie