INTERACTIUNEA RAZELOR X CU MATERIA

- sinteza bibliografica-

Sef.L. Dr. Anca Butnaru

Exista mai multe interactiuni posibile intre atomii unui obiect si o raza X

incidenta. Majoritatea interactiunilor se produc cu norul electronic din jurul nucleului

(exceptie in cazul producerii de perechi, cand interactiunea se produce cu nucleul

atomului).

Sunt cunoscute patru tipuri de interactiune a fotonilor cu materia

(imprastierea coerenta, efectul fotoelectric, efectul de imprastiere Compton si

producerea de perechi). Probabilitatea de aparitie a acestor tipuri este diferita in

functie de numarul atomic Z al obiectului si energia fotonului incident. Tipurile

principale de interactiune a fotonilor cu materia sunt ultimele trei, prima fiind cu

probabilitate redus sub 5%. La energii mici ale fotonilor incidenti si numere atomice

mici (cum sunt tesuturile moi) predomina efectul fotoelectric, iar al energii mari, (cu

mult mai mari decat cele utilizate in radiologie) predomina formarea de perechi.

Fig. 1 repartitia principalelor tipuri de interactiune a razelor X cu materia in

functie de energia fotonului incident.

La energia fotonilor (raza X) utilizati in diagnosticul imagistic, apar doua

tipuri de interactiuni: absorbtia radiatiei sau imprastierea ei.

1

Fig. 2 Interactiunea cu materia a razelor

X in radiodiagnostic

Prin absorbtie toata energia razei X este preluata de atom fiind transferata

unui electron care paraseste atomul. Energia cinetica a electronului va fi egala cu

energia in exces fata de energia de legatura a electronului cu nucleul atomului. Acest

proces este numit absorbtie fotoelectrica.

Efectul fotoelectric apare cand un foton incident este absorbit total de un

electron de pe un nivel interior (puternic legat, K sau L). Ca urmare a energiei primite

electronul este scos de pe orbita, cu emisie de fotoelectron- atomul ramanand ca ion

pozitiv [CNCAN]. Locul ramas vacant pe nivelul interior este ocupat de un electron

de pe un nivel mai exterior iar excesul de energie este emis sub forma de radiatie X

caracteristica sau electroni Auger.

Fig. 3 Absorbtia fotoelectrica

2

Electronul Auger (Pierre Auger, nascut in 1899, fizician francez), este un

electron care a absorbit energia unui atom excitat fiind expulzat din atom, si care

poarta energia absorbita de la fotonul incident minus energia de legatura sub forma de

energie cinetica.

Astfel efectul fotoelectric datorat fotonilor produce la interactiunea cu materia:

radiatii caracteristice, electroni Auger, fotoelectroni si ioni pozitivi.

Absorbtia fotoelectrica –Detalii

Absorbtia fotoelectrica, cunoscuta si ca efectul fotoelectric este procesul

prin care un foton in coliziune cu un atom isi transfera intreaga energie unui electron

de pe un strat interior (K sau L) al atomului.

Ca urmare electronul (numit fotoelectron) este expulzat din atom.

Energia cinetica a fotoelectronului ejectat este egala cu energia fotonului incident

(raza X) minus energia de legatura a electronului. Locul vacant rezultat dupa expulzia

electronului este ocupat de un electron de pe o orbita mai exterioara (cu energie de

legatura mai slaba), acesta lasand un loc vacant pe aceasta orbita mai exterioara, care

la randul sau este ocupata de un electrón de pe o orbita si mai exterioara fata de

nucleu. Surplusul de energie eliberat cand un electron de pe o orbita periferica trece

pe o orbita mai interioara, mai apropiata de nucleu, determina emisia de radiatii

caracteristice (straturi L,M) si/sau electroni Auger. Energia radiatiei caracteristice

este egala cu diferenta dintre energia de legatura dintre orbitele implicate.

Energia de legatura a unui electron pe stratul K (cel mai apropiat de nucleu)

creste cu cresterea numarului atomic Z. Exemplu: energia de legatura a atomului de

Hidrogen pentru stratul K este de 14 eV, dar creste la 88 keV in cazul Plumbului

(ajunge in jur de 100keV pentru metalele grele).

Fotoelectronii avand energia egala cu diferenta dintre energia fotonului

absorbit si energia de legatura a electronului emis, interactioneaza cu atomii de pe

traseul parcurs ionizandu-i si contribuie astfel la doza primita de materialul respectiv.

Probabilitatea absorbtiei fotoelectrice pe unitatea de masa a materialului

iradiat este proportionala cu Z³/E³, unde Z este numarul atomic al materialului si E

este energia fotonului incident. In consecinta absorbtia fotoelectrica creste

proportional cu cresterea numarului atomic si scaderea energiei fotonului incident.

In procesele care implica efectul fotoelectric fotonul incident este complet

absorbit deci nu pot exista fotoni imprastiati.

3

Aceste elemente explica marea diferenta in atenuarea radiatiei de catre

diferite materiale cum este de exemplu apa (tesuturi moi), tesutul osos si plumbul.

Absorbtia fotoelectrica explica de ce contrastul optim (diagnostic RX) este

intotdeauna obtinut la energii joase ale razelor X care sa produca suficiente cuante ce

strabat obiectul si ajung sa produca imaginea [Medical Imaging Nicer].

Efectul fotoelectric a fost descoperit de Einstein, pentru care a primit premiul

Nobel in 1921.

Prin imprastiere raza X interactioneaza cu atomul dar apoi continua

propagarea pe o directie modificata fata de cea incidenta. Exista doua tipuri de

imprastiere: coerenta (Thompson/Rayleigh, elastica sau clasica) si imprastierea

Compton. Prin imprastierea coerenta fotonul emis are aceeasi faza cu a fotonului

incident, respectiv au aceeasi frecventa si lungimea de unda.

Imprastierea coerenta apare cand un foton de mica energie excita un atom fara

pierdere neta de energie (un exista energie transferata atomului). Energia fotonului

incident este redirectionata pe o directie usor diferita (energia fotonului reemis este

egala cu a celui incident). La energia radiatiei X utilizate in roentgendiagnostic

contributia imprastierii coerente la interactiunea cu materia este de aprox. 5%.

Probabilitatea acestui proces creste o data cu cresterea numarului atomic al atomului

implicat si o data cu scaderea energiei fotonului incident. Nu are nici o contributie la

doza primita[CNCAN].

Imprastierea Compton apare la interactiunea fotonului cu electronii (slabi

legati) de pe nivelul periferic (de valenta) al atomului. O parte din energia fotonului

incident este utilizata pentru eliberarea unui electron de pe straturile periferice

(electron de recul, electron Compton, care preia energia pierduta de foton) iar fotonul

ramas (cu energie mai mica decat a celui incident) este emis (imprastiat) pe o directie

diferita de a radiatiei incidente. Prin pierderea electronului atomul devine ionizat

pozitiv.

Deoarece energia la momentul coliziunii intre fotonul incident si electronul

periferic se conserva, energia si directia fotonului emis (imprastiat) depinde de

energia transferata electronului de recul (devine energia cinetica a electronului). Daca

fotonul incident are energie mare cantitatea de energie pierduta este mica, iar unghiul

sub care fotonul emis este imprastiat, este mic comparativ cu directia fotonului

incident. Daca energia fotonului incident este mica, fotonul emis este imprastia

aproape isotropic in toate cele trei directii ortogonale ale spatiului. La energii ale

4

radiatiei X de ordinal a 1MeV (energii utilizate in radioterapie) imprastierea fotonilor

emisi este aproximativ inainte, pe directia fotonului incident. La energii ale radiatiei X

de ordinul a 100 keV (energii utilizate in radiodiagnosticul imagistic) imprastierea

este mai mult izotropica.

Fig. 4 Imprastierea Compton

Probabilitatea imprastierii Compton este proportionala cu densitatea

electronica (numarul de electronic de valenta).

Directia de deplasare a fotonului emis va forma un unghi cu atat mai mic fata

de directia de miscare a fotonului incident cu cat energia fotonului incident este mai

mare.

Electronul de recul are maximum de energie cand fotonul rezultat din

interactiune este retroimprastiat (este emis la 180 grade fata de directia de miscare a

fotonului incident). Este singura interactiune care produce fotoni retroimprastiati.

Imprastierea Compton este interactiunea predominanta in tesutul moale la

energii mari( peste 25keV sau tensiuni/ potential peste 75KV), cum este fluoroscopia

sau radiografierea plamanului.

Imprastierea Compton etse utilizata in analizarea densitatii osoase prin

masurarea densitatilor minerale ale oaselor/ voxel sau gram/cm3; determinarea

raportului intre imprastierea Compton si imprastierea coerenta cand un tesut este

bombardat cu radiatii ionizante defineste densitatea minerala osoasa.

Imprastierea Compton poarta numele fizicianului american Arthur H.

Compton, 1892–1962,laureat al premiului Nobel in 1927.

5

Producerea de perechi

Producerea de perechi este procesul prin care un foton cu energie foarte mare

este complet transformat intr-un electron si un pozitron. Fenomenul apare cand un

foton incident interactioneaza cu nucleul atomului. Fotonul dispare si apare o pereche

electron-pozitron cu energia de repaus a fiecaruia egala cu 0,511 MeV. Energia de

prag a acestei interactiuni este de 1,022 MeV (suma energiilor de repaus a celor doua

particule). Aceasta interactiune conteaza numai la energii foarte mari ale fotonilor

produsi de acceleratoarele de particule.

Producerea de perechi este un proces in care energia este transformata in materia. Se

produce numai in vecinatatea nucleului.

Conform teoriei relativitatii (Einstein) energia si masa sunt proportionale intre

ele, constanta proportionalitatii fiind viteza luminii la patrat: E=m c²; masa de repaus

a electronului si pozitronului este pentru fiecare 511 keV( 0,511 MeV), astfel ca

energia minima a fotonului incident pentru a produce perechi este de 1022 keV(1,022

MeV).

Reactia inversa a producerii de perechi este reactia de anihilare.

Radiatiile secundare (Imprastiate) –Detalii cu Aplicatie Practica

Terminologie

Radiatia primara : fotonii care au iesit direct din tub, fara a interactiona

Radiatie imprastiata: radiatia rezultata dupa cel putin o interactie

Radiatia de fuga (de scapare): radiatia care nu a fost absorbita de cupola de

protectie ( din plumb )

Radiatia transmisa : radiatia emergenta din corp, dupa trecerea prin materie

(corp) è ajunge la grila antidifuzoare (antiimprastiere) apoi participa la

formarea imaginii

Radiatia primara este radiatia transmisa prin fereastra tubului roentgen si care

formatata cu ajutorul filtrelor si colimatorilor este utilizata la obtinerea imaginii

radiologice [CNCAN].

6

Radiatiile secundare sau imprastiate sunt radiatii ce se produc la interactiunea

fascicolului primar (incident) cu atomii obiectului investigat (radiatia difuzata de

obiectul de radiografiat). Aceste radiatii deviaza de la directia dreapta dintre focarul

razelor X si receptorul de imagine, motiv pentru care constituie o sursa majora a

degradarii imaginii din radiologie si medicina nucleara. Cand razele X traverseaza

pacientul apar cele trei tipuri de interactiune cu materia: imprastierea coerenta,

absorbtia fotoelectrica si imprastierea Compton. Dintre aceste interactiuni, (in

radiodiagnostic) cele mai multe radiatii secundare sunt produse prin imprastierea

Compton. Energia si directia radiatiei imprastiate depinde de energia transferata

electronului de recul. Daca energia razei X incidente este mare, cantitatea

aproximativa de energie pierduta (transferata electronului de recul) este mica, iar

unghiul de imprastiere este mic fata de directia initiala a razei X. Daca energia razei X

incidente este mica, radiatiile secundare sunt imprastiate izotropic in toate directiile.

In diagnosticul imagistic (energii ale razei X de aprox.100 keV) imprastierea

radiatiilor secundare este mai mult izotropica. In radioterapie (energii ale razei X de

aprox.1 MeV) radiatiile imprastiate sunt predominante pe directia fasciculului

incident.

Probabilitatea celor trei tipuri de interactiuni pentru diferite materiale este prezentata

in fig. 5. [Medical Imaging Nicer].

In diagnosticul imagistic la interactiunea cu tesutul normal al corpului,cand

energia fotonilor ajunge la aprox.100keV, predomina imprastierea Compton. Cand

energia fotonilor scade si numarul atomic al substantelor creste (de la apa la os si

7

substanta de contrast) probabilitatea interactiunii fotoelectrice creste. Procentul

imprastierii coerente este sub 5% din interactiunea cu materia.

Radiatiile secundare constituie o problema in diagnosticul imagistic.

Majoritatea sunt cele rezultate din interactiunea Compton iar acestea sunt izotropice.

Dintre acestea cele care influienteaza imaginea sunt cele care au energie si unghi de

incidenta (respectiv directie) apropiate de cele ale razei X primare. Acestea nu pot fi

complet eliminate prin grilele antidifuzoare sau filtrele de energie.

Radiatiile secundare reduc contrastul in radiologie si intensitatea imaginii in

Computer Tomografie.

Bibliografie

1. Medical Imaging Nicer

2. CNCAN

8