Producción de Pares

Si un fotón incidente tiene la energía suficiente, se acercará lo más posible al núcleo atómico. La interacción entre el fotón y el campo electrostático nuclear hace que el fotón desaparezca y surjan dos partículas: un electrón y un positrón. La equivalencia de energía con la masa de un electrón es de 0.51 MeV; por lo tanto, el fotón incidente debe tener al menos una energía de 1.02 MeV. Cualquier energía superior se reparte por igual entre las dos partículas en forma de energía cinética.

Fotodesintegración

Con fotones con energías superiores a 10 MeV, estos no interaccionan con los electrones ni con los campos electrostáticos nucleares y pueden ser absorbidos directamente por el núcleo. Así, el núcleo pasa a un estado de excitación y emite un nucleón u otro fragmento nuclear.

Interacción de los Neutrones con la Materia

Los neutrones son partículas sin carga; no experimentan atracción e interactúan con la materia a través de colisiones directas. La probabilidad de que ocurra una interacción con un electrón es ínfima. Si llegara a ocurrir, no altera el movimiento del neutrón debido a la diferencia de masa entre ambos.

Clasificación de los Neutrones

Neutrones Térmicos

Son aquellos que están en equilibrio con el medio que los rodea, no existiendo intercambio neto de energía entre neutrones y átomos. Su energía promedio es de 0.025 eV.

Neutrones Intermedios

Abarcan energías desde 0.5 eV hasta 104 eV (el valor de 0.5 eV como límite inferior está tomado de la capacidad del cadmio para absorber neutrones de baja energía).

Neutrones Rápidos

Se denominan así cuando las energías están entre 104 eV y 107 eV. Por lo general, todos los neutrones al nacer están comprendidos en este intervalo de energía, pasando luego a energías menores por colisiones sucesivas. Los neutrones rápidos sufren dispersiones elásticas con los núcleos, perdiendo poco a poco su energía.

Neutrones Relativistas

Poseen energías cinéticas superiores a los 10 MeV.

Tipos de Interacción

Procesos de Dispersión

Cuando el neutrón es desviado de su trayectoria.

Procesos de Absorción

Cuando el neutrón es incorporado al núcleo, apareciendo otras partículas energéticas.

Dispersión Elástica

El neutrón es dispersado por el núcleo; este recibe una pequeña cantidad de energía.

Dispersión Inelástica

El neutrón entrega una cantidad tal de energía que, además de entregarle movimiento al núcleo, lo deja excitado. El núcleo vuelve a su estado fundamental emitiendo radiación gamma.

Captura Radiactiva

Cuando el neutrón es capturado por el núcleo, pasando a un estado excitado, del que regresa al estado fundamental emitiendo radiación gamma (n,γ).

Reacción Nuclear

El neutrón permanece en el núcleo provocando la emisión de partículas. (n,p), (n,α). Si la energía del neutrón es muy elevada, se pueden dar los casos de (n,np), (n,2n), (n,3n).

Fisión

Cuando el neutrón es capturado por ciertos núcleos pesados, los que pasan a un estado de inestabilidad tal que se fraccionan en dos núcleos. Las masas de estos núcleos son aproximadamente la mitad del núcleo inicial, con la liberación de una gran cantidad de energía.

Producción de Rayos X

Los rayos X se producen principalmente por dos procesos:

  • Bremsstrahlung (radiación de frenado)
  • Rayos X Característicos

Bremsstrahlung

La interacción entre los electrones a alta velocidad y el núcleo de un átomo produce rayos X. Cuando un electrón pasa cerca del núcleo, puede ser frenado y desviado de su dirección por las fuerzas de atracción nucleares, perdiendo toda o parte de su energía, la cual es entregada y propagada en el espacio como rayos X. Un electrón puede experimentar uno o más eventos de Bremsstrahlung, resultando en la pérdida parcial o completa de su energía. El fotón resultante puede tener una energía que puede ser hasta igual a la energía inicial del electrón. La dirección de la emisión del fotón dependerá de la energía del fotón incidente. Para energías del orden de los 100 keV, los rayos X son emitidos de manera más o menos uniforme en todas direcciones. Si la energía del electrón aumenta, la dirección de la emisión de los rayos X se incrementa hacia adelante. Más del 99% de la energía cinética de los electrones se transforma en energía térmica y casi un 1% se convierte en energía radiante. El tubo de rayos X es ineficaz en la producción de rayos X. Los electrones proyectil, al interactuar con los electrones de las capas externas de los átomos del blanco (target), no les entregan suficiente energía para producir ionizaciones; estos electrones pasan a un nivel energético superior, volviendo rápidamente a su estado normal de energía y emitiendo esta energía en forma de calor.

Rayos X Característicos

Los electrones incidentes en el blanco (target) también pueden producir rayos X característicos. Un electrón con suficiente energía cinética (Ec) puede interactuar con los átomos del blanco, expulsando un electrón orbital de la capa K, L o M, dejando el átomo ionizado.

Características del Espectro de Rayos X

  • Cuanto mayor sea el área comprendida bajo la curva, mayor será la intensidad o cantidad de fotones en el haz.
  • Cuanto más a la derecha se encuentre el espectro, mayor será la energía eficaz o calidad del haz.

Efecto del mA

Si aumentamos el mA al doble, fluirá el doble de electrones del cátodo al ánodo; en consecuencia, se producirá el doble de fotones de rayos X. El espectro cambiará de amplitud, pero no de forma. Un cambio en los mA provoca un cambio proporcional en la amplitud del espectro.

Efecto del kVp

Un cambio en la tensión pico del kVp influye tanto sobre la amplitud como sobre la posición del espectro de rayos X. Cuando aumenta el kVp, la distribución relativa de los rayos X emitidos se desplaza a la derecha, hacia las energías altas de rayos X.

Efecto Compton

El efecto Compton provoca que la información de interés diagnóstico no alcance la placa. Los rayos X producidos en el efecto Compton no aportan información útil; no transmiten información sobre el tejido por el que acaban de pasar. Solo produce velamiento en la película.

Efecto Fotoeléctrico

El efecto fotoeléctrico causa la absorción total de los rayos X. La imagen radiográfica es producida por los rayos X que atraviesan el cuerpo del paciente sin experimentar interacciones. Los rayos X que experimentan interacción fotoeléctrica proporcionan información diagnóstica a la película. Como no llegan a la película, estos rayos X representan estructuras anatómicas con características de alta absorción de los rayos X. La absorción fotoeléctrica de los rayos X da lugar a zonas brillantes en una radiografía, como las correspondientes al hueso. Otros rayos X penetran el cuerpo y son transmitidos sin ninguna interacción, produciendo zonas oscuras (de alta densidad óptica) en la radiografía. Básicamente, la imagen producida por los rayos X procede de la diferencia entre los rayos X absorbidos fotoeléctricamente y los no absorbidos. Esto es lo que se conoce como absorción diferencial. La mayoría de los rayos X interacciona por efecto Compton. A la película llega menos del 5% de los rayos X que inciden sobre el paciente. Menos de la mitad de los rayos X que alcanzan la película interaccionan para formar la imagen. Así, la imagen radiográfica se debe aproximadamente al 1% de los rayos X emitidos. La obtención de radiografías de alta calidad exige seleccionar correctamente la tensión de forma que la energía eficaz de los rayos X proporcione la máxima absorción diferencial. La absorción fotoeléctrica dependerá del número atómico del material absorbente, siendo proporcional al cubo del número atómico (Z) del material absorbente. La dispersión Compton de los rayos X es independiente del número atómico (Z) del material absorbente. La probabilidad de dispersión Compton en los átomos de hueso y tejido blando es casi la misma y disminuye al aumentar la energía de los rayos X. Para energías bajas, la mayor parte de las interacciones de los rayos X son fotoeléctricas. Para energías altas, predomina la dispersión Compton.

Resumen de Interacciones de Rayos X

  • Las interacciones fotoeléctricas en el hueso y tejido blando dependen del número atómico (Z) del tejido.
  • Con absorción diferencial máxima se obtienen radiografías de mejor calidad.
  • La pérdida de contraste radiográfico se debe al velo causado por la dispersión Compton.
  • Cuando la cantidad de radiación dispersada se hace muy importante, se utilizan rejillas, que no influyen sobre la absorción diferencial, pero reducen la radiación dispersa.

Aplicaciones en Radioterapia

En radioterapia, son importantes los efectos que producen ionización, ya que son los que entregan energía a la materia, la cual debe ser depositada en las células malignas para que sean eliminadas. Dado que usamos fotones con grandes energías (generalmente 6 MeV o 10 MeV), los fenómenos que ocurrirán en la interacción con la materia serán:

  • Efecto fotoeléctrico
  • Efecto Compton
  • Producción de pares

También usaremos haces de electrones, cuyo uso dependerá de la profundidad a la que queramos llegar dentro del tejido:

  • Electrones para tratamientos superficiales
  • Fotones para tratamientos profundos