LEZIONE 3
“Opuscolo d’informazione per i lavoratori dell’INFN” di A. Esposito, E. Giroletti, G. Moschi
ENEA – “Elementi di radioprotezione” – Carlo Polvani
Ugo Amaldi “Fisica delle Radiazioni” Ed. Boringhieri
CNEN – “Elementi di Fisica Sanitaria”
CNR – “Protezioine e sicurezza del lavoro nei laboratori scientifici”
Maurizio Pelliccioni Fondamenti Fisici della radioprotezione Pitagora Editrice Bologna
Radiazioni
La Radiazione emessa da una sorgente può essere considerata corpuscolare o elettromagnetica. Fenomeni come l’effetto Fotoelettrico e Compton si spiegano ipotizzando la
natura corpuscolare della radiazione, altri fenomeni come l’interferenza e la diffrazione si
spiegano sulla base della natura ondulatoria della radiazione. In questo caso l’energia della radiazione è quantizzata in fotoni di energia E = h ν
h = 6,62 10 -27 erg.sec
Lo spettro delle o.e.m è convenzionalmente suddiviso in bande.
Onde hertziane
Onde radio
Microonde
≤ f ≤ 1000 Hz , 109 ≥ λ ≥ 106 m
103 ≤ f ≤ 109 Hz , 106 ≥ λ ≥ 0.3 m
109 ≤ f ≤ 3 · 1011 Hz , 0.3 ≥ λ ≥ 10-3 m
3 · 1011 ≤ f ≤ 3.8 · 1014 Hz , 10-3 ≥ λ ≥ 0.78 · 10-6 m
50
Infrarosso
Le radiazioni infrarosse sono prodotte da corpi caldi nei quali gli atomi vengono eccitati negli urti causati
dall’agitazione termica.
1,77 – 3,1 eV
f ≤ 7.9 · 1014 Hz , 0.78 · 10-6 ≥ λ ≥ 0.38 · 10-6 m
Ultravioletto 7.9 · 10 ≤ f ≤ 5 · 1017 Hz ,
3,1 – 124 eV
0.38 · 10-6 ≥ λ ≥ 6 · 10-10 m
Luce visibile
3.8 · 1014 ≤
14
Una gran parte delle radiazioni ultraviolette prodotte dal sole sono assorbite dall’atmosfera, provocando la formazione
di O3. L’ assorbimento è fondamentale per la vita sulla terra. È noto il problema dell’assottigliamento dello strato di ozono dovuto principalmente ai clorofluorocarburi ( CFC ). Il principale utilizzo delle radiazioni ultraviolette è la sterilizzazione.
Raggi X 5 · 1017 ≤ f ≤ 5 · 1019 Hz , 6 · 10-10 ≥ λ ≥ 6 · 10-12 m
124 eV – 124 keV
Il loro principale utilizzo è in campo medico. L’assorbimento dei raggi X è differente nei vari tessuti del corpo umano.
Raggi γ
f ≥ 3 · 1018 Hz , λ ≤ 10-10 m
Le radiazioni ionizzanti trasportano energia sufficiente ad ionizzare l’acqua ( > decina eV)
Sono direttamente ionizzanti ( α; β) le radiazioni dotate di carica e massa che in successive interazioni con gli atomi producono coppie di ioni cedendo progressivamente la loro
energia fino a fermarsi.
Sono indirettamente ionizzanti ( X; neutroni) quelle che cedono la loro energia in una o
poche interazioni producendo gli elettroni responsabili delle ionizzazioni del mezzo.
APPARECCHI PER RX
Rx ( Roentgen 1895) scariche elettriche in lampade annerivano pellicole
L’anodo di un tubo a raggi X, colpito da elettroni veloci, emette fotoni come :
1) radiazione di frenamento da parte degli elettroni veloci nell’interazione con il campo dei
nuclei dell’anodo.
2) emissione di X caratteristici dell’elemento che costituisce l’anodo
Se il filamento del tubo è portato ad alta temperatura, allora alcuni elettroni acquistano un'
energia cinetica superiore al lavoro di estrazione We che impedisce agli elettroni di abbandonare il filamento a basse temperature. La legge di Richardson stabilisce che la corrente Is emessa
da 1 cm2 di metallo alla temperatura T è data da:
We
A
Is = A0T 2 e KT
A0 = 120, 4
cos tan te termoelettrica
cm 2 K 2
Finestra di Berillio
Anodo 60 kV- 200 kV
Rame con disco di Tungsteno
Raffreddamento ad acqua /olio
Filamento + catodo + schermo
catodico
Effetto termoionico
Craterizzazione
Dell’anodo che
Altera la conformazione
del fascio.
•
•
•
•
Qualche volta il tubo agisce anche da raddrizzatore e lascia passare semionde di corrente ( mA) in corrispondenza di ogni semifase di rete.
I raggi X sono presenti unicamente nel momento in cui gli elettroni raggiungono l'anodo.
∆V
Gli elettroni sono sottoposti al campo creato dall’anodo F µ e
per cui muovono di
L
moto uniformemente accelerato
Lavoro compiuto dal campo per portare la carica q da Catodo ad Anodo è:
LCA = - q ∆V = e∆V = e(VA - VC )
2e(VA - VC )
1
1
LCA = ∆( mV 2 ) = mVel 2
Vel =
2
2
m
• L’energia cinetica e(VA - VC ) viene trasformata in calore e in fotoni x.
1. Gli elettroni accelerati interagiscono con quelli più esterni degli atomi dell’anodo
producendo eccitazioni e ionizzazioni e un aumento della agitazione termica degli
elettroni. Ritornando al loro stato fondamentale, gli elettroni emettono radiazione infrarossa che riscalda l’anodo.
2. Quando supera una certa energia l’elettrone riesce a scalzare un elettrone
dell’orbita K-L dell’ anodo e si formano righe caratteristiche.
3. Se l’interazione avviene con il nucleo atomico Ze, l’elettrone viene deflesso dalla direzione originale (accelerazione) perdendo parte della sua Energia Cinetica che
viene emessa come radiazione elettromagnetica di frenamento di intensità dE/dt
dE 2 Ze 2 2
eZe 2
=
a
a2 » (
)
3
dt
3c
m
L’intensità sarà maggiore per Z elevati (Tungsteno) ed m piccole (elettroni).
La frazione F di energia che viene trasformata in o.e.m. è
F = 7•10-4Z•E(Mev)
↑anodo
Z = 74 Tungsteno ( fonde a 3370°C)
E = 0,4 Mev
F = 0,02 → 2%
98 % Calore
Sorgente puntiforme, migliore qualità immagine, difficile raffreddamento
α Diagnostica = 75-76°
α Terapia
= 65-70°
α
Diagnostica : 150-300 Kv 25-50 mA (1/60-1/120 sec)
Terapia
: 400 -1 MeV
Odonto
: 60 kV 7 mA
In mammografia la tensione è ∼ 45 KV, l’anodo di Molibdeno emette delle righe caratteristiche tra 17 keV e 19 keV che vengono utilizzate per produrre le immagini.
Si applica un filtro di Molibdeno.
Controlli Qualità:
1. Filtro Alluminio
2. Diaframma
3. Cuffia Schermo Pb radiazione di fuga
4. Cavo 2 m
5. Cono 6x20 cm
6. Tempi
7. Alta Tensione
8. Fuoco
•
•
In ogni urto l’elettrone è frenato in modo diverso ed emette fotoni di diversa energia.
Contribuisce alla formazione dello spettro continuo anche il fatto che gli elettroni arrivano sull’anodo con energie diverse perché la tensione di alimentazione è a semionda.
50 keV
I
I
∆V
20KeV
λ min
λ max
E=
2
Emox ; λ = 1, 5 λ min
3
•
In realtà aumentando ∆V aumenta anche I perché un maggior numero di elettroni
viene raccolta all’anodo.
Aumentando la corrente nel filamento aumenta la produzione di elettroni e la corrente
all’anodo. Il filamento durante i tempi morti viene tenuto in standbay a temperatura inferiore a quella necessaria per produrre l’emissione di elettroni.
Apparati Radiografici
Tavolo portapaziente
Il tavolo portapaziente è in materiale RX-trasparente (fibra di carbonio, laminato di materiale plastico ) per evitare diffusione. Può muoversi secondo diverse direzioni. Sotto il tavolo è collocato l’alloggio per il contenitore della lastra.
Per ridurre la radiazione diffusa e migliorare la risoluzione e il contrasto dell’immagine,
prima della lastra, vengono usate delle griglie fisse o mobili che intercettano i raggi X che
non hanno direzione ortogonale alla lastra. Le griglie sono costituite da un insieme di strisce di piombo separate da fogli di plastica o di alluminio. Sono caratterizzate dal “Rapporto di griglia” che è il rapporto tra l’altezza delle griglie e la loro distanza. Valori tipici sono
da 6:1 to 16:1.
Un rapporto 8:1 è adeguato sotto 90 kVp, un rapporto 12:1 è preferito sopra 90 kVp.
Anodo
La qualità dell'immagine dipende anche dalle dimensioni della macchia focale. Una macchia focale piccola produce un'immagine con migliore risoluzione, ma gli elettroni in questo
modo producono calore in un’area molto ristretta (diametro da 0.6 mm a 2 mm circa) che
può determinare l’alterazione della superficie. (craterizzazione-Tungsteno fonde 3400
°C produce gas che compromette il vuoto).
L'anodo opera a temperature intorno a 1000 - 1200 °C e necessita quindi di un raffreddamento, in genere con olio.
Sull’anodo sono realizzati dei tagli radiali per prevenire rotture dovute all’espansione termica.
L’anodo può essere di tipo fisso o rotante ( 3000-9000 g/min). In questo caso la macchia
focale diventa una corona circolare che smaltisce meglio il calore generato dal fascio.
In generale ogni sistema RX ha la possibilità di selezionare fra due macchie focali.
La macchia focale è caratterizzata dalla MTF (Modulation Transfer Function).
Il tubo radiogeno è contenuto in una cuffia o guaina di Pb, che garantisce la protezione
nei confronti della radiazione di fuga.
a 1 m < 1 mGy/ora (potenza nominale max)
Un sistema ottico inserito nel sistema di collimazione, produce un fascio luminoso usato
per la centratura.
Nei tubi per tomografia computerizzata (TC), il fascio intercetta solo una sottile sezione
anatomica del paziente (detta anche slice» o «fetta»).
Nella TC l’immagine non è più planare, come quella radiodiagnostica, ma è trasversale (o
tomografica), in quanto ricostruita partendo dalle proiezioni eseguiti in rapida successione
mentre il tubo radiogeno ruota di 180°/360°.
Le proiezioni vengono registrate da gruppi di rivelatori (che possono essere fissi o rotanti
solidamente con il tubo ), che inviano i profili del fascio all'elaboratore per la ricostruzione
dell'immagine.
Generatore di tensione
Dal " pannello di controllo" si impostano V , I e tempo.
La potenza complessiva da fornire all'anodo arriva fino a 100 KW sia pure per intervalli di
tempo molto brevi (dai ms a 300 ms ).
Prima del trasformatore elevatore c’è un autotrasformatore che controlla la frazione della
tensione di rete che viene applicata al primario del trasformatore.
Sul secondario dell’autotrasformatore è montato il Voltmetro e il mA .
L'alta tensione può esser prodotta a partire da una tensione monofase, trifase o ad alta
frequenza.
Nei generatori ad alta frequenza si alimenta in cc un Inverter che produce la tensione a
frequenza elevata (anche 100 kHz), che viene innalzata, raddrizzata e filtrata. Aumentando la frequenza migliora l’ uniformità della tensione in uscita e la qualità dell'immagine.
I fasci prodotti in questo modo sono più monocromatici e consentono di adottare tempi di
esposizione ridotti riducendo così la dose al paziente.
Per evitare di fornire dosi elevate, si adottano spesso sistemi di controllo della corretta esposizione della lastra (AEC: Automatic Exposure Control). Questi dispositivi si basano
sull’uso di un rivelatore (Fotomoltiplicatore o C.I.) posto generalmente dietro la pellicola.
L’ AEC interrompe automaticamente l'erogazione dei RX quando si sia raggiunta un'accettabile esposizione della lastra, eliminando possibili errori umani.
L'operatore regola i valori di tensione (kVp) e di corrente (mA), mentre i tempi di esposizione sono determinati dal circuito AEC.
La pellicola radiografica
La pellicola radiografica è costituita da un supporto di poliestere ricoperto su i due lati da
un’emulsione fotosensibile che è più sensibile alla luce che ai RX.( confinati in confezioni
opache alla luce e custodite in luoghi non raggiungibili da X)
Per sfruttare la sensibilità alla luce vengono utilizzati schermi di rinforzo costituiti da fosfori alle terre rare (soprattutto gadolinio) in supporti posti a contatto con la pellicola. Gli
X incidono sullo schermo di rinforzo, vengono assorbiti con elevata efficienza e la loro energia è convertita in luce visibile che impressiona la pellicola. L’immagine sulla pellicola è
formata essenzialmente dalla radiazione luminosa, solo in minima parte dai RX.
Per il complesso schermo-film si definisce efficienza di conversione (Quantum Detection
Efficiency) la percentuale dei RX che viene convertita in energia luminosa. Valori tipici
sono il 30% per RX a più alta energia fino al 60% per quelli a più bassa energia.
Si definisce "velocità" del complesso schermo-film (detta anche sensibilità o rapidità) la
capacità di produrre un'immagine con una piccola quantità di radiazione. La velocità dipende dall’efficienza di conversione degli X in energia luminosa e dall'adattamento tra la
curva di sensibilità della pellicola e il colore della luce emessa dallo schermo.
Un complesso schermo-pellicola ad alta velocità riduce la dose ricevuta dal paziente ma
presenta maggior rumore.
Uno scatto con pellicola a bassa sensibilità richiede un tempo di esposizione maggiore; si
parla perciò di pellicola lenta.
La velocità si misura in numeri ISO- ASA (in Germania in ISO-DIN). Quanto più alto è il
numero, tanto più sensibile è la pellicola.
Lo standard ISO definisce una scala lineare ( scala ASA) e una scala logaritmica ( scala
DIN).
Le pellicole con rapidità ISO/ASA da 25 a 64 (15-20 DIN) sono lente; da 125 a 400 (22-27
DIN) rapidità media; quelle superiori a 500 (28 DIN) sono rapide.
Una pellicola con numero ISO/ASA doppio di un altro ha sensibilità doppia e, a parità di
condizioni, richiede la metà del tempo di esposizione.
Nella scala DIN la rapidità della pellicola raddoppia ogni tre valori (stop). Una pellicola da
18 DIN è due volte più rapida di una da 15 DIN.
Come per i tempi di esposizione e le aperture del diaframma, anche per gli ISO-ASA aumentando/diminuendo di uno stop la velocità della pellicola raddoppia/dimezza.
I valori di ISO più comuni sono 25/15º, 50/18º, 100/21º, 200/24º, 400/27º, 800/30º,
1600/33º, e 3200/36º.
Dopo lo sviluppo e il lavaggio, le zone della pellicola colpite da fotoni X risultano, più nere (
polmoni, organi molli), mentre quelle meno colpite risultano bianche (ossa).
La tensione di picco (in kVp) determina la capacità di penetrazione dei RX, e in parte anche la loro quantità. Con una alta tensione il contrasto si riduce poiché i fotoni a maggior
energia attraversano anche i tessuti come l’osso, dando luogo ad un’immagine più biancacon sfumature di grigi.
Il prodotto (mA.s) determina il numero complessivo dei fotoni emessi. E’ opportuno che il
tempo di emissione sia breve per evitare che i movimenti del paziente o degli organi interni
sfuochino l’immagine stessa.
Aumentando i mA aumenta il contrasto dell’immagine e si limita la percezione della scala
dei grigi.
La pellicola per RX è caratterizzata da
•
il contrasto
•
la latitudine, cioè la capacità di creare un'immagine utilizzando un'ampia gamma di valori di intensità luminosa
La latitudine di posa indica la capacità dell'emulsione di una pellicola fotografica di tollerare sottoesposizioni o sovraesposizioni. Variando entro certi limiti i valori di tempo e diaframma, la lastra sarà comunque correttamente stampabile anche se il negativo dopo lo sviluppo apparirà più' chiaro o
più' scuro di un negativo correttamente esposto.
La latitudine di posa è molto ampia nelle pellicole b/n (tolleranza di -3 stop; +3 stop)
•
la risoluzione
La fluoroscopia è una tecnica radiografica usata per osservare dinamicamente il paziente, per esempio durante l'inserimento di un catetere in un vaso.
In fluoroscopia non si impressionano pellicole ma si usa un intensificazione di immagine
(intensificatori di brillanza) costituito da sistema con una finestra attraverso la quale i RX
raggiungono un fosforo che li converte in fotoni luminosi che a loro volta incidono su materiale che emette localmente elettroni i quali sono accelerati e focalizzati da appositi elettrodi fino a raggiungere dei fosfori che convertono l'energia degli elettroni in un'immagine
luminosa sullo schermo.
Sistemi digitali
I sistemi digitali non memorizzano l’immagine sul film, bensì sotto forma numerica.
I vantaggi sono una migliore visualizzazione (?), dosi ridotte, archiviazione e trasmissione
a distanza (sistemi PACS: Picture Archiving and Communication Systems).
Una tecnica per ottenere un’immagine prevede l’uso di rivelatori CCD
MONOBLOCCO PER ODONTOIATRIA
•
Il monoblocco per odonto consiste di un trasformatore che eleva la tensione di rete
di 230 V a 65 kVp e la si applica al tubo radiogeno. Il tubo agisce anche da raddrizzatore.
• Il trasformatore alta tensione e il tubo radiogeno sono immersi in olio sia per isolamento elettrico che per dissipare il calore. Attorno al tubo radiogeno vi è una cuffia di
piombo che blocca i raggi X in ogni direzione eccetto che in quella della finestra di emissione. Tale finestra incorpora un filtro di alluminio per rimuovere i fotoni X a bassa
energia poco utili alla formazione dell’immagine ma significativi per la dose al paziente
Di fronte alla finestra vi è un cono costituito da un diaframma in piombo che collima il fascio alla forma necessaria e da un distanziatore conico di 20 cm con un campo circolare di
6 cm di diametro. L’estremità del cono è appesantita con piombo per sopprimere la radiazione retro-diffusa dalla pelle del paziente.
Un “cono” a campo rettangolare di 2,5 x 4,5 cm può essere ruotato attorno al proprio asse
per allineare il campo radiogeno al film.
Il cono rettangolare richiede più attenzione di quello circolare (rifare la radiografia). Tuttavia la dose integrale impartita con il cono rettangolare è meno della metà di quella con il
cono circolare (a causa della minore area irradiata).
• I generatori moderni hanno una frequenza d i lavoro di 18 kHz, anziché 50 Hz.
Durante l'esposizione si succedono alla frequenza di 18 kHz una serie di impulsi X che
producono uno spettro x più ricco della componente X ad alta energia di quello ottenuto
usando i 50 Hz.
Effettuare l'esposizione mantenendo premuto il pulsante di comando per tutto il tempo necessario, finché la luce si spegne e cessa il segnale acustico.
Se il pulsante viene rilasciato durante l’esposizione , l’emissione viene interrotta (questa
funzionalità è chiamata a “uomo morto”).
Il Processo che governa la produzione dei Raggi gamma è il
DECADIIMENTO RADIOATTIVO
Nuclei dello stesso ISOTOPO
dN = − λNdt
dN
= −λ
probabilità
Ndt
per
unità
tempo
decadere
E'
indipendente
da
dN = funzione del tempo perché dipende da N.
dN
= − kdt
N
lg N = − kt + C
∫
dN
= ∫ − kdt
N
N (t ) = N O e − kt
k è la Costante di decadimento del Radioisotopo.
τ =
1
Vita media dei nuclei. Tempo necessario affinchè il numero di nuclei scenda
λ
al 37% (fattore e ) del valore iniziale. Tempo che mediamente trascorre tra il momento della produzione del nucleo e quello del suo decadimento
lg 2 0,69
T1 =
=
= 0,69 * τ
2
λ
λ
Tempo necessario per portare i nuclei al 50% del loro valore iniziale.
N(t)
No
No/2
0,37No
T 1/2
τ
t
UNITA' di MISURA della ATTIVITA'
L'Attività è la grandezza fisica che misura il numero di nuclei presenti attraverso il
numero di essi che decade in un secondo
dN N (t )
A=
=
= N (t ) k
dt
τ
Curie(Ci) (Attività di un grammo di Ra-226)
di sin tegrazioni
La quantità di Radionuclide che produce 3,7 * 1010
sec ondo
Bequerel(Bq)
La quantità di Radionuclide che produce 1 disintegrazione al secondo.
1 Bq = 27 pCi
1 nCi = 37 Bq
Tenere presente che il numero di disintegrazioni può differire dal numero di particelle.
Es Co-60 per ogni disintegrazione vengono emessi 2 gamma e una Beta.
t
Quindi 1 Ci di Co-60 emette 3, 7 *1010
β
e 7, 4 *1010
γ
sec ondo
sec ondo
Se confondo il conteggio delle particelle con quello delle disintegrazioni sovrastimo la sordis
gente. Se misurando 1µCi di Co-60 ( 3, 7 *104
)
conto le β e il 2% delle γ ottersec ondo
rò:
β
γ
cont
che corrispondono a 1,04 µCi se considero
+ 0, 02 ⋅ 7, 4 *1010
= 3,8 ⋅ 104
3, 7 ⋅ 104
sec
sec
sec
i cont. come disintegrazioni
Nel caso dei conteggi alfa questo effetto non si verifica perché i rivelatori alfa non misurano i raggi gamma. I conteggi perciò corrispondono alle disintegrazioni.
1 Ci di Uranio Naturale appena estratto corrisponde a
dis
dis
dis
dis
3, 7 ⋅ 1010
U 238 + 3, 7 *1010
U 234 + 1, 7 *109
U 235 = 7, 57 ⋅ 1010
sec
sec
sec
sec
1 Ci di Torio appena estratto corrisponde a
3, 7 ⋅ 1010
dis
dis
dis
Th 232 + 3, 7 *1010
Th 238 = 7, 4 ⋅ 1010
sec
sec
sec
ricordare che
PesoAtomico
gr PesoSorgente
gr
= peso in grammi di un atomo
=
NAvogadro
N (t )
N (t ) MassaSorgente * Navogadro 1
A(t ) =
=
τ
A
τ
Attività Specifica è l’attività di 1 gr di sorgente
Navogadro 1
A
τ
Isotopo E.media E.max
H-3
5,7
18,6 keV
P-33
76,6 keV
P-32
694,7
1710 keV
S-35
48,8 keV
C-14
49,5
158 keV
Cr-51
γ 320 keV
X 4,95 keV
X 4,94 keV
Auger 5,38 keV
I-125
γ 35,5 keV
e conv.inter 30,5 keV
e conv.inter 34,6 keV
X 35,4 keV
X 27,4 keV
X 27,2 keV
ASpecifica =
Trasformazione nβ / Decad.
Decadimento Beta1
Decadimento BetaDecadimento Beta1
Decadimento BetaDecadimento Beta1
Cattura Elettronica
Cattura Elettronica
Emivita
12,3 anni
25,4 giorni
14,29 giorni
87,44 giorni
5730 anni
27,7 giorni
60,14 giorni
Non confondere la Emax con la Emed dello spettro continuo nelle emissioni Beta.
Vecchie unità
fattori di conversione Bq/Ci
Nuove unità (SI)
1 Ci
1 nCi (10-9 Ci)
27nCi (27000 pCi)
2,7x10-2 nCi ( 27 pCi)
3,7 x 1010Bq
37Bq
103 Bq
1Bq
Prefissi dei multipli e sottomultipli
Tera (T)
Giga (G)
Mega (M
Kilo (K)
1012
109
106
103
Milli (m)
Micro (m)
Nano (n)
Pico (p)
10-3
10-6
10-9
10-12