Elementi essenziali di una
macchina radiologica.
Tubo generatore raggi X (1);
alimentatore (2);
tavolo comando (3);
tavolo porta paziente (4);
rilevatore di rad.ni X (5);
sviluppatrice (6)
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Schema del tipo di tubo di Crookes
utilizzato da Roentgen quando
scopri i raggi X. Nel tubo, attraverso
la valvola, viene effettuato un vuoto
parziale e con un generatore di alta
tensione si applica una differenza di
potenziale ai due elettrodi di
platino. I raggi catodici (elettroni),
giungendo all’anodo. Producono
raggi X
Rappresentazione schematica
di un tubo a raggi X. I raggi X
sono prodotti a seguito
dell’impatto degli elettroni
prodotti dal catodo C quando
questi interagiscono con
l’anodo o anticatodo A.
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Spettro dei raggi X al variare
della lunghezza d’onda. La
curva continua è denominata
“radiazione di frenamento”
mentre le righe “radiazione
caratteristica.”
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Spettro elettromagnetico relativo ai fotoni X e g utilizzati in
terapia e diagnosi
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Livelli energetici delle orbite
atomiche dell’atomo di tungsteno
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Energia e righe di emissione per tungsteno e molibdeno
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A
INTERAZIONI TRA
ELETTRONI E MATERIA
• Energia Termica
• Radiazione caratteristica
• Radiazioni di frenamento
(Bremsstrablung)
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Meccanismo quantio dell’emissione dei
raggi X
1/5
Il fenomeno di eccitazione orbitale è rarissimo nel senso che
se si bombarda un bersaglio di un metallo con un fascio di
elettroni, quelli che trasformano la loro energia cinetica in
una radiazione elettromagnetica per espulsione di un
elettrone appartenente al metallo, sono una frazione
trascurabile. Assai più frequente e la trasformazione
dell'energia cinetica in calore. Gli elettroni proiettile
interagiscono con gli elettroni delle orbite esterne dell'atomo
bersaglio, ma non sempre trasferiscono ad essi l'energia
sufficiente per produrre una eccitazione:
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Meccanismo quantio dell’emissione dei
raggi X
2/5
di solito gli elettroni appartenenti alle orbite più esterne
passano ad un livello più elevato di energia e ritornano
alloro stato fondamentale con emissioni di radiazione
elettromagnetiche di frequenza υ che compete per buona
parte all'infrarosso e cioè il bersaglio si scalda ed emette
calore ed anche luce se υ è compresa nel campo 8.10144.114
Hz. In generale più del 99 percento dell' energia cinetica
degli elettroni proiettile si trasforma in energia termica, e
solo l'uno per cento circa rimanente e disponibile per la
emissione di fotoni X.
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Meccanismo quantio dell’emissione dei
raggi X
3/5
Di quest'ultima frazione, la maggioranza degli elettroni che
penetra nell'atomo e si avvicina al nucleo subisce un forte
effetto di frenamento per effetto dei campi elettrostatici
interni all'atomo. L'elettrone proiettile viene quindi da questi
deviato mentre frena la sua corsa. L'energia dissipata nel
corso del frenamento viene riemessa sotto forma di fotoni X.
Al termine del frenamento l'elettrone incidente esce
variamente deviato dall'atomo con una velocità finale
inferiore a quella iniziale: la differenza di energia cinetica
che ne deriva costituisce l'energia del fotone X emesso.
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Meccanismo quantio dell’emissione dei
raggi X
4/5
Rappresentazione schematica dell’effetto
Bremsstrablung
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Meccanismo quantio dell’emissione dei
raggi X
5/5
I raggi X prodotti per frenamento (Bremsstrahlung) a
differenza di quelli prodotti per radiazione caratteristica,
hanno uno spettro continuo perché infinite sono le situazioni
per gli elettroni che entrano in un atomo con energie diverse e
che sono deviati nell'atomo in modo diverso a seconda del
luogo ove la penetrazione si verifica e di quanto essi riescono
a penetrare nell' atomo stesso.
Se si ammette che un elettrone veloce perda nella sua
traiettoria curva all'interno dell'atomo tutta la sua energia
cinetica con la contemporanea emissione di un solo fotone X,
si può calcolare la frequenza massima o la lunghezza d'onda 0
minima della radiazione emessa che corrisponde
evidentemente nelle predette condizioni, al massimo valore
dell' energia che e conferita al fotone singolo.
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I raggi X di frenamento (bremsstrahlung) sono il risultato della
interazione degli elettroni proiettili con il nucleo degli atomi
bersaglio dell’anodo e, a seconda della interazione, possono
essere di alta o bassa energia
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Spettro di Emissione Totale
1/16
Dall'osservazione dello spettro riportato emerge:
· che per lunghezze d'onda inferiori a 0 definita
dall'equazione [11.16] non vi è alcuna emissione di raggi X;
· che al valore 0 l' emissione di raggi X parte in modo brusco
nel punto O e per > 0 1'intensità spettrale aumenta
rapidamente;
· tale intensità raggiunge il massimo M per un valore
m 1.5 0 > 0 e decresce poi rapidamente;
· le lunghezze d'onda caratteristiche del gruppo K ed L si
sovrappongono alla radiazione di spettro continuo;
· la coda dello spettro continuo compresa tra le lunghezze
d'onda relative ai punti P e Q ha intensità spettrali modeste e
la radiazione X che vi corrisponde ha bassa capacita di
penetrazione nei corpi.
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Spettro di Emissione Totale
2/16
Quest'ultima viene in parte arrestata dalle pareti di vetro del
tubo generatore di raggi X e dall'olio di raffreddamento
interno alla guaina (filtrazione inerente) e completamente
estinta da un ulteriore filtro di alluminio che di norma si
posiziona sulla finestra di uscita (bocca raggi) proprio allo
scopo di bloccare questa parte di radiazione poco energetica
e dannosa in quanto non fornisce alcun contributo alla
formazione dell'immagine radiologica. Essa è invece capace
di ionizzare la materia e quindi produrre danno biologico. I
raggi di questo tipo vengono chiamati raggi molli.
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Spettro di Emissione Totale
3/16
Per converso vengono chiamati raggi duri le radiazioni X
che escludono quelle relative alla coda dello spettro di
emissione: ad essi è dovuta principalmente la formazione
dell'immagine radiografica. Lo spettro di emissione dei
raggi X ha forma e valori caratteristici che sono strettamente
connessi con i livelli energetici degli elettroni appartenenti
agli atomi di cui e costituito il bersaglio e cioè l'anodo.
La spettro relativo all'anodo di tungsteno di Figura 11.6 è
stato dedotto, come gia accennato, accelerando gli elettroni
in modo da conferire ad essi l'energia di 150keV. Se la
differenza
di
potenziale
aumenta,
diminuisce
corrispondentemente la 0 e quindi il valore m relativo a
quello di massima intensità spettrale (Fig. 11.7).
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4/16
Spettro di emissione totale del tungsteno a 150 kV
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5/16
Andamento dell’intensità spettrale in funzione della lunghezza
d’onda e al variare della tensione applicata(tensione anodica)
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Spettro di Emissione Totale
6/16
Si osserva che m si sposta verso lunghezze d'onda
maggiori proporzionalmente a 0 Per quanto
riguarda il valore massimo dell'intensità spettrale si
osserva che essa diminuisce molto rapidamente con
il diminuire della tensione anodica. A 30kV le
radiazioni emesse hanno carattere molto vicino a
quelle che nella Figura 11.2 sona individuate come
raggi molli e quindi inutilizzabili per la formazione
d’ immagini radiologiche.
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Spettro elettromagnetico relativo ai fotoni X e g utilizzati in
terapia e diagnosi
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Spettro di Emissione Totale
8/16
È importante rilevare ora come si modificano gli spettri di
emissione di Figura 11.6 quando l'alimentazione del tubo
generatore di raggi X non avviene con tensione continua. È
infatti questa la circostanza più comune poiché, come verrà
illustrato nel seguito, l'alimentazione dei tubi radiogeni così
come è fornita dai generatori in alta tensione ha sempre un
contenuto in alternata. A seconda del tipo di generatore e
della potenza erogata il contenuto in alternata (ripple) può
variare da un valore minimo del l2 percento per i
generatori per cineangiografia, al 35 percento per gli
alimentatori trifasi a 12 impulsi o in alta frequenza, fino ad
un massimo del 100 percento per gli alimentatori a doppia
semionda raddrizzata.
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Spettro di Emissione Totale
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In questi casi, ed in particolar modo in quest'ultimo caso, la
tensione anodica varia tra un minimo (Vo) ed un valore di
picco (VP) che e il valore massimo che la tensione raggiunge
nel ciclo. È evidente che in tutti questi casi lo spettro di
radiazione X emesso è variabile nel senso che vengono
emesse radiazioni molli e dure essendo le dure quelle
emesse in prossimità del valore di picco della tensione.
Se si pongono a confronto gli spettri continui di emissione
per una radiazione prodotta da un tubo RX alimentato a
100kV costanti e 100kVp intendendo con quest'ultima
scrittura il valore del picco raggiunto nel tubo dalla tensione
a doppia semionda raddrizzata, si hanno gli spettri riportati
in Figura 11.8.
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Effetto della forma d’onda sullo spettro
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Spettro di Emissione Totale
11/16
Si osserva che con la tensione variabile lo spettro di
emissione ha perduto in qualità in quanto è m"> m' e
quindi è presente una maggiore quantità di radiazioni molli
non utili ai fini della formazione dell'immagine; ed in
quantità poiché l'area racchiusa dalla curva di emissione a
100kVp è significativamente inferiore a quella relativa allo
spettro ottenuto con alimentazione 100kV in tensione
continua. Da questa importante osservazione emerge
chiaramente la sostanziale differenza esistente tra kilovolt
(kV) e kilovolt di picco (kVp).
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12/16
Poiché praticamente la totalità delle apparecchiature
radiologiche è alimentata da generatori che forniscono alta
tensione con un certo contenuto di alternata (ripple), tutti i
tavoli di comando, ove vengono scelti i valori dei kilovolt
(kV), milliampere (mA) e secondi (s), riportano la
grandezza dei kilovolt in kilovolt di picco. E perciò, anche
nel prosieguo di questa trattazione, le tensioni di
alimentazione dei tubi verranno sempre indicate in kilovolt
di picco (kVp).
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Spettro di Emissione Totale
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Un'altra importante osservazione in tema di possibilità di
modifica dello spettro di emissione di radiazione X di un
determinato materiale, è quella relativa alla operazione di
filtraggio della radiazione medesima a mezzo di schermi,
chiamati filtri, di materiali metallici (alluminio, rame,
piombo, etc.) che possono essere posti all'uscita della bocca
raggi della cuffia che contiene il tubo radiogeno.
Ci si domanda come viene modificato lo spettro della
radiazione incidente dopo aver attraversato il filtro. Si
osserva al riguardo che la radiazione emergente ha
certamente un contenuto energetico inferiore a quella
entrante nella materia (Fig. 11.9) e quindi il valore
dell'intensità massima è sempre inferiore a quello della
radiazione incidente.
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Ciò si verifica in modo proporzionale sia all'entità dello
spessore del metallo costituente il filtro attraversato dalla
radiazione sia al particolare materiale utilizzato per la
costruzione del filtro. Il valore di o è invece identico per ogni
spettro perché tale e l' energia massima del fotone che rimane
costante essendo invariata la tensione massima di
alimentazione del tubo radiogeno (come espresso dalla
relazione [11.16]).
Si osserva inoltre che l'effetto principale della filtrazione è
quello di eliminare soprattutto le radiazioni meno energetiche
che sono quelle che vengono diffuse. Si riconosce infatti che le
radiazioni più energetiche, e cioè quelle a  più prossime alla
o sono quelle che vengono meno alterate perché per esse e
minima la probabilità di interazione con gli atomi costituenti il
filtro.
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II filtraggio, pertanto, dipendentemente dal materiale del
filtro e dal suo spessore, ha come effetto l'eliminazione delle
radiazioni non utili alla formazione dell'immagine. Per tale
motivo tutti i tubi radiogeni possiedono due tipi di
filtrazione: l'una, detta inerente, è quella propria offerta dal
vetro costituente l'involucro contenente il tubo stesso, e
l'altra, chiamata aggiuntiva, è quella in genere ottenuta con
un disco di alluminio dello spessore di 2.5 mm il cui
compito e proprio quello di eliminare le radiazioni molli ed
incrementare quindi la qualità della radiazione.
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Spettro della radiazione a,b,c, e d dopo aver attraversato
rispettivamente i filtri 1,2,3, e 4 del medesimo spessore e
materiale posti in serie
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Quantità della dose nei vari punti in un esame radiodiagnostico
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Elementi costitutivi di una
tubo radiogeno (a) e
schema elettrico (b).
Anodo (A);
bocca raggi (B);
con filtro di alluminio (Al);
cuffia metallica (C );
catodo (K);
olio (O);
coppa focalizzatrice (Q);
involucro di vetro (V);
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Schema elementare del circuito e caratteristica tensione-corrente di un
diodo(tubo a vuoto). Ia corrente anodica; If corrente di riscaldamento del
filamento; R resistenza di carico del diodo; Va potenziale anodico
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