Produzione di un fascio di raggi x

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Tiziano Cicci
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1 Produzione di un fascio di raggi x

2 Un fascio di elettroni penetra nella materia, dando origine a: produzione di elettroni secondari (raggi delta) emissione X caratteristica bremsstrahlung di elettroni nel mezzo

Produzione di raggi delta I raggi sono elettroni secondari con energia sufficientemente elevata da lasciare la traccia principale dell evento ionizzante e creare una traccia propria.

3 Produzione di raggi delta I raggi sono elettroni secondari con energia sufficientemente elevata da lasciare la traccia principale dell evento ionizzante e creare una traccia propria. La cessione di energia al mezzo da parte dell elettrone secondario avviene lontano dalla traccia primaria. Gli elettroni secondari prodotti possono perdere la loro energia sotto forma di energia di frenamento o in processi di eccitazione e di ionizzazione lontano dalla traccia primaria.

4 Produzione di raggi X di fluorescenza Gli elettroni che orbitano attorno al nucleo atomico sono organizzati in shell. A seguito dell interazione di un elettrone o di un fotone con un energia pari all energia di ionizzazione di una shell atomica, la normale configurazione atomica viene alterata. All interno dell atomo hanno inizio una serie di transizioni verso le lacune createsi nelle shell più interne, di energia più elevata, finché l atomo non si riassesta in una configurazione stabile. Ad ogni transizione è emesso un fotone X, detto di fluorescenza, caratteristico del mezzo, di energia: h ass = E 1 - E 2 E1 ed E2 sono le enrgie degli orbitali coinvolti nel processo.

5 Produzione di raggi X di bremsstrahlung Durante i processi di interazione con la materia gli elettroni vengono accelerati ed emettono radiazione elettromagnetica: e N N e La frazione di energia totale persa per irraggiamento sotto forma di radiazione X è: de dx de dx rad tot E 800 Z E Z

6 L energia massima dei fotoni di bremsstrahlung corrisponde all energia massima degli elettroni e si ha quando l elettrone perde completamente la sua energia per frenamento. Allo spettro continuo sono sovrapposti i picchi di emissione caratteristica. Lo spettro reale presenta una filtrazione della componente a bassa energia, dovuta allo spessore della targhetta che assorbe tale componente per effetto fotoelettrico.

7 L energia massima E X max dello spettro di bremsstrahlung è: E X max e V h max E e V: d.d.p. tra anodo e catodo e: carica dell elettrone L energia media: E E max 3 La lunghezza d onda minima della radiazione X prodotta è: min c max e hc V

8 Tubo a raggi X

compresa sotto la curva. (b) Spettro continuo dei raggi X emesso con una d.d.p. di alimentazione costante, ma con due diversi valori di corrente anodica.

9 (a) (b) (a) Spettro continuo dei raggi X emesso per due diversi valori della d.d.p. V applicata fra il filamento e l'anodo. Aumentando la tensione, la soglia si sposta verso le lunghezze d'onda più piccole e aumenta la potenza totale irradiata, il cui valore è rappresentato dall'area compresa sotto la curva. (b) Spettro continuo dei raggi X emesso con una d.d.p. di alimentazione costante, ma con due diversi valori di corrente anodica. Quando aumenta l'intensità di corrente, a seguito dell'aumentata temperatura del catodo, aumenta pure la potenza irradiata, senza però produrre alcuna variazione nelle caratteristiche spettrali del fascio.

10 Qualità del fascio: capacità di penetrazione del fascio, legata all energia media del fascio. Parametro di controllo: d.d.p. tra anodo e catodo. Quantità o intensità del fascio: numero di fotoni X, rappresenta l area sottesa alla curva dello spettro. Dipende dal numero di elettroni emessi dal catodo e dalla loro energia. Parametro di controllo: corrente nel tubo, d.d.p. tra anodo e catodo.

11 Riassumendo <E> d.d.p. anodo-catodo E max Intensità I catodo Intensità

12 La qualità dei raggi X è indicata in termini di spessore emivalente, SEV. Il SEV indica lo spessore di un determinato materiale in grado di dimezzare l intensità di un fascio fotonico di una data energia (o X con una certa distribuzione spettrale). Questi spessori, quando sono espressi in gr/cm 2, sono quasi indipendenti dal tipo di materiale preso in considerazione, se i fotoni non hanno energie troppo basse. Es: Fotone da 1 MeV SEV acqua 10 cm SEV calcestruzzo 4,5 cm SEV piombo 0,9 cm Per tutti i materiali sopraccitati il SEV massico è 10 mg/cm 2

13 Acceleratore lineare

14 Il LINAC accelera gli elettroni, prodotti per effetto termoionico, secondo una traiettoria rettilinea, utilizzando il campo elettrico di un onda elettromagnetica prodotta dal Klystron. Gli elettroni vengono trasportati dalle onde elettromagnetiche come dei surf dalle onde del mare, acquisendo via via energia cinetica sempre maggiore. Questi elettroni accelerati impattano contro una targhetta di platino o tungsteno, producendo fotoni X ad alta energia. Per ottenere la focalizzazione degli elettroni durante l accelerazione è applicato un campo magnetico assiale. Gli elettroni prodotti subiscono una prima collimazione da parte di un collimatore fisso (primario) e attraversano il monitor costituito da due camere di ionizzazione a piatti paralleli che coprono l intera superficie del fascio. Il monitor serve per controllare la simmetria del fascio, l intensità di dose e la dose integrata (unità monitor). Infine le dimensioni del fascio di fotoni X vengono regolate da un collimatore mobile mentre per gli elettroni viene aggiunto un collimatore supplementare per ridurne la diffusione. Il LINAC per il suo funzionamento necessita di altre due apparecchiature sussidiarie: pompa aspirante: pratica il vuoto spinto nelle cavità; impianto di raffreddamento: circuito chiuso ad acqua distillata.

15 100% Dose Rilasciata ai tessuti Gli elettroni rilasciano tutta la loro energia nei primi centimetri di tessuto, mentre i raggi X attraversano il corpo con poca attenuazione. 4 cm Elettroni da 9 MeV Raggi X da 9 MeV Profondità di penetrazione

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