LA PRODUZIONE DEI RAGGI X
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- Italo Zanetti
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1 UNIVERSITA POLITECNICA DELLE MARCHE Facoltà di Medicina e Chirurgia Corso di Laurea in Tecniche di Radiologia Medica, per Immagini e Radioterapia LA PRODUZIONE DEI RAGGI X A.A Tecniche di Radiodiagnostica (MED/50) G. Mazzoni La produzione dei raggi X Gli e - proiettile, prodotti per emissione termoionica a livello del catodo, vengono accelerati dalla differenza di potenziale (ddp) presente tra catodo ed anodo Gli e - proiettile interagiscono con l anodo e la loro energia cinetica viene trasformata in calore (99%) e radiazione X (1%): radiazione di frenamento o bremsstrahlung (80%) radiazione caratteristica (20%) 1
2 La radiazione di frenamento Si ottiene per interazione degli e - proiettile con il nucleo degli atomi del materiale che costituisce l anodo: tali e -, superato lo spazio occupato dagli elettroni orbitali, interagiscono direttamente con il nucleo la carica positiva nucleare determina una deviazione della loro traiettoria cui si accompagna una perdita di energia cinetica la perdita di energia cinetica viene convertita in energia di tipo raggi X La radiazione di frenamento Foto 7.1 pag
3 Lo spettro continuo dei raggi X E dato dall insieme dei raggi X prodotti per frenamento: è detto continuo in quanto varia in maniera continua da un valore minimo (pari a zero) ad un valore massimo (pari all energia cinetica degli e - che hanno generato la radiazione) la maggior parte dei raggi X generati ha un energia media pari a circa 1/3 (picco) dell energia massima del fascio (E max ) Lo spettro continuo dei raggi X La linea tratteggiata rappresenta la porzione dello spettro dei raggi X in assenza di filtrazione Tutti i tubi radiogeni hanno un sistema di filtrazione (inerente ed aggiuntiva) posta in corrispondenza della finestra che assorbe gran parte della componente X a bassa energia. In questo modo tale radiazione non raggiunge il paziente. Infatti, i raggi X a bassa energia non sono in grado di attraversare il paziente e non risultano, pertanto, utili alla formazione dell immagine radiografica. Se presenti nel fascio radiogeno, contribuiscono unicamente ad incrementare la dose di esposizione dello stesso L energia media del fascio X dipende da vari fattori Foto 7.2 a pag
4 Energie in gioco La produzione dei raggi X si realizza attraverso un meccanismo di trasformazione dell energia: l energia cinetica (misurata in kev) degli e - prodotti per emissione termoionica dal filamento del catodo, dipendente dalla ddp (kvp) stabilita fra catodo ed anodo l energia (anch essa misurata in kev) dei fotoni X prodotti dall interazione degli e - proiettile con la superficie dell anodo Il kvp determina il livello massimo di energia dei raggi X (E max ) prodotti (principio di conservazione dell energia) Es.: l applicazione di una ddp di 70 kvp produce uno spettro di raggi X con E max di 70 kev ed un energia media di circa 23 kev (pari a 1/3 di E max ) La radiazione caratteristica Si ottiene quando un e - proiettile rimuove un e - da un orbitale interno, creando un buco elettronico: un e - appartenente ad un orbitale più esterno va a riempire detto buco a seguito della transizione elettronica, ha origine una radiazione X la cui energia è pari alla differenza di energia di legame associata ai due orbitali interessati nella transizione 4
5 La radiazione caratteristica Foto 7.3 pag. 104 La radiazione caratteristica Nei tubi a raggi X utilizzati in diagnostica, aventi anodi costruiti in leghe di tungsteno, il tipo più comune di transizione è quello che prevede il passaggio di un e - dall orbitale L all orbitale K (raggi X con energia pari a 58 kev) Le transizioni possono riguardare tutti gli altri orbitali, anche se esse sono meno probabili (le transizioni da M a K producono raggi X caratteristici di energia uguale a 67 kev) 5
6 Lo spettro discreto dei raggi X L insieme dei raggi X caratteristici, risultanti dalle transizioni fra i differenti orbitali (o livelli energetici), costituisce lo spettro discreto dei raggi X Da sottolineare che la radiazione X è detta caratteristica in quanto è specifica per ogni determinato elemento. Essa infatti è correlata alle energie di legame degli orbitali che assumono valori differenti (e quindi caratteristici) nei vari tipi di atomi Foto 8.8 a pag. 134 Bushong Lo spettro discreto dei raggi X Nel tungsteno, l energia di legame dell orbitale K è di 69,53 kev: per rimuovere un e - dall orbitale K, gli e - proiettile devono avere, pertanto, una energia 69,53 kev tali raggi X caratteristici sono prodotti soltanto se la ddp è a70 kvp per ddp di kvp, solo il 15-20% del fascio X è composto da radiazione caratteristica 6
7 I fattori che influiscono sullo spettro dei raggi X Il numero totale dei fotoni emessi da un tubo radiogeno può essere determinato mediante un operazione di integrazione (cioè sommando il numero di fotoni emessi ad ogni energia) Graficamente, tale numero corrisponde all area sottesa dalla curva che identifica lo spettro In generale, la forma degli spettri di emissione è sempre la stessa, potendo variare la posizione lungo l asse delle energie I fattori che influiscono sullo spettro dei raggi X Più uno spettro è spostato verso destra, maggiore è l energia effettiva, o qualità, del fascio di raggi X Maggiore è l area sotto la curva, maggiore è l intensità, o quantità, dei raggi X Fig a pag. 138 del Bushong 7
8 I fattori che influiscono sullo spettro dei raggi X Per qualità di un fascio di raggi X si intende la capacità di penetrazione del fascio stesso Tale capacità dipende dall energia media del fascio di raggi X la quale è determinata dalla ddp applicata tra gli elettrodi del tubo (kvp) L energia media del fascio X è indicata dal picco della curva che identifica lo spettro I fattori che influiscono sullo spettro dei raggi X Per quantità di un fascio di raggi X si intende l intensità del fascio X (ovvero il numero di fotoni X) Tale quantità viene regolata dall impostazione del parametro ma (corrente che attraversa la spiralina del catodo) L intensità o quantità è rappresentata dall area sottesa dalla curva che identifica lo spettro 8
9 I fattori che influiscono sullo spettro dei raggi X: il milliamperaggio (ma) Determina la variazione della quantità ma non dell energia del fascio di raggi X La variazione del ma (a parità di tempo di esposizione) genera una variazione proporzionale dell ampiezza dello spettro di emissione dei raggi X a tutte le energie, mentre l energia media e quella massima rimangono costanti I fattori che influiscono sullo spettro dei raggi X: il milliamperaggio (ma) Se si analizzano gli spettri di due fasci di raggi X prodotti con valori di ma rispettivamente di 100 e 200 ma, si può constatare che, raddoppiando i ma (a parità di tempo di esposizione e di kvp impiegato) si raddoppia la quantità di fotoni che costituiscono il fascio X (l area sottesa dalla curva è raddoppiata), mentre rimangono costanti sia l energia media che l energia massima del fascio Foto 7.7 pag
10 I fattori che influiscono sullo spettro dei raggi X: il kilovoltaggio (kvp) Determina la variazione della qualità del fascio di raggi X, modificando la sua energia media (picco) e massima (E max ) Influisce anche sulla quantità del fascio di raggi X in quanto la probabilità (e quindi l intensità) della radiazione di frenamento prodotta dall anodo è proporzionale al quadrato della ddp impostata fra catodo ed anodo I fattori che influiscono sullo spettro dei raggi X: il kilovoltaggio (kvp) Se si analizzano gli spettri di due fasci di raggi X prodotti rispettivamente con valori di 70 e 110 kvp, si nota come l intensità del fascio (l area sottesa dalla curva), l energia media (picco) e l energia massima (E max ) aumentano con l incremento dei valori di kvp Foto 7.6 pag
11 I fattori che influiscono sullo spettro dei raggi X: la filtrazione I filtri sono costituiti da sottili lamelle di Al o di altri metalli (Cu, Pb) che vengono posizionati a livello della finestra di uscita della cuffia del tubo La filtrazione permette di rimuovere in maniera selettiva una maggiore quantità di raggi X a basso livello energetico: la maggiore λ di tali fotoni li fa interagire con maggior probabilità con gli atomi costituenti il filtro La filtrazione ha il compito fondamentale di rimuovere la componente a bassa energia del fascio X prima che interagisca con il paziente. Infatti, essa verrebbe interamente assorbita dallo stesso, aumentandone la dose di esposizione, senza fornire alcun contributo alla formazione dell immagine I fattori che influiscono sullo spettro dei raggi X: la filtrazione L aggiunta di una filtrazione in Al (da 2 a 4 mm di spessore) determina una riduzione dell intensità della radiazione (l area sottesa dalla curva), in particolare per ciò che concerne la sua componente a bassa energia, un aumento dell energia media del fascio (picco), mentre l energia massima (E max ) rimane costante Foto 7.8 pag
12 I fattori che influiscono sullo spettro dei raggi X: il materiale dell anodo Differenti materiali anodici danno origine a spettri di raggi X differenti sia per ciò che concerne la componente caratteristica del fascio sia per ciò che riguarda l andamento della componente continua dovuta alla radiazione di frenamento: in diagnostica, la maggior parte dei tubi radiogeni utilizza anodi in lega di tungsteno (con emissioni caratteristiche di energia efficaci pari a 58 e 67 kev) in mammografia si utilizzano apparecchiature fornite di anodi di molibdeno (con emissioni caratteristiche di energia efficaci pari a 17 e 19 kev) I fattori che influiscono sullo spettro dei raggi X: il materiale dell anodo La figura mette a confronto gli spettri dei raggi X prodotti da anodi di molibdeno e tungsteno Le porzioni continue della curva rappresentano i raggi X prodotti dalla radiazione di frenamento; i picchi discreti raffigurano invece le radiazioni caratteristiche dei due elementi La sede dei picchi indica l energia dei raggi X caratteristici Foto 7.5 pag
13 I fattori che influiscono sullo spettro dei raggi X: la forma d onda del generatore I circuiti elettrici utilizzati nelle apparecchiature radiologiche sono di diverso tipo (forme d onda): circuiti monofasici circuiti trifasici circuiti ad alta frequenza I fattori che influiscono sullo spettro dei raggi X: la forma d onda del generatore I circuiti che producono una tensione (voltaggio) più costante (ripple basso) determinano una maggiore intensità ed una maggiore energia media del fascio X, mentre il valore di energia massima (E max ) dello spettro rimane costante (cioè non dipende dalle forme d onda del circuito elettrico del generatore) Foto 7.9 pag
14 LA PRODUZIONE DEI RAGGI X 14
1/9/2005 A.Di Bartolomeo Master in Verifiche di Qualità in Radiodiagnostica, Medicina Nucleare e Radioterapia.
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