medicina nucleare interazioni con la materia

Medicina Nucleare

Interazioni con la Materia

Cariche

RadiazioniFlusso di Energia

Particelle Radiazioni Elettromagnetiche

Non Cariche

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L’energia cinetica delle particelle può variare da pochi eV a BeV

Similmente può variare l’energia delle radiazioni elettromagnetiche

L’interazione avviene attraverso il trasferimento di energia

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Ionizzazione Specifica: coppie di ioni prodotte per unità di distanza percorsa

LET: energia rilasciata per unità di distanza percorsa

Range: la distanza percorsa fino ad aver rilasciato sufficiente energia cinetica da non avere più interazioni

Questi fattori dipendono dal tipo e dall’energia delle radiazioni e dalle caratteristiche della materia

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Particelle Cariche

Dovute alle forze di Coulomb piuttosto che a contatto fisico diretto

•Ionizzazione

•Eccitazione Atomica (e- orbitale)

•Eccitazione Molecolare (vibrazione di molecole)

•Collisioni Molecolari (atomi o parti di atomi rimossi)

•Bremstrahlung (radiazioni di frenamento)

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Particelle Cariche

Pesanti (protoni, deuteroni, , atomi ionizzati) viaggiano in linea retta, hanno alto LET e ionizzazione specifica e basso range

Leggere (elettroni e positroni) percorso tortuoso, basso LET e ionizzazione specifico e alto range

Spesso le interazioni di raggi X e risultano in produzione di e- liberi

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Fotoni

I raggi X e sono radiazioni elettromagnetiche che trasportano energia nello spazio

Alcune delle loro interazioni sono spiegabili con le teorie della propagazione dell’onda.

Altre assumendo che consistano di pacchetti discreti di energia, con caratteristiche simil-particelle, per la bassa lunghezza d’onda e l’alta frequenza

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Fotoni

Se un fotone ha almeno 15 keV di energia è capace di ionizzare e si parla di radiazioni ionizzanti

I raggi X, e alcuni UV sono radiazioni ionizzanti

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Fotoni Attenuazione

Quando un fascio di fotoni si riduce di intensità attraversando un materiale si parla di ATTENUAZIONE

•Completamente assorbito

•Deflesso

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Fotoni Attenuazione

•Scattering Coerente

•Assorbimento Fotoelettrico

•Scattering Compton

•Produzione di Coppie

•Fotodisintegrazione

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Equazione di Attenuazione

Quando un fotone attraversa un mezzo c’è una probabilità associata con uno dei 5 processi

In genere, questa probabilità è funzione dell’energia del fotone, lo spessore e le caratteristiche del mezzo

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I0 = I0 - I

La frazione di fotoni assorbita (I0/I0) è direttamente proporzionale allo spessore del mezzo (x)

I0/I0 = -x : coefficiente di attenuazione lineare (1/d)

I = I0 e-x

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è la somma di

Scattering Coerente

Assorbimento fotoelettrico

Scattering Compton

Produzione di Coppie

Fotodisintegrazione

e dipende dall’energia del fotone e dalle caratteristiche del mezzo

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Per semplificare è stato introdotto il concetto di strato emivalente (HVL: half-value layer), definito come lo spessore del mezzo che dimezza il numero di fotoni trasmessi

HVL = 0.693

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Scattering Coerente (o Classico o di Raleygh)

Non viene trasferita energia al’atomo e si ha solo cambio di direzione

Avviene solo per energie < 50 keV

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Assorbimento Fotoelettrico

Tutta l’energia del fotone incidente è trasferita ad un e- interno

Questo (fotoelettrone) è espulso con Ec = E

L’assorbimento fotoelettrico avviene solo se l’energia del fotone è superiore all’energia di legame dell’elettrone

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Il posto vuoto lasciato dal fotoelettrone è occupato da un e- esterno, de-eccitazione con emissione di energia sotto forma di X caratteristico o di e- Augér.

L’assorbimento fotoelettrico produce una coppia di ioni e radiazione caratteristica

Il fotoelettrone ha energia sufficiente a ionizzare altri atomi

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E’ una interazione a bassa energia, la cui probabilità decresce rapidamente all’aumentare dell’energia

La probabilità dipende fortemente dallo Z del messo (proporzionale a Z4)

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Scattering Compton

Un fotone interagisce con un e- debolmente legato.

L’e- è espulso con un angolo rispetto alla direzione del fotone incidente, ed il fotone stesso è deviato di un angolo

L’energia ceduta al fotone dipende dall’angolo di deflessione del fotone.

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Scattering Compton

E = E’ + Ee

E’ = E / (1+(E/511)(1-cos))

511 = massa a riposo di e- in keV

varia da 0° (no interazione) a 180° (backscatter)

Sia che decrescono al crescere dell’energia del fotone incidente

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Scattering Compton

Anche in questo caso il prodotto finale è una coppia di ioni

La probabilità di Scattering Compton è decresce lentamente al crescere dell’energia del fotone incidente ed è direttamente proporzionale al numero atomico (Z) del mezzo

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Produzione di Coppie

E’ una interazione a soglia in cui il fotone incidente interagisce principalmente con il forte campo elettrico del nucleo

L’energia è convertita in massa sotto forma di e- + e+

Poiché la massa a riposo di un e- è 0.511 MeV, il fotone deve avere energia pari ad almeno 1.022 MeV.

L’energia in eccesso è trasferita come energia cinetica

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Fotodisintegrazione

Quando un fotone ha energia molto alta (7 MeV) ha energia sufficiente a produrre una reazione fotonucleare con espulsione di un nucleone.

La probabilità di questo evento è molto bassa

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