Principios Fundamentales de la Física de la Radiación y sus Interacciones

Interacciones de la Radiación y Conceptos Dosimétricos en Física

Este documento explora los principios fundamentales de las interacciones de la radiación con la materia, la generación de rayos X, y las magnitudes dosimétricas esenciales en física de la radiación.

Tipos de Colisiones

• Colisión Elástica: Las partículas chocan y desvían su trayectoria, cediendo energía sin pérdida neta de energía cinética del sistema. La energía cinética total y el momento lineal se conservan.
• Colisión Inelástica: Las partículas interactúan con los electrones, transfiriéndoles pequeñas cantidades de energía. Se caracterizan por procesos como la ionización (arranque de electrones) y la excitación/desexcitación (cambio de nivel energético de los electrones). En estas colisiones, la energía cinética del sistema no se conserva, parte de ella se transforma en otras formas de energía (por ejemplo, energía de excitación o ionización).
• Colisión Radiativa: Un cambio en la dirección de una partícula cargada (generalmente un electrón) debido a la interacción con el campo eléctrico de un núcleo, lo que provoca la emisión de radiación de frenado (Bremsstrahlung).

Generación del Espectro de Rayos X

Para obtener radiación significativa en el espectro de rayos X, un haz de electrones con energía cinética adecuada debe impactar contra un material de número atómico (Z) alto, como el Wolframio (Z=74). En un tubo de rayos X, tenemos un cátodo (emisor de electrones) y un ánodo (blanco). Los electrones acelerados desde el cátodo hacia el ánodo van perdiendo energía conforme experimentan colisiones inelásticas y radiativas. Una vez que impactan con el ánodo, una gran parte de su energía cinética se convierte en calor (aproximadamente el 99%), y una pequeña fracción se transforma en radiación electromagnética (rayos X).

Factores que Afectan el Espectro de Rayos X:

• Miliamperaje (mA): Determina la cantidad de electrones que llegan al ánodo y, por lo tanto, la intensidad del haz de rayos X.
• Tiempo de Exposición: Junto con el mA, define el número total de fotones generados (mAs).
• Kilovoltaje Pico (kVp): Controla la energía máxima de los electrones y, consecuentemente, la energía máxima y la calidad (penetración) del haz de rayos X.
• Filtración Añadida: Materiales (como aluminio) que absorben los fotones de baja energía del haz, endureciendo el espectro y reduciendo la dosis al paciente.
• Material del Blanco (Ánodo): El número atómico del material influye en la eficiencia de producción de rayos X y en el espectro característico.
• Forma de la Onda del Voltaje: Afecta la eficiencia de producción de rayos X y la calidad del haz.

Factores que Afectan la Dosis al Paciente

La dosis de radiación que recibe un paciente durante un procedimiento radiológico se ve influenciada por varios parámetros:

• Aumento del kVp: Generalmente reduce la dosis absorbida por el paciente para una misma densidad de imagen, ya que los fotones de mayor energía son más penetrantes y menos absorbidos.
• Filtración Adecuada: Es crucial para controlar los riesgos, ya que elimina los fotones de baja energía que solo contribuirían a la dosis superficial sin aportar a la calidad de la imagen.
• Miliamperaje-segundo (mAs): Cuanto mayor sea el mAs (producto de mA por tiempo de exposición), mayor será la dosis de radiación que recibe el paciente, ya que se produce un mayor número de fotones.

Interacciones Fundamentales de los Fotones con la Materia

Efecto Fotoeléctrico

Se produce cuando un fotón de la radiación incidente colisiona con un electrón de las capas más internas de un átomo del material absorbente. El fotón incidente es completamente absorbido, y su energía se utiliza para arrancar el electrón (llamado fotoelectrón) del átomo y para proporcionarle energía cinética. Este efecto es deseable para obtener una buena calidad de imagen en radiografía diagnóstica, ya que contribuye al contraste. Sin embargo, implica la absorción total de la energía del fotón, lo que conlleva un posible efecto biológico en el tejido. La energía cinética del fotoelectrón es igual a la diferencia entre la energía del fotón incidente y la energía de enlace del electrón.

Efecto Compton

En el efecto Compton, el rayo X incidente no es absorbido, sino que es dispersado. Esto significa que el fotón continúa su camino en una dirección diferente con menos energía. El fotón incidente cede parte de su energía a un electrón generalmente poco ligado de las capas más externas del átomo, lo suficiente como para que el electrón escape del átomo (electrón de retroceso o Compton). El fotón original aparece como un nuevo fotón de energía inferior al fotón incidente. La energía del fotón incidente se distribuye entre la energía del fotón dispersado y la energía cinética del electrón de retroceso.

Magnitudes Dosimétricas

Transferencia Lineal de Energía (LET)

La LET es la energía que la radiación deposita en el medio (por ejemplo, el paciente) por unidad de longitud de su trayectoria. Se mide comúnmente en MeV/cm. Para las radiaciones electromagnéticas (rayos X y gamma), la LET disminuye al aumentar la energía de los fotones. Esto implica que los rayos X de baja energía (y, por lo tanto, con una LET relativamente alta) tienen una mayor capacidad de ionizar la materia y una menor penetración que los de alta energía (y baja LET).

Exposición (X)

Mide la carga total de iones (electrones arrancados) que han sido producidos por ionizaciones en una unidad de masa de aire. Es una medida de la capacidad de un haz de rayos X o gamma para ionizar el aire.

Dosis Absorbida (D)

Es la cantidad de energía de radiación absorbida por unidad de masa de cualquier material. Se mide en Gray (Gy), donde 1 Gy = 1 Joule/kg. Es una magnitud fundamental para cuantificar el efecto de la radiación en la materia.

Relación Dosis-Exposición

Esta relación se utiliza para estimar la dosis absorbida en un material cuando sus propiedades de absorción son similares a las del aire.

Kerma (K)

Acrónimo de "Kinetic Energy Released per unit MAss" (Energía Cinética Liberada por unidad de Masa). Mide la energía cinética inicial transferida de partículas no cargadas (como fotones o neutrones) a partículas cargadas (electrones o iones) en un medio. Es una medida de la energía transferida, no necesariamente absorbida, y es relevante para la radiación indirectamente ionizante.

Magnitudes de Radioprotección

Dosis Equivalente (H)

Es la dosis absorbida en un punto, ponderada por un factor de ponderación de la radiación (W_R) que tiene en cuenta la efectividad biológica relativa de diferentes tipos de radiación. Se mide en Sievert (Sv). Permite comparar el riesgo biológico de diferentes tipos de radiación.

Dosis Efectiva (E)

Deriva de la dosis equivalente y sirve para comparar los efectos estocásticos (probabilísticos) de la irradiación de diferentes órganos o tejidos con la irradiación uniforme de todo el cuerpo. Se calcula como la suma de las dosis equivalentes en los diferentes órganos y tejidos, ponderadas por factores de ponderación tisular (W_T) que reflejan la sensibilidad de cada tejido a la radiación. También se mide en Sievert (Sv).

Principales Interacciones de los Fotones con la Materia

Cuando un haz de fotones atraviesa la materia, pueden ocurrir principalmente tres resultados:

1. Fotones que atraviesan el medio sin interaccionar.
2. Fotones que son absorbidos mediante el efecto fotoeléctrico.
3. Fotones que son dispersados mediante el efecto Compton.

Ley de Atenuación Exponencial

Cuando un haz de fotones penetra en un medio material, se observa una desaparición progresiva de los fotones que lo constituyen. Esta disminución se denomina atenuación y se debe a los procesos de absorción y dispersión de los átomos que componen el medio. La intensidad del haz disminuye exponencialmente con la profundidad en el material.

Transformadores

Un transformador es un dispositivo eléctrico que consta de dos bobinas de alambre (primaria y secundaria) enrolladas sobre un núcleo de hierro, sin estar conectadas eléctricamente entre sí. Funciona por inducción electromagnética: un voltaje alterno aplicado a la bobina primaria induce un voltaje en la bobina secundaria, cuya magnitud depende de la relación de espiras entre ambas bobinas.

Transformador Elevador

Aumenta el voltaje de salida en relación con el de entrada (más espiras en la secundaria que en la primaria).

Transformador Reductor

Reduce el voltaje de salida en relación con el de entrada (menos espiras en la secundaria que en la primaria).

Autotransformador

A diferencia de un transformador convencional, un autotransformador utiliza un único núcleo de hierro con una sola bobina de cable. Esta bobina tiene tomas que permiten variar el voltaje y la corriente según el principio de inducción. La misma bobina puede tener conexiones tanto para el circuito primario como para el secundario, lo que lo hace más compacto y eficiente para ciertas aplicaciones.