Fizica radiatiilor

Structura atomului , numar atomic Z, numar de masa, excitare, ionizareRadiatii corpusculare, radiatii electromagnetice, radiatii ionizante, radiatii non-ionizanteTubul rontgenProducerea radiatiilor X, spectrul radiatiilor XProprietatile radiatiilor XInteractiunea radiatiilor X cu materia: imprastierea, absobtia, atenuarea, ionizarea

Structura atomuluiParticulele atomuluiMasa si sarcina particulelor atomiceNumarul atomic Z Numarul de masa AIzotopiIoni

Structura atomuluiModelul Rutherford (1911)Nucleu in centruconcentreaza sarcinile + (protonii) si particulele neutre electric (neutronii) - masa atomuluielectroni pe orbite, la periferie = nor e-concentreaza sarcinile -, masa neglijabilasarcina e- = sarcina p+

Structura materieiAtomulcaracteristicinr. atomic Z = numarul de sarcini electrice nr. de masa A= particule din nucleu

masa nucleu < suma p+ndiferenta = energie de legatura intre nucleoni E=mc2 (Einstein)Energia de legatura= energia necesara pt a desface nucleul in nucleoni

Modele atomiceModele atomiceForta electrostatica si forta centrifugaNivele energetice

Structura atomuluiBohre- se misca in jurul nucleului cu o anumita acceleratieo sarcina electrica in miscare emite o unda electromegnetica, pierzand energie e- ar pierde energie cinetica sa cada pe nucleu atomi instabili

?

Postulatele lui Bohr1. e- se misca pe orbite circulare, bine determinate (orbite stationare), fara a castiga sau pierde energie2. trecerea de pe o orbita pe alta se face prin emisia sau absorbtia de energie sub forma de cuante E=hh = constanta Planck = frecventa radiatiei emise sau absorbite

Quantum mecanic

Modele atomice

Atomii

www.green-planet-solar-energy.com/images/bohr_atom.gifElectronii sunt mentinuti pe orbite prin doua forte opuse.Forta electrostatica-Forta centrifuga

echilibrul intre aceste doua forte mentine electronii pe orbite

Energia de legatura si cineticacu cat distanta fata de proton e iar Ecin , Eat electronii mai aproape de nucleu sunt legati mai strans de atom, electronii mai departe de nucleu au sanse mai mari de a parasi atomul

Les atomesForta electrostatica =Energia de legatura a atomului - reprezinta cantitatea de energie necesara pentru a invinge forta electrostatica si pentru a elibera un electron de pe orbita

Cu cat numarul atomic este mai mare (mai multi protoni) cu atat forta electrostatica pentru toti electronii este mai mare+_EFCF

Ionizarea atomilorIonizarea este procesul fizic de conversie a unui atom in ion prin primire sau prin cedare de energie

Ioni pozitivi, ioni negativi

IonizareaionizareaIon pozitiv0

Ionizarea Un ion incarcat pozitiv este produs atunci cand un electron legat de atom absoarbe suficienta energie pentru a putea invinge forta electrostatica si pentru a fi eliberat din atom Cantitatea de energie necesara = potential de ionizareUn ion negativ se produce cand un electron liber intra in coliziune cu un atom si este capturat de care acesta, cedand intreaga energie excedentara sub forma de cuanta de energie

Excitarea In starea fundamentala, electronul se afla pe orbita cu energie minima

Excitarea este cresterea nivelului de energie al atomului , superior starii lui de echilibru energetic

e- trece pe o orbita superioara, cedand energie

Excitarea atomilor Durata de viata a unui atom in stare excitata este in general scurta atomi instabili

Spontan sau provocat de o cuanta de energie (numita foton) sistemele parasesc starea de excitare si revin la pozitia de echilibru energetic prin cedare de energie

Atomii cu durata lunga de viata in stare excitata se numesc metastabili

Excitarea atomilor Dupa excitare, atomul se poate intoarce la o stare inferioara de excitare sau la nivelul de repaus energetic fundamental prin emiterea unui foton de energie caracteristica Emisia fotonilor de catre atomii care se gasesc in diferite sari de excitare, conduc la un spectru electromagnetic care alcatuiesc radiatiile electromagnetice caracteristice

Radiatiile In fizica, radiatiile descriu orice proces in care energia emisa de un corp se deplaseaza printr-un mediu sau in spatiu pentru ca in final sa fie absorbita de alte corpuri Radiatii: Electromagneticecorpusculare

Radiatii corpusculare Energia este transportata de catre particule materiale foarte rapide: atomi, ioni, particule ale atomului (neutroni, electroni, particule elementare)Exemple: Radiatii catodice Radiatii alpha Radiatii neutronice

Radiatii corpusculare Radiatii catodice Radiatii alphaElectroni liberi Sunt produse in tubul catodic

Particule atomice

Emise prin dezintegrarea nucleilor (izotopi de uraniu)Neutroni

Emise prin dezintegrarea radioactiva a nucleilorRadiatii neutronice

Radiatii electromagnetice Energia este transportata de unde elecromagnetice sinusoidale cu diferite lungimi de unda O sarcina electrica in miscare genereaza un camp magnetic unde electromagnetice Unda rezulta prin compunerea si descompunerea periodica a campului magentic si electric

Carateristicile undelor electromagneticeFrecventaLungimea de undaEnergie (penetrabilitate)

Spectrul undelor electromagnetice Campul electromagnetic = gama de spectre a tuturor frecventelor posibile pentru radiatiile electromagnetice

Radiatiile electromagneticeEnergie - keVlungime de unda - unitati metrice

Radiatiile ionizanteRadiatiile care au suficienta energie pentru ionizarea particulelor

Induc adesea perturbari ale sistemelor biologice si pot cauza mutatii sau cancer

Radiatii ionizante Exemple de radiatii ionizante: Radiatiile alpha () sunt foarte ionizante, apar prin dezintegrarea unui nucleu de HeliuRadiatii (-) - apar prin dezintegrarea unui neutron de un proton din nucleu, rezultand particule - si antineutrino Radiatii + - apar la emitere de pozitroni liberi, sunt foarte instabile si se transforma in radiatii Radiatii sunt fotoni cu frecventa peste 1019 Hz.

Radiatii non ionizanteRadiatii care nu transporta suficienta energie pentru a ioniza atomii sau moleculelel forme de energie electromagnetica: unde radio, micro-ondes, radiatii trahertz, infrarosii, lumina vizibila). Radiatiile electromagnetice au energie suficienta doar pentru excitarea atomilorDiferite efecte biologice pot fi observate pentru diferite tipuri de radiatii non-ionizante (imbatranire, stress oxidativ, risc boli cardiovasculare)

Radiatiile XRadiatii electromagneticedual - corpuscul (foton) + undadupa energie:MOI - = 1-5 , energie si penetratie scazutaDURE - = 0,01, energie si penetratie crescuta

descoperite 1895 Wilhelm Conrad Rntgen

1895 WILHELM CONRAD RONTGEN

Rntgen dcouvre radiations (rayons X) 1901 - Prix Nobel

Producerea radiatiilor X

Producerea radiatiilor XANODCATODTub de sticla vidat

RADIOGRAFII INTRA-ORALE

RADIOGRAFII EXTRAORALE

Aparatura de producere a RXSursa de RXalimentarea de joasa si inalta tensiunesistem de comanda si control

Tubul de raze XmAkVRXFereastra

Emisia termoionica0Actionarea butonului de expunere

curentul electric (mA) traverseaza filamentul catodic

Filamentul este adus la incandescenta

Elibereaza electroni (emisie termo-ionica).Cu cat temperatura filamentului este mai mare cu atat numarul de electroni este mai mare

Tubul de radiatii XmAkVRXFenetre

Tungsten, Molibden (numar atomic mare) . Focarul anodic (pata focala) = o mica zona de la anod unde se formeaza radiatiile X

Cu cat focarul anodic este mai mic cu atat imaginea radiologica are o netitate mai buna

la anod se produc 1% radiatii X + 99% radiatii calorice Anodul

Anodul Daca focarul anodic este foarte mic se produce mai multa caldura iar riscul de supraincalzire a anodului si de dezintegrare este mai mare.

!! Anodul din material cu numar atomic mare

Tinta de la anod unde electronii ciocnesc anodul (spotul focal) este inclinata fata de directia fascilului de electroni pentru a mari suprafata de impact a acestora

Line Focus PrincipleFoyer optique(apparente)Foyer actuelle (reelle)Target (Anode)CathodePID0Focar anodic aparentFocar anodic real

tubul rontgen tub vidat

Sticla cu saruri de plumb

Eliminarea caldurii support de cupru

Ulei de racire la exteriorul tubului, in carcasa metalica

Radiatiile X care se produc la anod se propaga sferic, in toate directiile fereastra in tubul de sticla permite iesirea radiatiilor X din tub

Focarul anodic aparent se gaseste pe directia acestei ferestre a tubului rontgen

Parametrii de expuneremAkVt

0Producerea rad X2. Activate low-voltage circuit to heat filament3. Activate high-voltage circuit to pull electrons across tube4. Electrons cross tube, strike target and produce x-rays1. Depress exposure button5. X-ray production stops when exposure time ends. Release exposure button

Transformator de joasa tensiune

Daca tensiunea care traverseaza filamentul este prea mare, filamentul se consuma circuitul de joasa tensiune are rolul de a reduce tensiunea inainte de travesarea filamentului reduce tensiunea la aprox 10V, ceea ce antreneaza un curent de 4-5mA care circula in filament CONTROLEAZA mA

Autotransformator

Autotransformatorul determina cate tensiune se va transfera in circuitul de inalta tensiune. Amplifica tensiunea de intrare (V-kV) Cu cat sunt mai multe spire selectionate in autotransformator, cu atat va creste tensiunea in tub (kV)

Transformator de inalta tensiune

Tensiunea provenita de la autotransformator este amplificata in circuitul de inalta tensiune. Amplifica tensiunea de intrare (V-kV) Cu cat sunt mai multe spire selectionate in autotransformator, cu atat va creste tensiunea in tub (kV)

Circuite electricefunctii:

Circiut de joasa tensiune: Furnizeaza o tensiune joasa pentru incalzirea filamentului catodic transformator de joasa tensiune controleaza mA si incalzirea filametului

Circuit de inalta tensiune: Generarea unei diferente de potential intre catod si anod transformator de inalta tensiune

065,000 to90,000 volts110 volts10 voltsRelatia intre diferitele componenete ale tubului .

Radiatiile X sunt produse doar pe parcursul timpului de expunere

Durata de activitate a circuitului de inalta tensiune (care determina kV) este durata de expunere

0Ulei - izolarea componenetelor electrice,Racirea anodului, Filtrarea radiatiilor X oilbarriermaterial Step-upTransformer Step-downTransformer

Curentul care circula este un curent alternativ 60 cycles

1 ciclu o faza pozitiva si una negativa

Doar in faza pozitiva se produc radiatiile X (anodul este [pozitiv ) 1 ciclu dureaza 1/60 sec sunt 60 ciclii/sec Curentul electric0

+ 110, 220- 110, 2200positivenegativetarget positive;electrons flowtarget negative;no electron flowtarget positive;electrons flow0Courant alternatif

0Masini cu potential constant _ convetresc curentul alternativ in curent continuu (tension constante). Eficacitate mai mare a tubului

Exposure factors too high (too dark)Correct exposure factorsExposure factors too low (too light)0

Les facteurs de controle du faisceau de rayons XmA, kV, Timp de expunere, Filtrarea colimarea

milliAmpere (mA)

mA determina cantitatea de curent care circula prin filament (catod)

Influenteza numarul de electroni produsi la catod si indirect cantitatea de radiatii X

0Rayonnement X production2. Activate low-voltage circuit to heat filament3. Activate high-voltage circuit to pull electrons across tube4. Electrons cross tube, strike target and produce x-rays1. Depress exposure button5. X-ray production stops when exposure time ends. Release exposure button

mA (milliampere)0Cu cat creste mA, cu atat filamentul se incalzeste mai puternic si sunt emisi mai multi electroni

Influenteaza cantitatea de radiatii XNumber of X-raysX-ray Energy10 mA (twice as many x-rays)5 mAmaximum energyaverage energy(no change)(no change)

Kilovolts (kV)Cu cat creste kV, cu atat se mareste diferenta de potential intre catod si anod, creste viteza electronilor, intercatiunile de la nivelul anodului produc Rad X cu energie crescuta (lungime de unda mica)

kiloVoltaj(kV)0X-ray Energy (keV)Number of X-rays709090 kVp70 kVpKV creste energia radiatiilor X penetrabilitatea

Number of X-raysX-ray Energy10 impulses (twice as many x-rays)5 impulsesmaximum energyaverage energy0 Timpul de expunereCresterea timpuli de expinere determina cresterea cantitatii de radiatii X Nu influenteaza energia fasciculuylui(no change)(no change)

Exposure Button0Expunerea dureaza doar cat este setata timpul de expunere

Nu este influentata de mentinerea apasata a butonului de expunere nu exista supraexpunere

Este posibila subexpunerea prin decuplarea precoce a butonului exponometru

Mecanismul de producerea a radiatiilor X

Exista doua tipuri de radiatii X produse la nivelul tintei anodice Radiatii de franareRadiatii X caracteristice

Radiatii de franare Se produc prin incetinirea electronilor accelerati, proveniti de la catod, cand trec prin vecinatatea nucleilor atomilor tinta Cu cat electronii sunt mai apoape de nucleu, cu ata sunt mai incetiniti Cu cat viteza electronilor esete mai amre, cu atat energia radiatiilor de franare rezultate este mai mareElectronii sunt deviati Electronii interactioneaza apoi cu mai multi atomi, pana la pierderea totala a energieie lor

Radiatii de franare +0Electrones du Grand vitesseElectronii sunt incetiniti cand trec prin vecinatatea nucleului - energia suplimentara este eliberata sub forma de radiatii X de franareElectronii isi schimba directia si se deplaseaza , interactionana cu alti atomi, pana la pierderea complecta a eneriei lor

Radiatii de franare Energy maximalle0Electronii intra in atomi si isi pierd intreaga lor energie, fiind mentinuti in atom Energia radiatiilor X de franare produsa energia maximala +

Radiatii X caracteristice Electronii intra in coliziune cu un electron de pe orbita unui atom din anodul tinta electronul esete scos de pe orbita, locul ramas liber este ocupat imediat de un electron de pe o orbita periferica , iar energia este cedata sub forma de radiatii X caracteristice energia electronilor de mare viteza trebuie sa depaseasca energia de legatura a electronilor tinta cu care interactioneaza

Cei doi electroni parasesc atomul

- ont des nergies "caractristique" du matriau du cible.

L'nergie sera gale la diffrence entre les nergies de liaison des lectrons cibles impliqus.

Les nergies de liaison sont diffrentes pour chaque type de matriel, il dpend du nombre de protons dans le noyau (le numro atomique).Radiatii X caracteristice K-shellM-shellL-shell0

Radiatii X caracteristice LKMD'lectrons de haute vitesse d'au moins 70 keV d'nergie (il faut plus que l'nergie de liaison du K-shell atome de tungstne) les grves d'lectrons dans la couche K, la mettant hors de son orbiteEjected electron leaves atomRecoil lectrons (avec trs peu d'nergie) sorties d'atome0

Spectrul de Radiatii X .Spectru de energii spectru de radiatii X cu diferite lungiumi de unda

Energia determinata de kV majoritatea radiatiilor sunt radiatii de franare si doar cateva sunt radiatii X caracteristice X-ray energy (keV)Rayonnement caracteristique (59 & 67 keV)# of x-rays0Rayonnement De Freinage

Spectrul de radiatii X .)0Este influentat de : : Distanta intre electronii de inalta vitreza si nucleul atomilor tintaInteractiunile multiple ale electronilor ( electronii continua sa interactioneza pana cand isi pierd intreaga lor energie)

Tensiunea , potentialul constant .

0Producerea radiatiilor X foarte ineficienta

1% radiatii X 99% dintre inetractiuni- producere de caldura heat

Filtrarea Spectrul de radiatii X cu diferite energii Energie suficienta pentru penetrarea tesuturilor si producerea unei imagini radiologice Radiatii de joasa energie - contribuie la iradierea pacientului dar nu au contributie diagnostica, nu ajung la film filtru de aluminiu indepartarea fotonilor de energie inferioara

Filtrarea Creste calitatea radiatiilor X

reglemetari nationale la tuburi de 70kV esete necesara o filtrare totala de 2,5 mm echivalent de aluminiu Filter

Colimarea Reducerea diametrului fasciculului de radiatii rotund sau rectangular 7cm de diamtre

Colimarea Restarngerea zonei iradiate doar la cea de interes diagnostic

Nous voulons couvrir le film avec le faisceau de rayons X, mais ne veulent pas surexposer le patient.

Quand les rayons X interagissent avec les tissus du visage, du rayonnement diffus est produite. Ce rayonnement diffuse cre une exposition supplmentaire du patient et diminue galement la qualit de l'image radiograpique.

CollimationDisc de plumb cu un orificiu in interior determina forma si dimensiunea fasciculului de radiatii X

Partea expusa la iesire este mai mare decat cea de la intrare

Scade iradierea difuza a pacientului .

Reduce doza la pacient collimator0 target(x-ray source)Colimarea

Si vous passez de la srie 7 cm pour un PID a 6 cm rond PID, le patient reoit 25% moins de radiation parce que la zone couverte par le faisceau est rduit de 25%. Collimation rectangulaire (ligne pointille gauche) des rsultats chez le patient ayant subi une irradiation de 55% infrieure par rapport ce qu'elles auraient reu avec rond de 7 cm d'un PID.6 cm round film(4.5 cm long)entranceentranceexitexit6 cm7 cm0area covered at skin surface (6 cm round PID)area covered as beam exits (6 cm round PID)area covered at skin surface (7 cm round PID)area covered as beam exits (7 cm round PID)Colimarea

InteractiuneaRADIATIILOR X CU MATERIA

Interactiunea radiatiilor X cu materia 9% din rad X traverseaza tesuturile fara sa interactiuneze cu acestea 3 tipuri de interactiuni sunt posibile 1. imprastierea coerenta (efectul Thompson) 2. difuziunea Compton 3. absorbtia photo-electrica

Imprastiere coerenta (efect Thomson)Imprastiere ComptonAbsorbtia fotoelectrica

Radiatii X de energie joasa interactioneaza cu electronii de pe orbitele periferice si ii face sa vibreze. Un electron de pe o orbita periferica este scos de pe orbita un lectron rezultand un ion (ionizare) Un electron central este ciocnit de radiatiile X, cu un lectron central este scos de pe orbita rezultand un ion pozitiv si un electron liber Electronul nu este scos din atom Electronul este eliberat din atomElectronul este eliberat din atomFara ionizare ionizareionizareFotonul este deviat pe o noua directie , fara pierdere de energieRadiatiile X primare pierd o parte din energie si continua deplasarea dar pe o directie diferita (sunt deviate)Radiatiile X primare pierd intreaga lor energie- nu rezulta radiatii difuzate 8% dintre interactiuni.62% dintre inetractiuni30% dintre inetractiuni

Imprastiere coerenta (Efect Thomson 0

ejected electron (negative ion)Leffet Compton 0

Photoelectric Absorption0ejected electron (negative ion)

RfrencesSelf-study X-Ray production -ppt jaynes.1@osu.edu.1: Whaites E. Essentials of Dental Radiography CHURCHILL LIVINGSTONE, 2003,3. White CS, Pharoah MJ. Oral radiology. Principles and interpretation. Fourth edition, Mosby 2000F.A Passler Manuel de Radiologie Dentaire et maxillo-facial