produccion radiacion ionizante

8/17/2019 produccion radiacion ionizante

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M. en C. Flor Peregrina Herrera Martínez

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El tubo de rayos X consiste en un contenedor de vidrio cuyointerior se encuentra a un alto vacio.

En uno de los extremos esta el cátodo (electrodo negativo) y en elotro lado esta el ánodo(electrodo negativo), ambos selladoherméticamente dentro del tubo.

El cátodo es un filamento de tungsteno el cual cuando escalentado emite electrones, un fenómeno conocido como emisióntermoiónica.

El ánodo consiste en una gruesa pieza de cobre al final de la cualse coloca una pequeña pieza de tungsteno como blanco. Cuandose aplica un alto voltaje entre el ánodo y el cátodo, los electronesemitidos del filamento son acelerados hacia el ánodo y alcanzangrandes velocidades antes de alcanzar el ánodo.

Los rayos X son producidos por una súbita deflexión o aceleraciónde los electrones causada por la fuerza atractiva del núcleo detungsteno.

El haz de rayos x emerge del tubo a través de una ventana delgadade vidrio. En algunos casos esta ventana es de berilio para reducirposibles filtraciones del haz de rayos X.

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Es de tungsteno debido al criterio de tener un altaZ y un punto de fusión alto.

Requiere un método de enfriamiento eficiente. Se conduce el calor a la pieza de cobre y esta se

enfría por medio de aire, aceite o agua. También se utilizan ánodos giratorios para reducir

la temperatura del blanco en todos los puntos delmismo.

Un requerimiento importante del diseño del ánodoes su tamaño dependiente del área de la cual losrayos X serán emitidos.

Esta área se conocerá como mancha focal.

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Consiste en un filamento, un circuito parainducir corriente al filamento y un dispositivoque enfoca al haz cargado negativamente.

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Los fotones producidos en una máquina sonheterogéneos en energía, por lo tanto, elespectro de energía muestra una distribución

continua de energía para los fotones debremsstrahlung. De no existir ninguna filtración la energía

calculada del espectro será una línea recta.

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Inherente: Ánodo Puerta de salida (1-2 mm vidrio o metal) (unidades

de mamografía, ventana de Be, Z=4). Añadido:

Filtros de compensación para moldear el hazdependiendo del espesor a atravesar (i.e., para hacer

el haz más energético, “endurecerlo”).

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Material del blanco (Z↑, ε↑)

kVp (kVp↑, ε↑, h ν↑) Forma de la onda del generador del tubo Corriente del tubo (# e- por unidad de tiempo,

mA) Tiempo de exposición

Filtración del haz

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Niveles de potencia altos (del orden de 10 kW)en intervalos de tiempo muy cortos

Tiempos de exposición del algunos ms

20-150 kVp Mancha focal pequeña (0.2 – 1.0 mm) para

maximizar la resolución espacial Blanco a ~16° Se utilizan junto con algún detector para

formar la imagen (película radiográfica,detector digital, etc.)

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Niveles de potencia muy bajos, corrientes de 10-20nA pero mantenidos por periodos largos (10minutos).

Problemas para remover el calor de toda la unidad Para tratamientos superficiales menores a 2 cm enprofundidad se utilizan entre 20-50 kVp Para tratamientos de lesiones más profundas

(hasta 10 cm) se utilizan entre 100-250 kVp Para lesiones aún más profundas se requieren

energías entre 1-20 MeV (linac) Ánodo a ~30º para TRX de ortovoltaje, blancos de

transmisión cuando se requieren megavoltajes

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Hay 2 blindajes: Para evitar que los e- secundarios salgan del

área de producción, Para evitar que los RX producidos en el 1er

blindaje salgan Se producen rayos X en el cobre (Z=29) pero su

intensidad va a ser pequeña comparada con losRX con el tungsteno (Z=74) Estos RX serán absorbidos por el blindaje de

tungsteno que rodea al cobre

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Tipo Potencial de alto voltaje

Rayos Grenz Max. Pot. 20 kV

Terapia de Contacto Max. Pot. 40-50 kV

Terapia Superficial Var. Pot. 50-150 kV

Ortovoltaje Var. Pot. 100-300 kV


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Intervalo de 500-1000 kV Considerado un progreso importante en la

búsqueda de haces de megavoltaje durante la

época postguerra. Su mayor problema fue aislar el transformador

de alta energía.

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El generador de Van de Graaff es una máquinaelectrostática que utiliza una cinta móvil paraacumular grandes cantidades de carga eléctricaen el interior de una esfera metálica hueca.

Las diferencias de potencial así alcanzadas enun generador de Van de Graaff modernopueden llegar a alcanzar los 5 megavolts.

Las diferentes aplicaciones de esta máquinaincluyen la producción de rayos X,esterilización de alimentos y experimentos defísica de partículas y física nuclear

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Utiliza ondas electromagnéticas de alta frecuencia para acelerarpartículas cargadas como electrones a altas energías por un tubolineal.

Este haz de partículas aceleradas puede utilizarse para tratartumores superficiales o bien, para hacerlo incidir en un blanco yproducir rayos X para tratar tumores profundos.

El haz de electrones es acelerado por ondas electromagnéticas defrecuencia en la región de las microondas (~3,000megaciclos/seg).

Se envian pulsos de alto voltaje desde el modulador de unaduracion de microsegundos. Estos pulsos se envian al magnetron(o klystron) y simultaneamente al “electron gun”

El magnetron (o klystron) produce e inyecta pulsos de microondasal tubo acelerador por medio de una guía de onda.

Los electrones, producidos por un proceso termoionico en el“electron gun” también son pulsados dentro de la estructuraaceleradora.

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La estructura aceleradora consiste en un tubo decobre cuyo interior esta dividido por discos decobre o diafragmas variando la apertura y elespacio. Estos espacios están al alto vacio.

Los electrones que se inyectan en la guíaaceleradora tienen una energía inicial de ~50 keV

Estos interactuan con el campo magnetico de lasmicroondas, y ganan energia del campo electrico

sinusoidal por un proceso de aceleracion. Los electrones ya acelerados, salen de la estructura

aceleradora en forma de un haz angosto de unos 3mm de diametro.

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Cuando el acelerador es de energia baja (menora 6 MV) con un tubo acelerador relativamentecorto, los electrones acelerados pueden ir

directo al lanco para la produccion de rayos X. Si embargo, en aceleradores de energias mas

altas, la estructura aceleradora es muy larga yes por eso que se coloca horizontal, asi que elhaz de elctrones tiene que ser “doblado” pormedio de campos magneticos para ser guiadoal blanco.

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Produce microondas. Funciona como un oscilador de alta

potencia, generando pulsos demicroondas de varios microsegundos. Ycon una tasa de repetición de varioscientos de pulsos por segundo.

Tiene una construcción cilíndrica con uncátodo central y un ánodo circundante

con cavidades resonantes en una solapieza de cobre. El cátodo es calentado por un filamento

interior y los electrones son generadospor una emisión termoiónica.

Se aplica un campo magnéticoperpendicular al plano transversal de lascavidades.

Los electrones emitidos del cátodo son

acelerados hacia el ánodo por unacorriente pulsada. Los electrones tienen un movimiento en

espiral. Típicamente operan a 2 MW y son

utilizados en linac’s de baja energía (6MV o menos).

No produce microondas, las amplifica. Los electrones producidos por el cátodo

son acelerados por un pulso negativo devoltaje hacia una primera cavidad,llamada “buncher”, la cual es energizadapor microondas de baja potencia.

Estas crean un campo eléctrico alternanteen la cavidad.

La velocidad de los electrones es alteradapor este campo eléctrico. Este proceso sellama modulación de velocidad.

Esto resulta en grupos de electrones quepasan a la cavidad “catcher” que inducencargas en el final de la cavidadproduciendo un retardo en el campoeléctrico.

Debido a esto, los electrones se

desaceleran, y por principio deconservación de energía, la energíacinética de los electrones es convertida enmicroondas de alta potencia.

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Dobla el haz para incidir en el blanco o la laminadispersora, según sea el caso.

Puede ser a 90° o 270o. Cuando se usa a 90o el haz angosto de los

electrones acelerados es ensanchado en una elipse,lo cual lo vuelve “cromático”. Los electrones masrápidos se doblaran menos que los mas lentos.

Para minimizar este efecto, el haz se dobla en 270°;con esto los electrones mas lentos trazan un circulo

mas pequeño y los electrones mas rápidos uno masgrande, lo que resulta en una selección de energía. El efecto “cromático” es eliminado y el haz se

describe como un “acromático”.

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Cuando los electrones acelerados se hacen incidir en un blanco de unmaterial de Z alto (como tungsteno), se producirán rayos x de frenado (oBremsstrahlung)

La energía del electrón es convertida en un espectro de rayos X conenergías variantes hasta un máximo igual a la energía mayor de loselectrones.

El promedio del espectro de energía de rayos X es aproximadamente untercio de la energía máxima. En su mayoría, los aceleradores pueden tratar en dos modalidades:

fotones y electrones. Con energías máximas similares de acuerdo a laenergía máxima posible alcanzada por los electrones al acelerarse. Porejemplo, el acelerador C2100CD produce haces de electrones de 4, 6, 9, 12y 15 MeV y haces de fotones de 6 y 15 MV. La energía de los haces de

electrones se menciona en MeV (millones de electrón volts) porque es unhaz casi mono energético antes de la incidencia del en la superficie delpaciente. Los haces de fotones, por otro lado, es heterogéneo en energía, yse menciona su energía en MV, como si el haz fuera producido aplicandoun voltaje sobre un tubo de rayos X.

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Como se había mencionado, el haz de electrones aceleradoses un haz angosto (tipo lápiz) de unos 3 mm de diámetro.

En el modo de tratamiento con electrones, este haz, en vezde golpear con un blanco, golpea sobre una laminilladispersora para extender el haz además de tener una

fluencia de electrones uniforme sobre todo el campo detratamiento. La laminilla dispersora consiste en una lamina delgada

metálica , usualmente de plomo. El grosor de la lamina es talque deje pasar los electrones y que estos sean dispersados yno que, sufran bremsstrahlung. Sin embargo, en una

pequeña fracción del total es inevitable que esto ocurra,obteniendo un haz de electrones contaminado con rayos X. Algunos rayos X también son producidos al interactuar el

haz de electrones con los colimadores o algún otro materialde Z alto en el sistema de colimación.

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El cabezal de tratamiento, consiste en una coraza gruesa de material de

alta densidad como blindaje, ya sea plomo o tungsteno, o aleaciones delos mismos. Contiene el blando de rayos X, la lamina dispersora, el filtrode aplanado cámaras de ionización , colimadores fijos y móviles y usistema localizador.

Esta pieza debe ser lo suficientemente gruesa como para evitar radiaciónde fuga, de acuerdo a las guías de protección radiológica.

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Bloque de una material de alta densidad conuna apertura circular

Remueve R-X laterales dándole forma al haz

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Estructuras de cobre o acero inoxidable pararemover el flujo de fotones centrales y producirun haz uniforme.

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Para esparcir el haz de electrones sobre un área grande y con unafluencia uniforme

Placa metálica delgada (aluminio o cobre) Espesor seleccionado para que la mayor parte de los electrones se

dispersen y no se produzca bremsstrahlung

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El haz de rayos X o de electrones inciden sobre las cámaras de monitoreode dosis

Consisten de varias cámaras de ionización o una sola con placas múltiplesparalelas La carga generada es proporcional a la tasa de dosis del haz de

tratamiento Se monitorean la tasa de dosis, la dosis integrada y la simetría del haz La eficiencia de colección de las cámaras no debe cambiar con la tasa de

dosis (haz intensos y pulsados) Sistemas de retroalimentación ajustan el haz de e- para asegurar un haz

de salida constante y uniforme La corriente de salida es convertida aunidades monitor, M

Cuando está calibrado en condicionesestándar de referencia distancia, profundidady tamaño de haz), 1 M = 1 cGy

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Muy consistentes, tasas de dosis predecibles Diseños mecánico y eléctrico muy sencillos –

relativamente barato

Para controlar el tiempo de exposición (dosis)se utiliza un reloj para mover la fuenterápidamente. El mecanismo se controlaneumáticamente, por un compresor sencillo deaire.

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