I raggi X

1. I raggi X MARIA PIA MORIGI Dipartimento di Fisica Università di Bologna

2. I raggi X: che cosa sono? E = h n Spettro delle onde elettromagnetiche

3. La scoperta dei raggi X Roentgen, premio Nobel per la Fisica nel 1901 8 Novembre, 1895

4. La scoperta dei raggi X Tubo di Hittorf-Crookes. Apparato sperimentale di Roentgen.

5. La prima “roentgengrafia” Radiografia della mano della signora Roentgen (22 dicembre 1895): questa fu la prima “roentgengrafia” a venir presa e fu pubblicata sul New York Times il 16 gennaio del 1896.

6. I raggi X • Come si producono?

7. Anodo (+) Catodo (-) Il tubo a raggi X I raggi X sono il risultato dell’interazione, in un tubo nel quale è stato realizzato un alto vuoto, tra materia ed elettroni accelerati da opportune differenze di potenziale.

8. Anodo (+) Catodo (-) Il tubo a raggi X Un tubo a raggi X è costituito da un'ampolla di vetro, all'interno della quale viene fatto il vuoto, posta dentro un involucro metallico rivestito di piombo. L'emissione dei raggi X avviene solo da una piccola zona non schermata detta finestra. All'interno dell'ampolla vi sono anodo e catodo. Il catodo è costituito da un filamento, tipicamente di tungsteno. Il filamento viene attraversato da una corrente intensa che riscalda il catodo e determina la fuoriuscita degli elettroni di conduzione per emissione termoionica. Tali elettroni vengono poi accelerati verso l'anodo grazie all'alta differenza di potenziale che viene applicata tra il catodo e l'anodo. In genere solo l'1 % dell'energia cinetica degli elettroni si trasforma in radiazione X, il resto viene convertita in energia termica e ciò può causare il deterioramento o addirittura la fusione dell'anodo. Per evitare l'eccessivo riscaldamento dell'anodo vengono utilizzati anodi rotanti in modo che il fascio di elettroni incida in punti diversi. Si nota inoltre che la targhetta bersaglio non è perpendicolare al fascio degli elettroni, ma inclinata di un angolo in genere attorno ai 20°. In questo modo gli elettroni interagiscono con un'area rettangolare (area focale) mentre i fotoni escono da un'area quasi quadrata molto più piccola, detta macchia focale o spot focale effettivo.

9. X X Produzione dei raggi X Quando l’elettrone collide con l’anodo perde energia in base ai seguenti meccanismi: 1. l’elettrone eccita un atomo della sostanza colpita spostando un elettrone esterno ad un livello più alto di energia. L’atomo torna poi allo stato fondamentale con emissione di radiazione infrarossa; IR nucleo 2. l’elettrone collide con un elettrone interno della sostanza colpita (shell K o L) con relativa espulsione di quest’ultimo (con energia cinetica EC). Un elettrone più esterno va a sostituire quello espulso con emissione di “radiazione caratteristica” della sostanza colpita; nucleo 3. Quando l‘elettrone di un fascio interagisce con il campo elettrico del nucleo di un atomo, subisce una brusca decelerazione e perde energia che viene emessa sotto forma di fotoni (bremsstrahlung). nucleo

10. Produzione dei raggi X I fenomeni che portano alla produzione di raggi X sono il 2 ed il 3. Il primo, che si verifica solo se l’energia dell’elettrone accelerato è maggiore (o uguale) dell’energia di legame dell’elettrone atomico, porta alla produzione di fotoni caratteristici della sostanza colpita mentre, il secondo, determina la produzione di fotoni di varie energie (spettro continuo), con energia massima pari alla massima energia degli elettroni incidenti sull’anodo. Nella figura a destra è raffigurato lo spettro energetico dei raggi X prodotti da un tubo radiogeno con anodo in tungsteno. La parte continua dello spettro rappresenta i raggi X provenienti dal fenomeno di "bremsstrahlung“, mentre i picchi sono relativi all'emissione di "radiazione caratteristica".

11. Spettro dei raggi X Spettro di un tubo a raggi X. Lo spettro X risultante è la sovrapposizione di uno spettro continuo (bremsstrahlung) e di uno spettro a righe (raggi X caratteristici).

12. Il tubo a raggi X • Qualità e quantità dei raggi X • Con il termine quantità si intende il numero di fotoni emessi. • La qualità del fascio è caratterizzata invece dall'energia dei fotoni misurata in KeV e determina la capacità di penetrare i materiali. Spot di un tubo a raggi X. Un'area relativamente grande bombardata può dare uno spot di dimensioni minori.

13. Il tubo a raggi X ELETTRONI ANODO (+) FUOCO O MACCHIA FOCALE è quella porzione di anodo che, colpita dagli elettroni, produce i raggi X RAGGI X FUOCO PICCOLO: maggiore dettaglio nell’immagine L’angolo di apertura del cono di raggi X è di circa 30°-40°.

14. Effetto penombra L’ unsharpness (o sfocamento) è causata dalle dimensioni finite della macchia focale del tubo.

15. I raggi X • Come interagiscono con la materia?

16. Interazioneraggi X-materia - Effetto fotoelettrico L’interazione avviene con un elettrone fortemente legato. Ee- =hn- Eb

17. Interazione raggi X-materia - Effetto Compton L’interazione avviene con un elettrone di un’orbita esterna dell’atomo.

18. Interazione raggi X-materia - Produzione di coppie

19. Bunker in Piombo o Calcestruzzo Dipendenza dal numero atomico Z4 (fotoelettrico) Z (Compton) Z2 (produzione di coppie) probabilità interazione 

20. Assorbimento dei raggi X nella materia Condizioni di “buona geometria”: un fotone che ha interagito con il materiale assorbitore non può interagire con il rivelatore.

21. Assorbimento di raggi X monocromatici in condizioni di “buona geometria” Legge di Beer-Lambert per fotoni monocromatici e materiali omogenei: I = Ioe-ms • dove: • I0 è l’intensità iniziale del fascio di raggi X o g • I è l’intensità del fascio dopo l’attraversamento del materiale preso in considerazione • m è il coefficiente di attenuazione lineare del materiale • s è lo spessore del materiale considerato.

22. Assorbimento di raggi X nella materia I/I0 s

23. legno acqua pietra rame Assorbimento raggi X nella materia Il coefficiente di assorbimento lineare m dipende da: • Il numero atomico del materiale • La densità del materiale • L’energia del fascio di raggi X

24. Assorbimento dei raggi X nella materia

25. 100 keV 60 keV 30 keV Assorbimento dei raggi X nella materia

26. Assorbimento dei raggi X nella materia (cm2/g) Coefficiente di attenuazione di massa in funzione dell’energia fotonica per il piombo, compresi i coefficienti parziali.