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Parte 2. Física de las radiaciones 2
Objetivo
Familiarizarse con el conocimiento
básico en física de las radiaciones;...
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Parte 2. Física de las radiaciones 3
Contenidos
• Estructura atómica
• Decaimiento radiactivo
• Producción de radionu...
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Parte 2. Física de las radiaciones 5
El atomo
• La estructura del núcleo
• Protones y neutrones = nucleones
– Z Proto...
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Parte 2. Física de las radiaciones 6
Identificación de un isótopo
Número
Atómico
Número de
Neutrones
Masa
Atómica
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Parte 2. Física de las radiaciones 7
Ernest Rutherford, 1871-1937
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Parte 2. Física de las radiaciones 8
Energía de union del electron
• Los electrones del átomo pueden tener sólo
nivel...
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Parte 2. Física de las radiaciones 9
Ionización - excitación
Energía
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Parte 2. Física de las radiaciones 10
Desexcitación
Radiación
característica
electron-
Auger
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Parte 2. Física de las radiaciones 11
Los niveles de energía del núcleo
Los nucleones pueden ocupar diferentes nivele...
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Parte 2. Física de las radiaciones 12
Transición isomerica
Normalmente el núcleo excitado atravesará una
desexcitació...
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Parte 2. Física de las radiaciones 13
EnergíaEnergía
partículas y/o
fotones
Excitación del núcleo
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Parte 2. Física de las radiaciones 14
Partícula alfa
Partícula beta
Radiación gamma
Desexcitación nuclear
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Parte 2. Física de las radiaciones 15
Conversión interna
Radiación
característica
Electrón de
conversión
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Parte 2. Física de las radiaciones 16
Espectro de radiación gamma
(características de los núcleos)
Energía del Fotón ...
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Parte 2. Física de las radiaciones 17
Rayos X y γIR UV
IR: infrarojo, UV: ultravioleta
Los fotones son parte del espe...
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Parte 2. Física de las radiaciones 19
Núclidos estables
Fuerzas electrostáticas
de largo alcance
Fuerzas nucleares
de...
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Parte 2. Física de las radiaciones 20
Núclidos estables e inestables
Muchos neutrones
para la estabilidad
Muchos prot...
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Parte 2. Física de las radiaciones 21
Fisión
El núcleo es dividido en dos partes, fragmentos de fisión, y 3 o 4 neutr...
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Parte 2. Física de las radiaciones 22
Es imposible saber en que momento un determinado núcleo radiactivo
decaerá. Sin...
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Parte 2. Física de las radiaciones 23
El número de núcleos radiactivos que decaen
por unidad de tiempo
1 Bq (becquere...
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Parte 2. Física de las radiaciones 24
1 Bq es una magnitud pequeña
• 3000 Bq en el cuerpo provenientes
de fuentes nat...
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Parte 2. Física de las radiaciones 25
Múltiplos & prefijos (Actividad)
Múltiplo Prefijo Abreviatura
1 - Bq
1 000 000 ...
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Parte 2. Física de las radiaciones 26
Henri Becquerel, 1852-1908
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Parte 2. Física de las radiaciones 27
Marie Curie, 1867-1934
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Parte 2. Física de las radiaciones 28
Decaimiento de padre a hijo
A CB
λ1
λ2
)ee(
A
B(t)
eA=A(t)
tt
12
20
t1-
0
21 ⋅−...
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Parte 2. Física de las radiaciones 29
Decaimiento padres - hijos
Equilibrio secular
TB<<TA ≈ ∞
Actividad de Padres
Ac...
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Parte 2. Física de las radiaciones 30
Mo-99 → Tc-99m
Mo-99
87.6% Tc-99m
γ 140 keV
T½ = 6.02 h
Tc-99
ß-
292 keV
T½ = 2...
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Parte 2. Física de las radiaciones 31
Irene Curie, 1897-1956
Frederic Joliot, 1900-1958
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Parte 2. Física de las radiaciones 33
Radiación ionizante
Partículas cargadas
• Partículas alfa
• Partículas beta
• P...
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Parte 2. Física de las radiaciones 34
Interacción de partículas cargadas
con la materia
pesada
ligera
Macroscópico Mi...
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Parte 2. Física de las radiaciones 35
Partículas beta Partículas alfa
Transmisión de particulas cargadas
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Parte 2. Física de las radiaciones 36
Alcance medio de partículas β-
0,01
0,1
1
10
0,16 1 5 10 50 100 500 1000 5000
M...
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Parte 2. Física de las radiaciones 37
Radiación de frenado
Fotón
Electrón
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Parte 2. Física de las radiaciones 38
Producción de radiación de frenado
• Cuanto mayor es el número atómico del
blan...
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Parte 2. Física de las radiaciones 39
Producción de rayos X
Electrones de alta energía impactan un
blanco (metálico) ...
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Parte 2. Física de las radiaciones 40
Tubo de rayos X para una producción
media y baja de rayos X
Fuente de Alto
Volt...
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Parte 2. Física de las radiaciones 41
Mega voltaje rayos X (linac)
Blanco
Electrones
Rayos X
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Parte 2. Física de las radiaciones 42
Aspectos relativos a la producción de
rayos X
• Distribución angular: los rayos...
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Parte 2. Física de las radiaciones 43
Unfilteredradiation(in vacuum)
20 40 60 80 100 120
INTENSITY
PHOTONENERGY(keV)
...
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Parte 2. Física de las radiaciones 44
absorción
dispersión
transmisión
Deposición de energía
Interacción de los foton...
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Parte 2. Física de las radiaciones 45
Efecto fotoelectrico
Fotón
Radiación característica
Electrón
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Parte 2. Física de las radiaciones 46
Fotón
Electrón
Fotón disperso
Proceso Compton
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Parte 2. Física de las radiaciones 47
Producción de pares
Fotón
Positrón
Electrón
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Parte 2. Física de las radiaciones 48
Aniquilación
β+
+ e-
γ (511 keV)γ (511 keV)
β+ (1-3 mm)
Radionucleido
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Parte 2. Física de las radiaciones 49
Interacción del foton
Photon energy (MeV)
Photoelectric
effect
Compton
process
...
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Parte 2. Física de las radiaciones 50
Transmisión - fotones
HVL: espesor hemi-reductor
TVL: espesor deca-reductor
Núm...
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Parte 2. Física de las radiaciones 51
HVL
Energía
HVL (mm)
Concreto Plomo
50 kV 43 0.06
100 kV 10.6 0.27
200 kV 25 0....
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Parte 2. Física de las radiaciones 53
Absorción de energía
Riesgo creciente por daño biológico
Muchas ionizaciones po...
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Parte 2. Física de las radiaciones 54
Dosis absorbida
Energía absorbida por unidad de masa
1 Gy (gray) = 1 J/kg
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Parte 2. Física de las radiaciones 55
Harold Gray, 1905-1965
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Parte 2. Física de las radiaciones 56
1 Gy es una cantidad relativamente
grande
• Dosis de radioterapia >1Gy
• Dosis ...
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Parte 2. Física de las radiaciones 57
Fracciones & prefijos (dosis)
Fracciones Prefijos Abreviatura
1 - Sv
1/1000 mil...
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Parte 2. Física de las radiaciones 58
La deposición de energía en
la materia es un evento
aleatorio y la definición d...
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Parte 2. Física de las radiaciones 59
Unidad: 1 Sv (sievert)
Dosis equivalente, dosis efectiva
Dosis equivalente (tej...
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Parte 2. Física de las radiaciones 60
Dosis efectiva E w HT
T
T= ⋅∑
Tejido u órgano Factor de ponderación
Gónadas 0.2...
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Parte 2. Física de las radiaciones 61
Dosis efectiva (mSv)
0.01
0.1
1
10
Cardio angiografía Tiroides I-131
TC pelvis ...
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Parte 2. Física de las radiaciones 62
Rolf Sievert (1896-1966)
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Parte 2. Física de las radiaciones 63
Dosis colectiva
La dosis efectiva a una determinada
población, tal como todos l...
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Parte 2. Física de las radiaciones 64
Dosis colectiva efectiva en Suecia
Fuente
Tasa de dosis colectiva
(Sv·hombre/añ...
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Módul...
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Parte 2. Física de las radiaciones 66
El detector es base fundamental en toda
práctica con radiación ionizante.
El co...
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Cualquier material que exhiba cambios por
radiación medibles, puede ser usado c...
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Parte 2. Física de las radiaciones 68
Principios del detector
Detectores
gaseosos
• Cámaras de ionización
• Contadore...
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Parte 2. Física de las radiaciones 69
Tipos de detectores
Contadores • Detectores gaseosos
• Detectores de centelleo
...
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Parte 2. Física de las radiaciones 71
Cámara de ionización
HV
+
-
Ion negativo
Ion positivo
Electrómetro
La respuesta...
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Parte 2. Física de las radiaciones 72
• Calibradores de dosis
• Instrumentos de monitoreo
Cámaras de ionización
Aplic...
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Parte 2. Física de las radiaciones 73
Propiedades generales de las
cámaras de ionización
• Gran precisión
• Estabilid...
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Parte 2. Física de las radiaciones 74
(Amplitud
del pulso de
salida )
Cámara de
Ionización
Detectores
proporcionales
...
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Parte 2. Física de las radiaciones 75
Contador proporcional
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Parte 2. Física de las radiaciones 76
Instrumentos de monitoreo
Contador proporcional
Aplicaciones en medicina nuclear
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Parte 2. Física de las radiaciones 77
Propiedades como monitor de
contadores porporcionales
• Sensibilidad un mayor q...
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Parte 2. Física de las radiaciones 78
Principio del tubo de Geiger Müller
Knoll
-
+
-
Una sola partícula incidente ca...
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Parte 2. Física de las radiaciones 79
• Monitor de contaminación
• Dosímetro (si está
calibrado)
Tubo Geiger Müller
A...
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Parte 2. Física de las radiaciones 80
• Alta sensibilidad
• Menor precisión
Propiedades generales de los tubos
Geiger...
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Parte 2. Física de las radiaciones 82
Detector por centelleo
Amplificador
Analizador de
altura de pulsos
Escala
Detec...
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Parte 2. Física de las radiaciones 83
Analizador de altura de pulsos (PHA)
NS
NI
Tiempo
Altura del pulso (V)
El anali...
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Parte 2. Física de las radiaciones 84
Distribución de la altura de pulsos
NaI(Tl)
Altura de pulso (energía)
Tasa de c...
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Parte 2. Física de las radiaciones 85
PM PM
Muestra
mezclada con
solución para el
centelleo
Detector de centelleo líq...
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Parte 2. Física de las radiaciones 86
• Contadores de muestras
• Sistemas de sonda simple o múltiple
• Cámara gamma
•...
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Detector semi-conductor como
espectrómetro
• Detectores de germanio sólido o Ge...
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Parte 2. Física de las radiaciones 89
Knoll
Comparación del espectro de un detector de centelleo
Na (I) y de un detec...
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• Identificación de radionucleidos
• Control de pureza del radionucleido
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Principio: El de una película fotográfica
normal (film)
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con la reproducibilidad
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Material
termoluminiscente
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TLD
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Dosímetro de termoluminiscencia
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• Cristales pequeños
• Tejido equivalente...
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Aplicaciones en medicina nuclear
• Dosímetros personales (cuerpo,
dedos…)
• Med...
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Parte 2. Física de las radiaciones 99
Discusión
Un generador Mo/Tc contiene 15 GBq
de Mo-99 a un tiempo dado. ¿Qué
co...
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Parte 2. Física de las radiaciones 100
Discusión
Se realizó un tratamiento usando yodo
radiactivo (I-131). ¿Cuáles so...
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Parte 2. Física de las radiaciones 101
Discusión
Un laboratorio está realizando un trabajo
con tritio (H3
). Discuta ...
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Parte 2. Física de las radiaciones 102
¿Dónde obtener más información?
Lecturas complementarias
• OMS. Manual de prot...
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  • La conferencia asume la familiaridad con los conceptos básicos de la física.
    Esta diapositiva permite que el profesor revise el modelo atómico de base y la nomenclatura de isótopos de etiquetado
  • Rutherford se describe aquí como el padre del modelo del átomo con un núcleo central. Se puede mencionar que supervisó a los 11 estudiantes que fueron galardonados con el Premio Nobel. El mismo obtuvo uno en química.
  • Es importante describir los niveles de energía de los electrones con el fin de llegar a que los estudiantes comprendan los procesos de excitación y desexcitación
  • La imagen describe el proceso de ionización, que libera un electrón del átomo y la excitación que eleva un electrón de un depósito interior a uno más lejano, ambos procesos como resultado de la transferencia de energía al átomo. Puede ser importante discutir cómo la energía puede ser transferida a los átomos.
  • Recuerde mencionar que la energía característica de la radiación depende de los niveles de energía del electrón (K, Lm M etc) y, por consiguiente, la característica del átomo.
  • Esta imagen es tal vez demasiado complicada para un determinado público. No obstante, se puede utilizar para explicar los diferentes procesos que intervienen en los procesos de excitación y desexcitación en el núcleo en términos de energía.
  • Una imagen que, en términos simples explica la excitación de un núcleo. De nuevo un debate sobre cómo la energía puede ser transferida al núcleo puede ser valioso.
  • Esta imagen ilustra que la energía de rayos gamma es característica de un determinado núcleo, lo que significa que el núcleo se puede identificar observando el espectro de rayos gamma. Este espectro es de un viejo generador Tc99m. Puede ser importante señalar a la paralela a los rayos X característicos.
  • Esta imagen se utiliza para explicar por qué un núcleo es estable y por qué el número de neutrones esta aumentando en relación con el número de protones de los núcleos pesados para balancear el aumento la fuerza electrostática.
  • Esta imagen se debe utilizar para explicar la inestabilidad de un núcleo a la que se puede llegar ya sea por un exceso de protones o por un exceso de neutrones. La imagen es una introducción a la desintegración radiactiva.
  • En esta diapositiva se trata una inserción para ver que todos los participantes se encuentren al mismo nivel.
  • Maria Curie aparece aquí como un disparador para hablar de la antigua unidad de actividad.
  • Curie y Joliot fueron los primeros en producir un radionucleido artificial en 1934.
  • Otros tipos de radiación, como los infrarrojos, microondas, radioondas no son ionizantes.
    Sin embargo, esto no significa que los efectos biológicos estén ausentes.
  • La imagen debe ser utilizada para explicar las diferencias entre las interacciones de las partículas cargadas ligeras y las pesadas. Cabe mencionar que aún cuando la interacción se llama colisión es una interacción entre los campos eléctricos.
  • La radiación de frenado se genera en la solución y en el blindado de fuentes no selladas de alta energía que emiten partículas beta. Ejemplos de ello son P32, Sr89 y Sm153
  • La intención de esta presentación no es cubrir la producción de rayos X ampliamente. Las cuestiones importantes para señalar por el profesor se mencionan en la siguiente diapositiva.
  • Tanto en esta como en la siguiente diapositiva, no es importante atravesar todos los detalles de la producción de rayos x las características importantes para señalar son el objetivo de diseño y el ángulo de incidencia.
  • El profesor puede mencionar que a altas energías la eficiencia de la producción de rayos x puede superar el 50% - sin embargo, el objetivo de enfriamiento sigue siendo un gran problema debido a la alta haz corriente.
  • El contenido de esta diapositiva debe continuar los debates anteriores. Los puntos importantes que deben ser mencionados por el profesor están en las casillas. Una alternativa sería que el profesor elimine una o más casillas y le solicite a los participantes describir lo que visualizan.
  • Tenga en cuenta que en esta imagen los positrones son procedentes de un radionucleido y no son un resultado de la producción de par. Es importante explicar que el proceso de aniquilación es el mismo.
  • Esta imagen debe utilizarse para demostrar la importancia de la deposición de energía de fotones en el proceso de interacción con los tejidos blandos (Z &amp;lt;10), lo que significa que todas las modalidades de imagen tienen problemas con la radiación dispersa
  • Esta imagen debe ser utilizada como introducción a la definición de dosis absorbida. Comenzando con el conocimiento de que el proceso de ionización es el principal evento que puede resultar en un efecto biológico. Si definimos una cantidad física que da la energía absorbida por unidad de masa, esto podría ser usado para obtener la relación del riesgo con daño biológico.
  • El profesor debe señalar que el eje x muestra de «dimensión» o tamaño.
    Diseños similares se han dibujado de la dimensión para que se muestre ordenada. En cualquier caso es evidente que la energía específica depositada en pequeños volúmenes, va aumentando y estos se vuelven cada vez menos definidos.
    En las pequeñas dimensiones de la línea que define la dosis absorbida, se convierte en borrosa macroscópicamente y un determinado volumen puede haber recibido un número de diferentes cantidades de energía.
    En pequeñas dimensiones y dosis bajas , la pregunta para cualquiera de los dos es si recibieron un evento (o mas de uno) o no.
  • La imagen es un ejemplo de cómo la dosis efectiva se puede usar para comparar la exposición de pacientes en radiología diagnóstica y medicina nuclear.
  • Los datos proceden de Suecia. A modo de comparación, alrededor de 600 personas mueren anualmente debido a accidentes de tráfico.
  • Calibradores de dosis: instrumentos de medición de actividad, conocidos también como activímetros, curímetros, etc.
  • La figura muestra que el número de pares de iones y el tamaño de la señal generada en un detector de llenado de gas depende de la tensión aplicada.
  • Hay una multiplicación de eventos de ionización secundarios que es proporcional a la tensión, así como el número de ionizaciones primario causado por una partícula o fotón.
  • En un tubo GM un campo eléctrico alto es alcanzado en la proximidad del electrodo central.
    La ionización es la causa primaria de una avalancha de ionizaciones secundarias. En este proceso habrá emisión de fotones UV con energía lo suficientemente alta como para provocar nuevas ionizaciones El resultado será una descarga total del detector. El resultado será un impulso eléctrico que puede medirse sin ningún tipo de amplificación.
  • Es importante explicar por qué existe una proporcionalidad entre la energía absorbida de fotones en el detector y la altura del pulso.
  • Explicar el origen de la dispersión de fotones (detector y la muestra) y la total absorción de fotones.
  • La explicación de la mejor resolución de energía en un detector de semiconductores, es que la energía necesaria para crear un par-ión hueco es menor que la energía para producir una luz de fotones en el detector de centelleo.
    Por lo tanto, la fluctuación estadística y el ancho de la totalidad de la energía pico será mucho menor.
  • La película radiográfica, normalmente consta de una base de poliéster que está recubierta en una o ambas caras con una emulsión radio sensitiva. La capa sensible se compone normalmente de haluro de plata (más bromuro) cristales (diámetro 0,2 - 2m m) incrustados en la gelatina. La absorción de la radiación ionizante provoca la siguiente reacción (simplificado):
    fotón + Br-  Br + e-
    e- + Ag+  Ag.
    La capa de plata es negra y produce una imagen latente. Durante el desarrollo de la película otros iones de plata se reducen en la presencia de átomos de plata. Por lo tanto, si uno (en la práctica pocos) de los iones de plata se reduce en un cristal de bromuro de plata, todos los cristales de plata en el presente (o de grano) se reducirá durante el desarrollo.
    El resto del haluro de plata (en granos subdesarrollados) se lavan fuera de la película durante la fijación y sólo las áreas de la película que se vieron afectadas por la radiación aparecen en negro.
    Las ventajas de la película son su buena resolución espacial y el que un conjunto bidimensional de distribución de dosis se adquiere en la medición. La desventaja es su escasa reproducibilidad (que depende de la radiación de energía, así como la transformación) y la no linealidad de la relación dosis-respuesta.
  • Tenga en cuenta que esta es una imagen animada. En la primera parte el detector es irradiado y en la siguiente parte la señal es leída por calentamiento del detector.
  • Los dosímetros de termoluminiscencia (TLD) son cristales que pueden almacenar parte de la energía depositada por la radiación ionizante en forma recuperable. El gráfico ilustra el principio de la Termo -(se aplica calor) luminiscencia (el cristal emite luz) y Dosimetría (de los cuales la intensidad está relacionada con la dosis de radiación ionizante absorbida por el cristal antes de la calefacción &amp;quot;,).
    Mientras que la luz emitida es proporcional a la radiación absorbida la proporcionalidad constante varía con la radiación de energía, el total de dosis, material y TLD - más difícil para tener en cuenta - la historia térmica de los cristales.
    Como tal, TLD se usa principalmente como una técnica dosimétrica en la que la dosis que hay que determinar es en comparación con una dosis similar conocida o una dosis similar brindada por el detector TL o uno similar.
    Las ventajas de los TLDs son su tamaño pequeño y que los cables no son necesarios durante la irradiación. Por lo tanto, son especialmente adecuados para las mediciones en fantomas sólidos y dosimetría en vivo. Las desventajas son el tiempo transcurrido entre la irradiación y el proceso de lectura y la complejidad de toda la instalación TLD.
  • Radiation Protection in Nuclear Medicine

    1. 1. IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear PROTECCIÓN RADIOLÓGICA EN MEDICINA NUCLEAR Parte 2. Física de las Radiaciones
    2. 2. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 2 Objetivo Familiarizarse con el conocimiento básico en física de las radiaciones; magnitudes dosimétricas y unidades para realizar cálculos relacionados; diferentes tipos de detectores de radiación y sus características, sus principios de operación y limitaciones.
    3. 3. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 3 Contenidos • Estructura atómica • Decaimiento radiactivo • Producción de radionucleidos • Interacción de la radiación ionizante con la materia • Magnitudes y unidades de radiación • Detectores de radiación
    4. 4. IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear Parte 2. Física de las Radiaciones Módulo 2.1 Estructura atómica
    5. 5. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 5 El atomo • La estructura del núcleo • Protones y neutrones = nucleones – Z Protones con carga eléctrica positiva (1.6 ×10-19 C) – Neutrones sin carga (neutral) – Número de nucleones = número másico A • La estructura fuera del núcleo – Z Electrones (partículas ligeras con carga eléctrica), carga de igual magnitud que el protón pero negativa Particula Símbolo Masa (kg) Energía (MeV) Carga Protón p 1.672 × 10-27 938.2 + Neutrón n 1.675 × 10-27 939.2 0 Electrón e 0.911 × 10-30 0.511 -
    6. 6. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 6 Identificación de un isótopo Número Atómico Número de Neutrones Masa Atómica
    7. 7. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 7 Ernest Rutherford, 1871-1937
    8. 8. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 8 Energía de union del electron • Los electrones del átomo pueden tener sólo niveles discretos de energía • Para remover un electrón de su orbital ⇒ E ≥ energía de unión del electrón • Orbitales discretos alrededor del núcleo: K, L, M, … • El orbital K tiene energía máxima (i.e. estabilidad) • La energía de unión decrece cuando Z crece • Número máximo de electrones en cada orbital: 2 en K, 8 en el orbital L, …
    9. 9. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 9 Ionización - excitación Energía
    10. 10. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 10 Desexcitación Radiación característica electron- Auger
    11. 11. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 11 Los niveles de energía del núcleo Los nucleones pueden ocupar diferentes niveles de energía y el núcleo puede estar presente en un estado de base o en estado de excitación. Un estado de excitación puede alcanzarse agregando energía al núcleo. Al desexcitarse el núcleo emitirá el exceso de energía por emisión de partículas o por radiación electromagnética. En este caso, la radiación electromagnética es llamada rayo gamma. La energía del rayo gamma será la diferencia en energías entre los diferentes niveles de energía del núcleo. Niveles ocupados ~8 MeV 0 MeV ENERGÍA Emisión de partícula Rayo gamma DesexcitaciónExcitación
    12. 12. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 12 Transición isomerica Normalmente el núcleo excitado atravesará una desexcitación en pico segundos. En algunos casos, sin embargo, se puede medir un tiempo medio de residencia en el nivel excitado. La desexcitación de tal nivel se llama transición isomérica (TI). Esta propiedad del núcleo se distingue en la etiqueta del nucleido agregando una letra “m” del siguiente modo: tecnecio-99m, Tc-99m o 99m Tc
    13. 13. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 13 EnergíaEnergía partículas y/o fotones Excitación del núcleo
    14. 14. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 14 Partícula alfa Partícula beta Radiación gamma Desexcitación nuclear
    15. 15. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 15 Conversión interna Radiación característica Electrón de conversión
    16. 16. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 16 Espectro de radiación gamma (características de los núcleos) Energía del Fotón (keV) Conteosporcanal
    17. 17. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 17 Rayos X y γIR UV IR: infrarojo, UV: ultravioleta Los fotones son parte del espectro electromagnético
    18. 18. IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear Parte 2. Física de las Radiaciones Módulo 2.2 Decaimiento radiactivo
    19. 19. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 19 Núclidos estables Fuerzas electrostáticas de largo alcance Fuerzas nucleares de corto alcance p p n Linea de estabilidad Número de Protones (Z) NúmerodeNeutrones(N)
    20. 20. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 20 Núclidos estables e inestables Muchos neutrones para la estabilidad Muchos protones para la estabilidad Número de Protones (Z) NúmerodeNeutrones(N)
    21. 21. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 21 Fisión El núcleo es dividido en dos partes, fragmentos de fisión, y 3 o 4 neutrones. Ejemplos: Cf-252 (expontáneo), U-235 (inducido) decaimiento - α El núcleo emite un partícula α (He-4). Ejemplos: Ra-226, Rn-222 decaimiento - β Demasiados neutrones dan por resultado decaimiento β− n = >p+ + e- + ν Ejemplo: H-3, C-14, I-131. Demasiados protones resultan en decaimiento β+ p+ = > n + e+ + ν Ejemplos: O-16, F-18 O captura electrónica (EC) p+ + e- = > n + ν Ejemplos: I-125, Tl-201 Decaimiento radiactivo 86 226 84 222 2 4 Ra Rn+→ α
    22. 22. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 22 Es imposible saber en que momento un determinado núcleo radiactivo decaerá. Sin embargo, es posible determinar la probabilidad de decaimiento en un momento en particular. En una muestra de N núcleos el número de decaimientos por unidad de tiempo es: λ λ λ 2ln T eN=N(t) N dt dN 2/1 t- 0 = ⋅ ⋅−= ⋅ Decaimiento radiactivo
    23. 23. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 23 El número de núcleos radiactivos que decaen por unidad de tiempo 1 Bq (becquerel) = 1 desintegración por segundo El número de núcleos radiactivos que decaen por unidad de tiempo 1 Bq (becquerel) = 1 desintegración por segundo Actividad
    24. 24. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 24 1 Bq es una magnitud pequeña • 3000 Bq en el cuerpo provenientes de fuentes naturales • 20,000,000 a 1,000,000,000 Bq en exámenes de medicina nuclear
    25. 25. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 25 Múltiplos & prefijos (Actividad) Múltiplo Prefijo Abreviatura 1 - Bq 1 000 000 mega (M) MBq 1 000 000 000 giga (G) GBq 1 000 000 000 000 tera (T) TBq
    26. 26. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 26 Henri Becquerel, 1852-1908
    27. 27. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 27 Marie Curie, 1867-1934
    28. 28. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 28 Decaimiento de padre a hijo A CB λ1 λ2 )ee( A B(t) eA=A(t) tt 12 20 t1- 0 21 ⋅−⋅− ⋅ − − ⋅ = ⋅ λλ λ λλ λ
    29. 29. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 29 Decaimiento padres - hijos Equilibrio secular TB<<TA ≈ ∞ Actividad de Padres Actividad de Hijos Número de vidas medias del Hijo Actividad(unidadesarbitrarias) Equilibrio transitorio TA ≈ 10 TB Actividad de Padres Actividad de Hijos Actividad(unidadesarbitrarias) Sin equilibrio TA ≈ 1/10 TB Actividad de Padres Actividad de Hijos Número de vidas medias del Hijo Actividad(unidadesarbitrarias) Número de vidas medias del Hijo
    30. 30. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 30 Mo-99 → Tc-99m Mo-99 87.6% Tc-99m γ 140 keV T½ = 6.02 h Tc-99 ß- 292 keV T½ = 2×105 y Ru-99 estable 12.4% ß- 442 keV γ 739 keV T½ = 2.75 d
    31. 31. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 31 Irene Curie, 1897-1956 Frederic Joliot, 1900-1958
    32. 32. IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear Parte 2. Física de las Radiaciones Módulo 2.4 Interacción de la radiación ionizante con la materia
    33. 33. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 33 Radiación ionizante Partículas cargadas • Partículas alfa • Partículas beta • Protones Partículas sin carga • Fotones (gamma - rayos X) • Neutrones Cada partícula individual puede causar ionización, directa o indirectamente.
    34. 34. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 34 Interacción de partículas cargadas con la materia pesada ligera Macroscópico Microscópico
    35. 35. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 35 Partículas beta Partículas alfa Transmisión de particulas cargadas
    36. 36. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 36 Alcance medio de partículas β- 0,01 0,1 1 10 0,16 1 5 10 50 100 500 1000 5000 Mean range (mg/cm2) Energy(MeV) Alcance medio Energía(MeV) Radionucleido Max energía (keV) Alcance (cm) en aire agua aluminio H-3 18.6 4.6 0.0005 0.00022 C-14 156 22.4 0.029 0.011 P-32 1700 610 0.79 0.29
    37. 37. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 37 Radiación de frenado Fotón Electrón
    38. 38. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 38 Producción de radiación de frenado • Cuanto mayor es el número atómico del blanco de rayos X, mayor es el rendimiento • Cuanto mayor es la energía del electrón incidente, mayor la probabilidad de la producción de rayos X • A cualquier energía del electrón, la probabilidad de generar rayos X decrece con el incremento de la energía de los rayos X
    39. 39. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 39 Producción de rayos X Electrones de alta energía impactan un blanco (metálico) donde parte de su energía se convierte en radiación. Blanco Electrones Rayos X Energía baja a media (10-400 keV) Alta energía > 1MeV
    40. 40. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 40 Tubo de rayos X para una producción media y baja de rayos X Fuente de Alto Voltaje Cátodo Electrones Tubo al vacioBlanco de Tugsteno Ánodo de cobre Rayos X
    41. 41. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 41 Mega voltaje rayos X (linac) Blanco Electrones Rayos X
    42. 42. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 42 Aspectos relativos a la producción de rayos X • Distribución angular: los rayos X de alta energía son dirigidos principalmente hacia adelante, mientras que los rayos X de baja energía son emitidos principalmente en dirección perpendicular a la emisión incidente del electrón. • Eficiencia de la producción: En general, a mayor energía, más eficiente es la producción de rayos X, esto significa que a bajas energías la mayor parte de la energía del electrón (>98%) es convertida en calor. El enfriamiento del blanco es esencial.
    43. 43. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 43 Unfilteredradiation(in vacuum) 20 40 60 80 100 120 INTENSITY PHOTONENERGY(keV) Radiación sin filtrado (al vacío) Energía fotónica (MeV) Intensidad Rayos X característicos Radiación de frenado Espectro tras la filtración Energía máxima del electrón El espectro resultante de los rayos X
    44. 44. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 44 absorción dispersión transmisión Deposición de energía Interacción de los fotones con la materia
    45. 45. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 45 Efecto fotoelectrico Fotón Radiación característica Electrón
    46. 46. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 46 Fotón Electrón Fotón disperso Proceso Compton
    47. 47. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 47 Producción de pares Fotón Positrón Electrón
    48. 48. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 48 Aniquilación β+ + e- γ (511 keV)γ (511 keV) β+ (1-3 mm) Radionucleido
    49. 49. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 49 Interacción del foton Photon energy (MeV) Photoelectric effect Compton process Pair production Energía del fotón(MeV) Número atómico(Z) Efecto fotoeléctrico Efecto Compton Producción de pares
    50. 50. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 50 Transmisión - fotones HVL: espesor hemi-reductor TVL: espesor deca-reductor Número de Fotones Espesor N N e d = ⋅ − ⋅ 0 µ d: espesor del material µ: coeficiente de atenuación
    51. 51. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 51 HVL Energía HVL (mm) Concreto Plomo 50 kV 43 0.06 100 kV 10.6 0.27 200 kV 25 0.52 500 kV 36 3.6 1 MV 44 7.9 2 MV 64 12.5 5 MV 96 16.5 10 MV 119 16.6 20 MV 137 16.3 Espesor hemi-reductor vs energía del fotón, para plomo y concreto (HVL)
    52. 52. IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear Parte 2. Física de las Radiaciones Módulo 2.5 Magnitudes y unidades de radiación
    53. 53. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 53 Absorción de energía Riesgo creciente por daño biológico Muchas ionizaciones por unidad de masa Alta energía absorbida por unidad de masa
    54. 54. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 54 Dosis absorbida Energía absorbida por unidad de masa 1 Gy (gray) = 1 J/kg
    55. 55. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 55 Harold Gray, 1905-1965
    56. 56. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 56 1 Gy es una cantidad relativamente grande • Dosis de radioterapia >1Gy • Dosis proveniente de exámenes típicos de medicina nuclear 0.05 - 0.001Gy • Radiación de fondo anual debido a radiación natural (terrestre, cósmica, debido a radioactividad interna, radón,…) alrededor de 0.002 - 0.004 Gy
    57. 57. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 57 Fracciones & prefijos (dosis) Fracciones Prefijos Abreviatura 1 - Sv 1/1000 mili (m) mSv 1/1,000,000 micro (µ) µSv
    58. 58. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 58 La deposición de energía en la materia es un evento aleatorio y la definición de dosis la divide en volúmenes pequeños (ej. Una simple célula). La disciplina de la micro-dosimetría tiene como objeto este tema. Adaptado de Zaider 2000 Rayos γ Neutrones Una nota de precaución
    59. 59. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 59 Unidad: 1 Sv (sievert) Dosis equivalente, dosis efectiva Dosis equivalente (tejido u órgano): donde: wR : factor de ponderación de la radiación (1-20), DT : dosis absorbida en tejido (Gy) TRT DwH ⋅= Dosis efectiva: donde: HT: dosis equivalente (Sv), wT: factor de ponderación del tejido (0.05-0.20) T T T HwE ⋅= ∑
    60. 60. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 60 Dosis efectiva E w HT T T= ⋅∑ Tejido u órgano Factor de ponderación Gónadas 0.20 Médula ósea (red) 0.12 Colon 0.12 Pulmón 0.12 Estómago 0.12 Vejiga 0.05 Pecho 0.05 Hígado 0.05 Esófago 0.05 Tiroides 0.01 Superficie ósea 0.01 Resto (suprarrenales, riñones, músculos, intestino grueso, intestino delgado, páncreas, bazo, timo, útero, cerebro) 0.05
    61. 61. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 61 Dosis efectiva (mSv) 0.01 0.1 1 10 Cardio angiografía Tiroides I-131 TC pelvis Miocardio Tl-201 Intestino grueso TC abdomen CBF Tc-99m Urografía Tiroides I-123 Espina lumbar Hueso Tc-99m Tiroides Tc-99m Hígado Tc-99m Pulmón Tc-99m Pecho Renografía I-131 Extremidades Volumen de sangre I-125 Dental Aclaramiento Cr-51 Rayos X Medicina Nuclear
    62. 62. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 62 Rolf Sievert (1896-1966)
    63. 63. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 63 Dosis colectiva La dosis efectiva a una determinada población, tal como todos los pacientes en un departamento de medicina nuclear, todo el personal del departamento, la población de un país, etc. La unidad es 1 Sv·hombre
    64. 64. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 64 Dosis colectiva efectiva en Suecia Fuente Tasa de dosis colectiva (Sv·hombre/año) Número de cáncer fatal /año Natural Radiación cósmica Externa Interna 2500 2500 1700 125 125 85 Construcción Radiación gamma Radon 1700 20,000 85 1000 Técnica Planta nuclear Pruebas de armas nucleares Otros < 10 200 < 100 1 10 5 Médicas Radiología diagnóstica Radiología dental Medicina Nuclear 6000 500 500 300 25 25 Laborales Radiología diagnóstica Medicina nuclear Radioterapia Radiología dental Industria, investigación Planta nuclear Minas 5 1 1 5 20 10 100 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 < 1 5 Total 34852 1790
    65. 65. IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear Módulo 2.6 Detectores de radiación Parte 2. Física de las Radiaciones
    66. 66. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 66 El detector es base fundamental en toda práctica con radiación ionizante. El conocimiento del potencial de los instrumentos así como sus limitaciones es esencial para una interpretación adecuada de las mediciones.
    67. 67. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 67 Cualquier material que exhiba cambios por radiación medibles, puede ser usado como detector de radiación ionizante. • Cambio de colores • Cambios químicos • Emisión de una luz visible • Carga eléctrica • ….. • ….. Detectores activos: medición inmediata del cambio Detectores pasivos: procesamiento antes de leer Material del detector
    68. 68. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 68 Principios del detector Detectores gaseosos • Cámaras de ionización • Contadores proporcionales • Tubos Geiger Müller (GM) Detectores por centelleo • Sólido • Líquido Otros detectores • Detectores semi-conductores • Detectores de película • Detectores de termolumini- sencia (TLD)
    69. 69. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 69 Tipos de detectores Contadores • Detectores gaseosos • Detectores de centelleo Espectrómetros • Detectores de centelleo • Detectores de estado sólido Dosímetros • Detectores gaseosos • Detectores de estado sólido • Detectores de centelleo • Detectores termoluminiscentes • Detectores fílmicos (o de película)
    70. 70. IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear Detectores gaseosos
    71. 71. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 71 Cámara de ionización HV + - Ion negativo Ion positivo Electrómetro La respuesta es proporcional a la tasa de ionización (actividad, tasa de exposiciòn)
    72. 72. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 72 • Calibradores de dosis • Instrumentos de monitoreo Cámaras de ionización Aplicaciones en medicina nuclear
    73. 73. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 73 Propiedades generales de las cámaras de ionización • Gran precisión • Estabilidad • Sensibilidad relativamente baja
    74. 74. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 74 (Amplitud del pulso de salida ) Cámara de Ionización Detectores proporcionales Geiger Muller Knoll Regiones de operación para detectores llenados con gas
    75. 75. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 75 Contador proporcional
    76. 76. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 76 Instrumentos de monitoreo Contador proporcional Aplicaciones en medicina nuclear
    77. 77. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 77 Propiedades como monitor de contadores porporcionales • Sensibilidad un mayor que la cámara de ionización • Usado para partículas y fotones de baja energía
    78. 78. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 78 Principio del tubo de Geiger Müller Knoll - + - Una sola partícula incidente causa una ionización completa Cátodo Ánodo Avalanchas individuales Fotón UV Fotón UV
    79. 79. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 79 • Monitor de contaminación • Dosímetro (si está calibrado) Tubo Geiger Müller Aplicaciones en medicina nuclear
    80. 80. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 80 • Alta sensibilidad • Menor precisión Propiedades generales de los tubos Geiger Müller
    81. 81. IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear Detectores por centelleo
    82. 82. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 82 Detector por centelleo Amplificador Analizador de altura de pulsos Escala Detector Fotocátodo Cátodo Dínodos Ánodo
    83. 83. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 83 Analizador de altura de pulsos (PHA) NS NI Tiempo Altura del pulso (V) El analizador de altura de pulsos permite contar sólo pulsos de una determinada altura (energía) contados no contados Ventana
    84. 84. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 84 Distribución de la altura de pulsos NaI(Tl) Altura de pulso (energía) Tasa de cuentas Energía del fotopico Radiación dispersa
    85. 85. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 85 PM PM Muestra mezclada con solución para el centelleo Detector de centelleo líquido
    86. 86. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 86 • Contadores de muestras • Sistemas de sonda simple o múltiple • Cámara gamma • Instrumentos de vigilancia radiológica Detector de centelleo aplicaciones en medicina nuclear
    87. 87. IAEA International Atomic Energy Agency OIEA Material de Entrenamiento en Protección Radiológica en Medicina Nuclear Otros detectores
    88. 88. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 88 Detector semi-conductor como espectrómetro • Detectores de germanio sólido o Ge(Li) • Principio: electrón – pares huecos (análogos a los pares de iones en los detectores gaseosos) • Excelente resolución de energía
    89. 89. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 89 Knoll Comparación del espectro de un detector de centelleo Na (I) y de un detector semi-conductor Ge (Li)
    90. 90. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 90 • Identificación de radionucleidos • Control de pureza del radionucleido Detector semi-conductor Aplicaciones en medicina nuclear
    91. 91. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 91 Principio: El de una película fotográfica normal (film) Granos de haluro de plata, por cambios debidos a la irradiación desarrollan plata metálica Aplicación en medicina nuclear: Dosímetro personal Película
    92. 92. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 92 Película • Requiere procesamiento → problemas con la reproducibilidad • Dosímetro de dos dimensiones • Alta resolución espacial • Alto número atómico → variaciones de respuesta con la calidad de la radiación
    93. 93. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 93 Termoluminiscencia: Principio del TLD Material termoluminiscente Filamento de calentamiento Luz emitida Fotomultiplicador
    94. 94. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 94 Esquema simplificado del proceso del TLD
    95. 95. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 95 Dosímetro de termoluminiscencia (TLD) • Cristales pequeños • Tejido equivalente • Dosímetro pasivo – no se requieren cables • Rango amplio de dosimetría (µ Gy a 100s de Gy) • Varias aplicaciones distintas
    96. 96. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 96 Aplicaciones en medicina nuclear • Dosímetros personales (cuerpo, dedos…) • Mediciones especiales TLD
    97. 97. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 97 Desventajas • Consume tiempo • No hay registro permanente TLD
    98. 98. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 98 Preguntas?
    99. 99. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 99 Discusión Un generador Mo/Tc contiene 15 GBq de Mo-99 a un tiempo dado. ¿Qué concentración de actividad de Tc-99m se obtendrá 15h después si el volumen de elusión es 3 ml? Asuma una eficiencia de elusión de 75%.
    100. 100. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 100 Discusión Se realizó un tratamiento usando yodo radiactivo (I-131). ¿Cuáles son los modos dominantes de interacción entre los tipos de radiación emitidos y el tejido humano blando?
    101. 101. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 101 Discusión Un laboratorio está realizando un trabajo con tritio (H3 ). Discuta el tipo de detector conveniente para detectar contaminación del equipamiento y áreas de trabajo.
    102. 102. IAEA Parte 2. Física de las radiaciones 102 ¿Dónde obtener más información? Lecturas complementarias • OMS. Manual de protección radiológica en el hospital y práctica general. Volumen 1. Requisitos Básicos • Sorensen JA & Phelps ME. Física en medicina nuclear. Grune & Stratton, 1987

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