¿Qué es la atenuación de rayos X? Definición

Los rayos X , también conocidos como radiación X , se refieren a la radiación electromagnética (sin masa en reposo, sin carga) de altas energías. Los rayos X son fotones de alta energía con longitudes de onda cortas y, por lo tanto, de muy alta frecuencia. La frecuencia de radiación es el parámetro clave de todos los fotones, porque determina la energía de un fotón. Los fotones se clasifican de acuerdo con las energías de las ondas de radio de baja energía y la radiación infrarroja, a través de la luz visible, hasta los rayos X de alta energía y los rayos gamma .

La mayoría de los rayos X tienen una longitud de onda que varía de 0.01 a 10 nanómetros (3 × 10 ¹⁶ Hz a 3 × 10 ¹⁹ Hz), correspondiente a energías en el rango de 100 eV a 100 keV. Las longitudes de onda de los rayos X son más cortas que las de los rayos UV y generalmente más largas que las de los rayos gamma. La distinción entre rayos X y rayos gamma no es tan simple y ha cambiado en las últimas décadas. Según la definición actualmente válida, los rayos X son emitidos por electrones fuera del núcleo, mientras que los rayos gamma son emitidos por el núcleo .

Atenuación de rayos X

A medida que los fotones de alta energía pasan a través del material, su energía disminuye. Esto se conoce como atenuación . La teoría de la atenuación también es válida para rayos X y rayos gamma . Resulta que los fotones de mayor energía (rayos X duros) viajan a través del tejido más fácilmente que los fotones de baja energía (es decir, los fotones de mayor energía tienen menos probabilidades de interactuar con la materia). Gran parte de este efecto está relacionado con el efecto fotoeléctrico . La probabilidad de absorción fotoeléctrica es aproximadamente proporcional a (Z / E) ³, donde Z es el número atómico del átomo de tejido y E es la energía del fotón. A medida que E crece, la probabilidad de interacción disminuye rápidamente. Para energías más altas, la dispersión de Compton se vuelve dominante. La dispersión de Compton es constante para diferentes energías, aunque disminuye lentamente a energías más altas.

Atenuación exponencial

Suponga que los rayos X monoenergéticos están colimados en un haz estrecho y que el detector detrás del material solo detecta los rayos X que pasaron a través de ese material sin ningún tipo de interacción con este material, entonces la dependencia debería ser una simple atenuación exponencial de los rayos X . Cada una de estas interacciones elimina el fotón del haz por absorción o por dispersión fuera de la dirección del detector. Por lo tanto, las interacciones pueden caracterizarse por una probabilidad fija de ocurrencia por unidad de longitud de camino en el absorbedor. La suma de estas probabilidades se llama coeficiente de atenuación lineal :

μ = τ _{(fotoeléctrico)} + σ _(Compton)

La atenuación de los rayos X se puede describir con la siguiente ecuación.

I = I ₀ .e ^-μx

, donde I es la intensidad después de la atenuación, I _o es la intensidad incidente, μ es el coeficiente de atenuación lineal (cm ^-1 ) y el espesor físico del absorbedor (cm).

Los materiales enumerados en la tabla son aire, agua y elementos diferentes desde el carbono ( Z = 6) hasta el plomo ( Z = 82) y sus coeficientes de atenuación lineal se dan para dos energías de rayos X. Hay dos características principales del coeficiente de atenuación lineal:

• El coeficiente de atenuación lineal aumenta a medida que aumenta el número atómico del absorbedor.
• El coeficiente de atenuación lineal para todos los materiales disminuye con la energía de los rayos X.

Capa de valor medio

La capa de valor medio expresa el espesor del material absorbente necesario para la reducción de la intensidad de radiación incidente en un factor de dos . Hay dos características principales de la capa de valor medio:

• La capa de valor medio disminuye a medida que aumenta el número atómico del absorbedor. Por ejemplo, se necesitan 35 m de aire para reducir la intensidad de un haz de rayos X de 100 keV en un factor de dos, mientras que solo 0,12 mm de plomo pueden hacer lo mismo.
• La capa de valor medio para todos los materiales aumenta con la energía de los rayos X. Por ejemplo, desde 0,26 cm para hierro a 100 keV hasta aproximadamente 0,64 cm a 200 keV.

Coeficiente de atenuación masiva

Al caracterizar un material absorbente, a veces podemos usar el coeficiente de atenuación de masa.  El coeficiente de atenuación de masa se define como la relación del coeficiente de atenuación lineal y la densidad del absorbedor (μ / ρ) . La atenuación de los rayos X se puede describir mediante la siguiente ecuación:

I = I ₀ .e ^{– (μ / ρ) .ρl}

, donde ρ es la densidad del material, (μ / ρ) es el coeficiente de atenuación de masa y ρ.l es el espesor de la masa. La unidad de medida utilizada para el coeficiente de atenuación de masa cm ² g ^-1 . Para energías intermedias, la dispersión de Compton domina y diferentes absorbentes tienen coeficientes de atenuación de masa aproximadamente iguales . Esto se debe al hecho de que la sección transversal de la dispersión de Compton es proporcional a la Z (número atómico) y, por lo tanto, el coeficiente es proporcional a la densidad del material ρ. A valores pequeños de energía de rayos X, donde el coeficiente es proporcional a las potencias más altas del número atómico Z (para efecto fotoeléctrico σ _f ~ Z ³ ), el coeficiente de atenuación μ no es una constante.

Ver también calculadora:  actividad de Gamma a la tasa de dosis (con / sin escudo)

Ver también XCOM – DB de sección transversal de fotones:  XCOM: base de datos de secciones cruzadas de fotones

Ejemplo:

¿Qué cantidad de agua requiere, si desea reducir la intensidad de un haz de rayos X monoenergético ( haz estrecho ) de 100 keV al 1% de su intensidad incidente? La capa de valor medio para rayos X de 100 keV en agua es de 4,15 cm y el coeficiente de atenuación lineal para rayos X de 100 keV en agua es de 0,167 cm ^-1 . El problema es bastante simple y puede describirse mediante la siguiente ecuación:

Si la capa de valor medio para el agua es 4,15 cm, el coeficiente de atenuación lineal es:Ahora podemos usar la ecuación de atenuación exponencial:

Entonces, el espesor de agua requerido es de aproximadamente 27.58 cm . Este es un espesor relativamente grande y es causado por pequeños números atómicos de hidrógeno y oxígeno. Si calculamos el mismo problema para el plomo (Pb) , obtenemos el grosor x = 0.077 cm .

Coeficientes de atenuación lineal

Tabla de coeficientes de atenuación lineal (en cm ^-1 ) para diferentes materiales a energías fotónicas de 100, 200 y 500 keV.

Capas de valor medio

Tabla de capas de valor medio (en cm) para diferentes materiales a energías de fotones de 100, 200 y 500 keV.

Validez de la Ley Exponencial

La ley exponencial siempre describirá la atenuación de la radiación primaria por la materia. Si se producen partículas secundarias o si la radiación primaria cambia su energía o dirección, entonces la atenuación efectiva será mucho menor. La radiación penetrará más profundamente en la materia de lo que se predice solo por la ley exponencial. El proceso debe tenerse en cuenta al evaluar el efecto del blindaje contra la radiación.