Absorción y Frenado de Partículas Alfa y Beta: Características y Aplicaciones

Absorción de Partículas Alfa

Al medir la ionización específica producida en el aire por partículas alfa a diversas distancias, se obtiene una curva denominada curva de Bragg. En esta curva, se observa que la ionización específica aumenta con la distancia a la fuente emisora de estas partículas, lentamente al inicio y luego rápidamente. Tras pasar por un máximo, cae bruscamente a cero. La ionización específica se refiere a la ionización producida por unidad de longitud o por gramo.

Este fenómeno se explica de la siguiente manera: los valores crecientes de ionización específica se deben a que, al ir recorriendo su trayectoria y produciendo pares iónicos, la partícula va perdiendo energía cinética y, por lo tanto, velocidad de modo constante. Al reducirse la velocidad, aumenta la ionización específica, por lo que aumentará al aumentar la distancia a la fuente. Al final de su trayectoria, la partícula se mueve más lentamente y es entonces cuando la ionización alcanza su máximo. Pasado cierto punto, la energía de la partícula ha disminuido tanto que captura primero un electrón y luego otro, convirtiéndose en un átomo de helio incapaz de producir ionización. Esto explica el descenso brusco en la curva.

Es muy interesante que esta disminución sea bastante brusca y no gradual. Esto implica que, ya que todas las partículas alfa de una fuente determinada poseen casi la misma energía, todas dejan de producir ionización tras recorrer la misma distancia. La distancia R, a la cual las partículas alfa de una fuente determinada dejan de producir ionización, recibe el nombre de alcance de las partículas alfa en el medio considerado.

El alcance de las partículas alfa en aire o en otro material depende de la naturaleza de la fuente, puesto que de ella depende la energía de las partículas. Existe proporcionalidad inversa entre el periodo de un radioisótopo y la energía y, por lo tanto, el alcance (R) de las partículas alfa que emite. Esto significa que cuanto más corto es el periodo, mayor es la energía y el alcance de las partículas alfa.

El poder de frenado o absorción de un absorbente es una magnitud independiente de la energía de las partículas alfa, en el supuesto de que los alcances se refieran a partículas de una misma fuente.

Absorción de Partículas Beta

Las partículas beta comparten con las alfa algunas características comunes en su paso por la materia, como la producción de pares iónicos en el aire a razón de 34 eV por par. Sin embargo, existen diferencias importantes:

• La menor masa de las partículas beta significa que la ionización específica es menor a la de una partícula alfa de la misma energía.
• Las partículas alfa procedentes de una fuente tienen todas casi la misma energía o bien dos o tres grupos. En cambio, las beta presentan una distribución continua de energía, es decir, un espectro energético continuo, hasta un valor máximo preciso, característico de cada fuente que emite partículas beta.
• Las partículas alfa, por su gran masa, en su paso por la materia no presentan cambios notables de dirección. En cambio, las partículas beta están sometidas a una dispersión considerable, lo que causa cambios frecuentes en su dirección, debido a las interacciones electrostáticas con núcleos atómicos y electrones.
• Por lo tanto, tras atravesar el mismo espesor de un absorbente, a la salida pueden tener direcciones diferentes, lo que significa que recorrieron trayectorias de diferente longitud.
• Las partículas beta no presentan un alcance preciso.
• Sin embargo, se puede determinar un espesor que reduzca casi a cero la ionización producida por estas, exceptuando la radiación de bremsstrahlung.

Radiación de Frenado (Bremsstrahlung)

Se produce cuando los electrones (partículas beta) de gran velocidad pierden su energía al atravesar la materia. La fracción de energía cinética del electrón que se convierte en radiación de frenado es tanto mayor cuanto más alta es la energía de este y cuanto más elevado es el número atómico del elemento con el que interacciona. La energía de los rayos X resultantes cubre un amplio intervalo; el máximo se encuentra muy próximo a la energía máxima de los electrones, pero la energía media es mucho menor.

Consideraciones en el Frenado o Absorción de Partículas Alfa y Beta

• Hay que tener en cuenta el rango, pues solo será posible la irradiación si estamos a una distancia menor a ese rango.
• Las partículas beta pueden ser frenadas o absorbidas totalmente interponiendo un material de espesor y densidad adecuada.
• El blindaje para la radiación beta tiene por finalidad frenar incluso a las de mayor energía, logrando una absorción total.
• El blindaje para las partículas beta puede calcularse a partir del alcance, lo mismo que para las alfa.
• Para la evaluación de un blindaje adecuado para partículas alfa, se debe tener presente que estas no presentan un problema de irradiación, ya que su alcance es muy pequeño. Sin embargo, hay que considerar que la incorporación de una sustancia que emita estas partículas significaría una dosis considerable en el interior de nuestro organismo. Por consiguiente, las partículas alfa no presentan un problema de irradiación, sino más bien de contaminación interna.
• En el caso de un blindaje para partículas beta, hay que tener presente la radiación de frenado. Este fenómeno depende de la energía de la partícula y del número atómico (Z) del absorbente, por lo que en algunos casos hay que considerar un blindaje adicional por la radiación generada en este fenómeno.
• La energía máxima de las partículas beta determinará su alcance máximo y, por lo tanto, permite calcular el espesor del absorbente.
• Esto permite expresar el alcance máximo de la partícula beta como el producto de la densidad por los centímetros del material (R x densidad) necesario para detenerla completamente, independiente del material que se use. De este modo, la densidad del material que se decida usar determinará los centímetros de este (R). Este alcance máximo tiene unidades de g/cm².

Evaluación de la Radiación de Frenado

Para fines de protección radiológica, se puede estimar la energía total de rayos X producida por el frenado de partículas beta empleando la siguiente aproximación:

f = 3,5 x 10^-4 Z E_max

Donde Z es el número atómico del material blindante, E_max es la energía máxima de las partículas beta y 3,5 x 10^-4 es una constante. f es la fracción de energía que se transforma en radiación electromagnética (rayos X) al incidir la partícula beta sobre un material. Esta fracción es directamente proporcional a Z y a la energía máxima de la partícula.

Interacción de los Haces de Electrones con el Medio Absorbente

Cuando los electrones viajan por un medio, interactúan con los átomos por una variedad de fuerzas de interacción coulombianas, como son:

1. Colisiones inelásticas con electrones atómicos: resultan en ionización y excitación de los átomos.
2. Colisiones inelásticas con núcleos: resultan en producción de bremsstrahlung.
3. Colisiones elásticas con electrones atómicos.
4. Colisiones elásticas con núcleos atómicos: resultan en scattering elástico, el cual se caracteriza por un cambio en la dirección, pero no en una disminución de la energía.

La energía cinética de los electrones se pierde en colisiones inelásticas, la que produce ionización o se convierte en otras formas de energía, tales como energía fotónica o energía de excitación. En colisiones elásticas, la energía cinética no se pierde. Sin embargo, la dirección de los electrones puede cambiar o la energía puede redistribuirse a través de las partículas que son colisionadas. En haces de terapia, la energía se pierde a razón de 2 MeV por cm²/g.

La razón a la cual se pierde la energía en las colisiones depende de la energía del electrón y de la densidad electrónica del medio. La razón de pérdida de energía por cm² y por gramo (llamado poder de frenado de masa) es mayor para materiales de número atómico bajo. Esto se debe a que los materiales de mayor número atómico tienen menos electrones por gramo que los materiales de menor número atómico y, además, los materiales de mayor número atómico tienen un mayor número de electrones contenidos apretadamente que no están disponibles para este tipo de interacción.

Los rangos de energía perdida por interacciones radiactivas (bremsstrahlung) son aproximadamente proporcionales a la energía del electrón y al cuadrado del número atómico del material absorbente. Esto significa que la producción de rayos X a través de pérdidas radiactivas es más eficiente para electrones de mayor energía y materiales de mayor número atómico.

Cuando un haz de electrones pasa a través de un medio, el electrón sufre scattering múltiple debido a fuerzas de interacción coulombianas entre el electrón incidente y, predominantemente, el núcleo del medio. Por lo tanto, el electrón adquirirá velocidad y desplazamientos transversales de su dirección original. Por lo tanto, al atravesar el electrón al paciente, disminuye su energía y aumenta su dispersión angular.

Características de los Haces de Electrones

• Hay una zona de dosis más o menos uniforme seguida de una caída abrupta, lo que es una ventaja en comparación con los rayos X.
• Esta ventaja tiende a desaparecer con el aumento de la energía.
• En rangos mayores de energía, hay contaminación con rayos X.
• Para un haz ancho, la profundidad en centímetros a la cual los electrones entregan una dosis de entre un 80-90% es igual aproximadamente de un tercio a un cuarto de la energía de los electrones en MeV. Así, para electrones de 13 MeV, es útil a una profundidad de 3-4 cm.
• Para fines terapéuticos, se usan electrones en que a la profundidad deseada llega el 90%.

Concepto de Rango

Los electrones podrán interactuar con cada átomo con el que se encuentren. En la mayoría de estas interacciones, transferirán, en una fracción de segundos, la energía cinética. Esta energía la perderán gradual y continuamente. El espesor que recorre un único electrón es la distancia total que recorre hasta que se detiene, sin considerar la dirección del movimiento. El rango de espesor proyectado es la suma de los espesores individuales a lo largo de la dirección inicial. El espesor promedio para un electrón de energía inicial E₀ se encuentra integrando el recíproco del poder de frenado total.

• Rango Máximo: se define como la profundidad que se ubica extrapolando desde la cola de la curva.
• Rango Práctico (R_p): se define como la profundidad que se obtiene proyectando la parte más inclinada de la curva.

Región de Build Up

El espesor entre Z_max y la superficie se conoce como la región de build up. La dosis en build up para haces de electrones es mucho menos pronunciada que en haces de fotones en megavoltaje y resulta del scattering por las interacciones que los electrones experimentan con los átomos del absorbente. En el momento en que entran en el medio, la trayectoria del electrón es aproximadamente paralela. A medida que avanzan, la trayectoria llega a ser más oblicua en relación con la original, resultando en un aumento de la fluencia en relación con el eje central del haz.

En los procesos de colisión, es posible que la energía cinética adquirida por el electrón eyectado sea bastante más grande, lo que causa ionización adicional. En tal caso, estos electrones se refieren a electrones secundarios o rayos delta y ellos contribuyen a la dosis en build up. A diferencia de los haces de fotones, el porcentaje de dosis en superficie para haces de electrones aumenta con la energía del electrón. Esto puede explicarse por la naturaleza del scatter del electrón. A menor energía, el electrón es scattereado con más facilidad y a través de ángulos mayores. El rango de dosis en superficie a dosis máxima es menor para haces de energías menores.