Tubo de rajos X

Tubo de rajos X

Un tubo de rajos X és una vàlvula de buit utilisada per a la producció de rajos X, emesos per mig de la colisió dels electrons produïts en el càtodo contra els àtoms de l'ànodo. Els tubos de rajos X varen evolucionar a partir de l'aparat dissenyat per William Crookes, en el que Wilhelm Röntgen va descobrir els rajos X a finals de el XIX . La disponibilitat d'una font controlable de rajos X va possibilitar el desenroll de la radiografia, tècnica en la que es visualisen objectes opacs a la radiació visible. Els tubos de rajos X també s'utilisen en els escáneres TAC, els controls d'equipages dels aeroports, els experiments de difracció de rajos X i l'inspecció de productes i mercaderies. Existixen diversos tipos de tubos de rajos X, optimisats per a diferents aplicacions. Tots els tubos moderns estan continguts en una coraza protectora i la seua operació està subjecta a reglamentacions per a evitar una exposició a dosis nocives de rajos X.

Tubo de rajos X de Coolidge, ca. 1917. El càtodo es troba a l'esquerra, i l'ànodo, a la dreta. Els rajos X s'emeten cap a avall.

Principis físics

Espectre emés per un tubo de rajos X en un ànodo de rodio en un voltage de 60 kV. La curva subjacent correspon al bremsstrahlung, mentres que els picos corresponen a les llínees d'emissió característica del rodio.

El tubo de rajos X consta d'un càtodo, la funció del qual és emetre electrons cap al ànodo. En els tubos moderns, el càtodo és un filament, habitualment de wolframio, calfat per mig d'una corrent elèctrica d'uns pocs amperis. Una porció dels electrons que circulen pel filament es desprenen pel efecte termoiònic. El fes d'electrons emés pel càtodo s'accelera per mig d'una font d'alt voltage alterna —per eixemple, entre els 30 i 150 kV— Per a millorar el rendiment dels tubos de rajos X i evitar que la corrent fluïxca cap al càtodo i destruïxca el filament durant el cicle de voltage invers s'usen rectificadorés.

En colisionar contra l'ànodo els electrons del fes cedixen la seua energia al material, resultant en l'emissió de rajos X per mig de dos processos: Per un costat, els electrons del fes poden impartir la suficient energia als electrons de l'ànodo per a que puguen escapar a l'atracció del núcleu i abandonar el seu nivell atòmic. Els electrons de nivells d'energia superiors ocupen el nivell buit, emetent fluorescència o llínea d'emissió característica d'energia igual a la diferència entre els dos nivells atòmics. Per un atre costat, els electrons de fes també poden ser desviats de la seua trayectòria pel camp elèctric dels núcleus atòmics de l'ànodo, emetent Bremsstrahlung o radiació de frenat, d'espectre continu, en l'energia màxima igual al voltage del tubo. Al voltant d'un 1 % de l'energia del fes és emesa en forma de radiació per estos processos, predominantment en la direcció perpendicular a la del fes d'electrons. L'espectre de rajos X emesos pel tubo depén del material de l'ànodo i del voltage d'acceleració aplicat. El restant de l'energia es desprén en forma de calor, per lo que l'ànodo deu estar refrigerat, per mig d'aigua o oli. El disseny de l'ànodo és important per a llimitar el seu calfament, lo que permet incrementar l'intensitat del fes d'electrons i reduir el foc o àrea d'impacte en a l'ànodo, en la consegüent millora de les característiques dels rajos X emesos.

L'ànodo és un metal d'alt número atómico Z, lo que millora l'eficiència del tubo. El wolframio s'usa per a moltes aplicacions, pel seu alt punt de fusió i resistència a l'evaporament, be en estat pur o en aleació en reni. També s'utilisen els ànodos de molibdeno per a certes aplicacions a on es precisen rajos X de menor energia, com les mamografías. Per als experiments de difracció de rajos X també són comuns els ànodos de coure i cobalt.

Història

Tubo de Crookes

Artícul principal → Tubo de Crookes.

Tubo de Crookes de principis de el XX. El càtodo està a la dreta i el anticátodo en el centre. L'electrodo en la part superior a esquerra és l'ànodo. El dispositiu en la part superior servix per a mantindre la pressió del gas.

Els rajos X es varen observar per primera volta en tubos de descàrrega coneguts com a «tubos de Crookes», en honor d'un de us inventors, el físic britànic William Crookes. Quan es varen descobrir els usos dels rajos X en medicina i ciència, es varen escomençar a fabricar tubos de Crookes especialisats per a la producció de rajos X. Esta primera generació de tubos de càtodo fret va estar en us fins a la tercera década de el XX.

En els tubos de Crookes, els electrons necessaris per a generar rajos X es lliberaven per mig de l'ionisació d'aire residual present en el tubo despuix de fer-se un buit parcial fins a alcançar pressions entre 10⁻⁶ i 5×10⁻⁸ atmòsferas o 0,1-0,005 Pascalés. El càtodo, consistent en una placa d'alumini de forma cóncava, creava un fes d'electrons. En els primers models, l'ànodo s'utilisava per a accelerar els electrons, que colisionaven contra el vidre al final del tubo. Açò provocava el trencament del tubo a la veta de cert temps; este problema es va solucionar per mig de l'adopció de l'ànodo com a blanc del fes d'electrons, encara que atres models un tercer electrodo, el anticátodo, per a la producció de rajos X. Normalment el anticátodo o, en la seua absència, l'ànodo, era de platí, posicionat oblicuamente de tal modo que els rajos X s'emetien cap al costat del tubo. Gràcies a la curvatura del càtodo, els electrons s'enfocaven en una àrea de l'ànodo d'al voltant de 1 mm de diàmetro, per a produir imàgens més nítides.

Els tubos funcionaven per mig de l'aplicació d'un voltage de corrent contínua de fins a uns 100 kilovoltios entre els ànodos i el càtodo. La tensió es generava per mig d'una bobina inductora, o, en el cas de tubos grans, un generador elèctric. El voltage generava i accelerava alguns ionés en el gas present en el tubo, els quals a la seua volta ionizaban atres àtoms del gas en una reacció en cadena. El càtodo emetia electrons quan els ions en càrrega positiva chocaven contra el metal. Estos electrons, junt als emesos pel gas, originaven els rajos X en l'ànodo o anticátodo per mig de Bremsstrahlung o fluorescència.

Els tubos de Crookes eren inestables. En el pas del temps, el gas residual en el seu interior era absorbit per les parets del tubo; com a conseqüència, la pressió es reduïa, el voltage aumentava i es produïen rajos X de major energia, fins que el tubo deixava de funcionar. Per a previndre este procés, s'acoplava al tubo un chicotet conducte en mica o un atre material que desprenia gas en calfar-se, restaurant aixina la pressió inicial. Les parets de vidre del tubo s'ennegrien despuix d'un us continuat del tubo.

Tubo de Coolidge

Esquema d'un tubo de Coolidge. C: filament/càtodo (-); A: ànodo (+); W_in and W_out: Entrada i eixida de l'aigua en el refrigerador de l'ànodo.

En 1913, William Coolidge va realisar vàries millores al tubo de Crookes. El tubo de Coolidge, també conegut com a «tubo de càtodo calent», ha estat en us des de llavors en algunes modificacions sobre el disseny bàsic. Funciona en un alt buit, d'uns 10⁻⁴ Pa, o 10⁻⁶ Torr i els electrons són generats per emissió termoiònica en un filament de wolframio —el càtodo— calfat per una corrent elèctrica. El fes d'electrons emés pel càtodo és accelerat aplicant una diferència de potencial entre el càtodo i l'ànodo; en colisionar en l'ànodo, els electrons produïxen rajos X pels mateixos processos que en el tubo de Crookes.