Tubo de rayos X

Un tubo de rayos X es un tubo de vacío que convierte la energía eléctrica de entrada en rayos X. ^[1] La disponibilidad de esta fuente controlable de rayos X creó el campo de la radiografía , la obtención de imágenes de objetos parcialmente opacos con radiación penetrante . A diferencia de otras fuentes de radiación ionizante , los rayos X solo se producen mientras el tubo de rayos X esté energizado. Los tubos de rayos X también se utilizan en escáneres de TC , escáneres de equipaje de aeropuerto, cristalografía de rayos X , análisis de materiales y estructuras y para inspección industrial.

La creciente demanda de sistemas de angiografía y tomografía computarizada (TC) de alto rendimiento ha impulsado el desarrollo de tubos de rayos X médicos de muy alto rendimiento.

Los tubos de rayos X evolucionaron a partir de los tubos experimentales de Crookes con los que los rayos X fueron descubiertos por primera vez el 8 de noviembre de 1895 por el físico alemán Wilhelm Conrad Röntgen . Los tubos de rayos X de cátodo frío o de Crookes de primera generación se utilizaron hasta la década de 1920. Estos tubos funcionan mediante la ionización del gas residual dentro del tubo. Los iones positivos bombardean el cátodo del tubo para liberar electrones, que se aceleran hacia el ánodo y producen rayos X cuando lo golpean. ^[2] El tubo de Crookes fue mejorado por William Coolidge en 1913. ^[3] El tubo de Coolidge , también llamado tubo de cátodo caliente , utiliza emisión termoiónica , donde un cátodo de tungsteno se calienta a una temperatura suficientemente alta para emitir electrones, que luego se aceleran hacia el ánodo en un vacío casi perfecto. ^[2]

Hasta finales de los años 1980, los generadores de rayos X eran simplemente fuentes de alimentación de alto voltaje, de CA a CC, variables. A finales de los años 1980, surgió un método de control diferente, llamado conmutación de alta velocidad. Esto siguió la tecnología electrónica de las fuentes de alimentación conmutadas (también conocidas como fuentes de alimentación conmutadas ) y permitió un control más preciso de la unidad de rayos X, resultados de mayor calidad y exposiciones reducidas a los rayos X. ^{[ cita requerida ]}

Como en cualquier tubo de vacío , hay un cátodo , que emite electrones al vacío, y un ánodo para recoger los electrones, estableciendo así un flujo de corriente eléctrica, conocido como haz , a través del tubo. Una fuente de energía de alto voltaje , por ejemplo de 30 a 150 kilovoltios (kV), llamada voltaje del tubo , se conecta a través del cátodo y el ánodo para acelerar los electrones. El espectro de rayos X depende del material del ánodo y del voltaje de aceleración. ^[4]

Los electrones del cátodo chocan con el material del ánodo, generalmente tungsteno , molibdeno o cobre , y aceleran otros electrones, iones y núcleos dentro del material del ánodo. Aproximadamente el 1% de la energía generada se emite/irradia, generalmente perpendicular a la trayectoria del haz de electrones, como rayos X. El resto de la energía se libera como calor. Con el tiempo, el tungsteno se depositará desde el objetivo sobre la superficie interior del tubo, incluida la superficie de vidrio. Esto oscurecerá lentamente el tubo y se pensó que degradaba la calidad del haz de rayos X. El tungsteno vaporizado se condensa en el interior de la envoltura sobre la "ventana" y, por lo tanto, actúa como un filtro adicional y disminuye la capacidad del tubo para irradiar calor. ^[5] Finalmente, el depósito de tungsteno puede volverse lo suficientemente conductor como para que, a voltajes suficientemente altos, se produzca un arco eléctrico. El arco saltará del cátodo al depósito de tungsteno y luego al ánodo. Este arco eléctrico provoca un efecto denominado " grietas " en el vidrio interior de la ventana de rayos X. Con el tiempo, el tubo se vuelve inestable incluso a voltajes más bajos y debe reemplazarse. En este punto, el conjunto de tubos (también llamado "cabeza del tubo") se retira del sistema de rayos X y se reemplaza por un nuevo conjunto de tubos. El antiguo conjunto de tubos se envía a una empresa que lo recarga con un nuevo tubo de rayos X. ^{[ cita requerida ]}

Los dos efectos de generación de fotones de rayos X se denominan generalmente "efecto característico" y efecto bremsstrahlung , un compuesto del alemán bremsen, que significa frenar, y Strahlung, que significa radiación . ^[6]

El rango de energías fotónicas emitidas por el sistema se puede ajustar modificando el voltaje aplicado e instalando filtros de aluminio de distintos espesores. Los filtros de aluminio se instalan en el camino del haz de rayos X para eliminar la radiación "suave" (no penetrante). La cantidad de fotones de rayos X emitidos, o dosis, se ajusta controlando el flujo de corriente y el tiempo de exposición. ^{[ cita requerida ]}

El calor se produce en el punto focal del ánodo. Dado que una pequeña fracción (menor o igual al 1%) de la energía de los electrones se convierte en rayos X, se puede ignorar en los cálculos de calor. ^[7] La ​​cantidad de calor producida (en julios) en el punto focal viene dada por:

${\displaystyle E_{\mathrm {calor} }=w\mathrm {V_{p}} \mathrm {I} \mathrm {t} }$

${\estilo de visualización w}$siendo el factor de forma de onda

${\displaystyle \mathrm {V_ {p}}}$= voltaje pico de CA (en kilovoltios)

${\displaystyle \mathrm {yo}}$= corriente del tubo (en miliamperios)

${\displaystyle \mathrm {t}}$= tiempo de exposición (en segundos)

La unidad de calor (HU) se utilizó en el pasado como una alternativa al efecto Joule. Es una unidad conveniente cuando se conecta una fuente de energía monofásica al tubo de rayos X. ^[7] Con una rectificación de onda completa de una onda sinusoidal , = , por lo tanto, la unidad de calor:${\estilo de visualización w}$${\displaystyle {\frac {1}{\sqrt {2}}}\aproximadamente 0,707}$

1 UH = 0,707 J

1,4 UH = 1 J ^[8]

Los tubos de Crookes generaban los electrones necesarios para crear rayos X mediante la ionización del aire residual en el tubo, en lugar de un filamento calentado , por lo que estaban parcialmente, pero no completamente, evacuados . Consistían en un bulbo de vidrio con alrededor de 10 ⁻⁶ a 5×10 ^{−8 de} presión atmosférica de aire (0,1 a 0,005 Pa ). Tenían una placa de cátodo de aluminio en un extremo del tubo y un objetivo de ánodo de platino en el otro extremo. La superficie del ánodo estaba en ángulo para que los rayos X irradiaran a través del costado del tubo. El cátodo era cóncavo para que los electrones se enfocaran en un punto pequeño (~1 mm) en el ánodo, aproximándose a una fuente puntual de rayos X, lo que daba como resultado imágenes más nítidas. El tubo tenía un tercer electrodo, un anticátodo conectado al ánodo. Mejoró la salida de rayos X, pero no se entiende el método por el cual lo logró. Una disposición más común utilizaba un anticátodo de placa de cobre (de construcción similar al cátodo) alineado con el ánodo, de modo que el ánodo estaba entre el cátodo y el anticátodo. ^{[ cita requerida ]}

Para su funcionamiento se aplicaba un voltaje de CC de unos pocos kilovoltios hasta 100 kV entre los ánodos y el cátodo, generalmente generado por una bobina de inducción o, para tubos más grandes, una máquina electrostática . ^{[ cita requerida ]}

Los tubos de Crookes no eran fiables. Con el paso del tiempo, el aire residual era absorbido por las paredes del tubo, lo que reducía la presión. Esto aumentaba el voltaje a través del tubo, lo que generaba rayos X "más duros", hasta que finalmente el tubo dejaba de funcionar. Para evitarlo, se utilizaban dispositivos "suavizadores" (véase la imagen). Un pequeño tubo conectado al lateral del tubo principal contenía una funda de mica o un producto químico que liberaba una pequeña cantidad de gas al calentarse, lo que restablecía la presión correcta. ^{[ cita requerida ]}

La envoltura de vidrio del tubo se ennegrecería con el uso debido a que los rayos X afectan su estructura. ^{[ cita requerida ]}

En el tubo Coolidge, los electrones se producen por efecto termoiónico a partir de un filamento de tungsteno calentado por una corriente eléctrica. El filamento es el cátodo del tubo. El potencial de alto voltaje se encuentra entre el cátodo y el ánodo, por lo que los electrones se aceleran y luego chocan contra el ánodo. ^{[ cita requerida ]}

Existen dos diseños: tubos con ventana en el extremo y tubos con ventana lateral. Los tubos con ventana en el extremo suelen tener un "objetivo de transmisión" que es lo suficientemente fino como para permitir que los rayos X pasen a través del objetivo (los rayos X se emiten en la misma dirección en la que se mueven los electrones). En un tipo común de tubo con ventana en el extremo, el filamento está alrededor del ánodo ("anular" o en forma de anillo), los electrones tienen una trayectoria curva (la mitad de un toroide). ^{[ cita requerida ]}

Lo especial de los tubos de ventana lateral es que se utiliza una lente electrostática para enfocar el haz sobre un punto muy pequeño en el ánodo. El ánodo está especialmente diseñado para disipar el calor y el desgaste resultantes de este intenso bombardeo concentrado de electrones. El ánodo está en un ángulo preciso de 1 a 20 grados con respecto a la corriente de electrones para permitir el escape de algunos de los fotones de rayos X que se emiten perpendicularmente a la dirección de la corriente de electrones. El ánodo suele estar hecho de tungsteno o molibdeno. El tubo tiene una ventana diseñada para el escape de los fotones de rayos X generados. ^{[ cita requerida ]}

La potencia de un tubo Coolidge suele oscilar entre 0,1 y 18 kW . ^{[ cita requerida ]}

En el punto focal (el área donde incide el haz de electrones proveniente del cátodo) de un ánodo estacionario se genera una cantidad considerable de calor. En cambio, un ánodo giratorio permite que el haz de electrones recorra un área más grande del ánodo, lo que redime la ventaja de una mayor intensidad de radiación emitida, junto con un daño reducido al ánodo en comparación con su estado estacionario. ^[9]

La temperatura del punto focal puede alcanzar los 2500 °C (4530 °F) durante una exposición, y el conjunto del ánodo puede alcanzar los 1000 °C (1830 °F) después de una serie de grandes exposiciones. Los ánodos típicos son un objetivo de tungsteno-renio sobre un núcleo de molibdeno, con respaldo de grafito. El renio hace que el tungsteno sea más dúctil y resistente al desgaste por el impacto de los haces de electrones. El molibdeno conduce el calor desde el objetivo. El grafito proporciona almacenamiento térmico para el ánodo y minimiza la masa giratoria del ánodo.

Algunos exámenes con rayos X (como, por ejemplo, los ensayos no destructivos y la microtomografía 3D ) requieren imágenes de muy alta resolución y, por lo tanto, requieren tubos de rayos X que puedan generar tamaños de punto focal muy pequeños, generalmente inferiores a 50 μm de diámetro. Estos tubos se denominan tubos de rayos X de microfoco. ^{[ cita requerida ]}

Existen dos tipos básicos de tubos de rayos X de microfoco: tubos de ánodo sólido y tubos de ánodo de chorro metálico. ^{[ cita requerida ]}

Los tubos de rayos X de microfoco de ánodo sólido son, en principio, muy similares al tubo Coolidge, pero con la importante distinción de que se ha tenido cuidado de poder enfocar el haz de electrones en un punto muy pequeño en el ánodo. Muchas fuentes de rayos X de microfoco funcionan con puntos de enfoque en el rango de 5 a 20 μm, pero en casos extremos pueden producirse puntos más pequeños que 1 μm. ^{[ cita requerida ]}

La principal desventaja de los tubos de rayos X de microfoco de ánodo sólido es su muy baja potencia de funcionamiento. Para evitar la fusión del ánodo, la densidad de potencia del haz de electrones debe ser inferior a un valor máximo. Este valor se encuentra en algún lugar en el rango de 0,4-0,8 W/μm dependiendo del material del ánodo. ^[10] Esto significa que una fuente de microfoco de ánodo sólido con un foco de haz de electrones de 10 μm puede funcionar a una potencia en el rango de 4-8 W.

En los tubos de rayos X con microfoco de ánodo de chorro metálico , el ánodo de metal sólido se reemplaza por un chorro de metal líquido, que actúa como el objetivo del haz de electrones. La ventaja del ánodo de chorro metálico es que la densidad máxima de potencia del haz de electrones aumenta significativamente. Se han reportado valores en el rango de 3-6 W/μm para diferentes materiales de ánodo (galio y estaño). ^{[11] [12]} En el caso de un foco de haz de electrones de 10 μm, una fuente de rayos X con microfoco de ánodo de chorro metálico puede operar a 30-60 W.

La principal ventaja del mayor nivel de densidad de potencia para el tubo de rayos X de chorro de metal es la posibilidad de operar con un punto focal más pequeño, digamos 5 μm, para aumentar la resolución de la imagen y al mismo tiempo adquirir la imagen más rápido, ya que la potencia es mayor (15-30 W) que para los tubos de ánodo sólido con puntos focales de 10 μm.

Cualquier tubo de vacío que funcione a varios miles de voltios o más puede producir rayos X como subproducto no deseado, lo que plantea problemas de seguridad. ^{[13] [14]} Cuanto mayor sea el voltaje, más penetrante será la radiación resultante y mayor será el peligro. Las pantallas CRT , alguna vez comunes en televisores en color y pantallas de computadora, funcionan a 3-40 kilovoltios según el tamaño, ^[15] lo que las convierte en la principal preocupación entre los electrodomésticos. Históricamente, la preocupación se ha centrado menos en el tubo de rayos catódicos , ya que su envoltura de vidrio grueso está impregnada con varias libras de plomo para blindaje, que en los tubos rectificadores y reguladores de voltaje de alto voltaje (HV) dentro de los televisores anteriores. A fines de la década de 1960 se descubrió que una falla en el circuito de suministro de HV de algunos televisores General Electric podría dejar voltajes excesivos en el tubo regulador, lo que provoca que emita rayos X. Los modelos fueron retirados del mercado y el escándalo que siguió provocó que la agencia estadounidense encargada de regular este peligro, el Centro de Dispositivos y Salud Radiológica de la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA), exigiera que todos los televisores incluyeran circuitos para evitar voltajes excesivos en caso de avería. ^[16] El peligro asociado a los voltajes excesivos se eliminó con la llegada de los televisores totalmente de estado sólido , que no tienen otros tubos que el CRT. Desde 1969, la FDA ha limitado la emisión de rayos X de los televisores a 0,5 mR ( miliroentgen ) por hora. A medida que otras tecnologías de pantallas avanzaron, a partir de la década de 1990, la producción de CRT se fue eliminando poco a poco. Estas otras tecnologías, como LED , LCD y OLED , son incapaces de producir rayos X debido a la falta de un transformador de alto voltaje. ^[17]

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Tubos de rayos X .

• Tomografía por haz de electrones
• Angiografía coronaria
• Radiación de sincrotrón
• Fluorescencia de rayos X
• Generador de rayos X
• sello de vidrio a metal

• Coolidge , patente estadounidense 1.211.092 , " Tubo de rayos X "
• Langmuir , patente estadounidense 1.251.388 , " Método y aparato para controlar tubos de rayos X"
• Coolidge, patente estadounidense 1.917.099 , " Tubo de rayos X "
• Coolidge, patente estadounidense 1.946.312 , " Tubo de rayos X "

• Tubo de rayos X: radiografía de un tubo de rayos X
• El sitio del tubo de rayos catódicos
• Sociedad de Ciencias Radiológicas del Estado de Nueva York
• Colección de tubos de rayos X de Grzegorz Jezierski de Polonia
• Excillum AB, fabricante de tubos de rayos X de microfoco con ánodo de chorro de metal
• Ejemplo de cómo funcionan los tubos de rayos X.