Tubo de raios X - X-ray tube

Um tubo de raios-X é um tubo de vácuo que converte a energia elétrica de entrada em raios-X . A disponibilidade dessa fonte controlável de raios-X criou o campo da radiografia , a geração de imagens de objetos parcialmente opacos com radiação penetrante . Em contraste com outras fontes de radiação ionizante, os raios X são produzidos apenas enquanto o tubo de raios X estiver energizado. Os tubos de raios-X também são usados ​​em tomógrafos , scanners de bagagem em aeroportos, cristalografia de raios-X , análise de materiais e estruturas e para inspeção industrial.

A crescente demanda por sistemas de angiografia e tomografia computadorizada (TC) de alto desempenho impulsionou o desenvolvimento de tubos médicos de raios-X de alto desempenho.

Tubo de raios X de Coolidge, por volta de 1917. O cátodo aquecido fica à esquerda e o ânodo à direita. Os raios X são emitidos para baixo.

História

Os tubos de raios X evoluíram de tubos experimentais de Crookes com os quais os raios X foram descobertos pela primeira vez em 8 de novembro de 1895, pelo físico alemão Wilhelm Conrad Röntgen . Esses tubos de cátodo frio de primeira geração ou de raios-X de Crookes foram usados ​​até a década de 1920. O tubo de Crookes foi aprimorado por William Coolidge em 1913. O tubo de Coolidge , também chamado de tubo catódico quente , é o mais amplamente utilizado. Ele funciona com um vácuo de muito boa qualidade (cerca de 10 −4 Pa ou 10 −6 Torr).

Até o final da década de 1980, os geradores de raios-X eram meramente fontes de alimentação variável CA a CC de alta tensão. No final da década de 1980, um método diferente de controle estava surgindo, denominado comutação de alta velocidade. Isso seguiu a tecnologia eletrônica de comutação de fontes de alimentação (também conhecida como fonte de alimentação comutada ) e permitiu um controle mais preciso da unidade de raios-X, resultados de maior qualidade e exposições reduzidas aos raios-X.

Física

Espectro de raios X emitido por um tubo de raios X com alvo de ródio , operado a 60 kV . A curva suave e contínua é devida a bremsstrahlung , e as pontas são linhas K características para átomos de ródio.

Como acontece com qualquer tubo de vácuo , existe um cátodo , que emite elétrons no vácuo e um ânodo para coletar os elétrons, estabelecendo assim um fluxo de corrente elétrica, conhecido como feixe , através do tubo. Uma fonte de energia de alta tensão , por exemplo, 30 a 150 quilovolts (kV), chamada de tensão do tubo , é conectada através do cátodo e do ânodo para acelerar os elétrons. O espectro de raios X depende do material do ânodo e da tensão de aceleração.

Os elétrons do cátodo colidem com o material do ânodo, geralmente tungstênio , molibdênio ou cobre , e aceleram outros elétrons, íons e núcleos dentro do material do ânodo. Cerca de 1% da energia gerada é emitida / irradiada, geralmente perpendicular ao caminho do feixe de elétrons, como raios-X. O resto da energia é liberado como calor. Com o tempo, o tungstênio será depositado do alvo na superfície interna do tubo, incluindo a superfície do vidro. Isso escurecerá lentamente o tubo e pode degradar a qualidade do feixe de raios-X. O tungstênio vaporizado condensa no interior do envelope sobre a "janela" e, portanto, atua como um filtro adicional e diminui a capacidade dos tubos de irradiar calor. Eventualmente, o depósito de tungstênio pode se tornar suficientemente condutivo para que, em tensões altas o suficiente, ocorra o arco elétrico. O arco vai saltar do cátodo para o depósito de tungstênio e, em seguida, para o ânodo. Esse arco causa um efeito chamado " fissura " no vidro interno da janela de raios-X. Com o passar do tempo, a válvula torna-se instável mesmo em tensões mais baixas e deve ser substituída. Nesse ponto, o conjunto de tubo (também chamado de "cabeça do tubo") é removido do sistema de raios-X e substituído por um novo conjunto de tubo. O antigo conjunto de tubo é enviado para uma empresa que o recarrega com um novo tubo de raios-X.

O efeito gerador de fótons de raios-X é geralmente chamado de efeito bremsstrahlung , uma contração do alemão bremsen que significa frear e Strahlung significa radiação .

A faixa de energias fotônicas emitidas pelo sistema pode ser ajustada alterando a voltagem aplicada e instalando filtros de alumínio de espessuras variadas. Filtros de alumínio são instalados no caminho do feixe de raios-X para remover radiação "suave" (não penetrante). O número de fótons de raios-X emitidos, ou dose, são ajustados controlando o fluxo atual e o tempo de exposição.

Liberação de Calor

O calor é produzido no ponto focal do ânodo. Como uma pequena fração (menor ou igual a 1%) da energia do elétron é convertida em raios X, ela pode ser ignorada nos cálculos de calor. A quantidade de calor produzida (em Joule) no ponto focal é dada por:

sendo o fator de forma de onda
= pico de tensão CA (em Volts)
= corrente do tubo (em mili Amperes)
= tempo de exposição (em segundos)

A Unidade de Calor (HU) foi usada no passado como uma alternativa ao Joule. É uma unidade conveniente quando uma fonte de alimentação monofásica é conectada ao tubo de raios-X. Com uma retificação de onda completa de uma onda senoidal , = , assim, a unidade de calor:

1 HU = 0,707 J
1,4 HU = 1 J

Tipos

Tubo de Crookes (tubo catódico frio)

Tubo de raios-X de Crookes do início do século XX. O cátodo está à direita, o ânodo está no centro com dissipador de calor anexado à esquerda. O eletrodo na posição de 10 horas é o anticátodo. O dispositivo na parte superior é um 'amaciante' usado para regular a pressão do gás.

Os tubos de Crookes geraram os elétrons necessários para criar os raios-X por ionização do ar residual no tubo, em vez de um filamento aquecido , de modo que foram parcialmente, mas não completamente, evacuados . Eles consistiam em um bulbo de vidro com pressão atmosférica de ar em torno de 10 −6 a 5 × 10 −8 (0,1 a 0,005 Pa ). Eles tinham uma placa de cátodo de alumínio em uma extremidade do tubo e um ânodo de platina na outra extremidade. A superfície do ânodo foi inclinada de forma que os raios X irradiariam através da lateral do tubo. O cátodo era côncavo para que os elétrons estivessem focados em um pequeno ponto (~ 1 mm) no ânodo, aproximando-se de uma fonte pontual de raios-X, o que resultou em imagens mais nítidas. O tubo tinha um terceiro eletrodo, um anticátodo conectado ao ânodo. Melhorou a produção de raios-X, mas o método pelo qual conseguiu isso não é conhecido. Um arranjo mais comum usava um anticátodo de placa de cobre (semelhante em construção ao cátodo) alinhado com o ânodo de forma que o ânodo ficasse entre o cátodo e o anticátodo.

Para operar, uma tensão DC de alguns quilovolts até 100 kV foi aplicada entre os ânodos e o cátodo, geralmente gerada por uma bobina de indução , ou para tubos maiores, uma máquina eletrostática .

Os tubos de Crookes não eram confiáveis. Com o passar do tempo, o ar residual seria absorvido pelas paredes do tubo, reduzindo a pressão. Isso aumentou a voltagem através do tubo, gerando raios X 'mais fortes', até que finalmente o tubo parou de funcionar. Para evitar isso, foram usados ​​dispositivos 'amaciantes' (veja a imagem). Um pequeno tubo conectado à lateral do tubo principal continha uma luva de mica ou produto químico que liberava uma pequena quantidade de gás quando aquecido, restaurando a pressão correta.

O envelope de vidro do tubo escurecia durante o uso devido aos raios X que afetavam sua estrutura.

Tubo Coolidge (tubo catódico quente)

Tubo de janela lateral de Coolidge (esquema)
  • C: filamento / cátodo (-)
  • A: ânodo (+)
  • W in e W out : entrada e saída de água do dispositivo de resfriamento

No tubo de Coolidge, os elétrons são produzidos por efeito termiônico a partir de um filamento de tungstênio aquecido por uma corrente elétrica. O filamento é o cátodo do tubo. O potencial de alta tensão está entre o cátodo e o ânodo, os elétrons são então acelerados e, em seguida, atingem o ânodo.

Existem dois designs: tubos de janela final e tubos de janela lateral. Os tubos da janela final geralmente têm "alvo de transmissão", que é fino o suficiente para permitir que os raios X passem pelo alvo (os raios X são emitidos na mesma direção em que os elétrons se movem). Em um tipo comum de tubo da janela final, o filamento está ao redor do ânodo ("anular" ou em forma de anel), os elétrons têm um caminho curvo (metade de um toroide).

O que é especial sobre os tubos das janelas laterais é que uma lente eletrostática é usada para focar o feixe em um ponto muito pequeno no ânodo. O ânodo é especialmente projetado para dissipar o calor e o desgaste resultantes dessa intensa barragem de elétrons focalizada. O ânodo é precisamente inclinado em 1-20 graus perpendicular à corrente do elétron, de modo a permitir o escape de alguns dos fótons de raios-X que são emitidos perpendicularmente à direção da corrente do elétron. O ânodo geralmente é feito de tungstênio ou molibdênio. O tubo possui uma janela projetada para o escape dos fótons de raios-X gerados.

A potência de um tubo Coolidge geralmente varia de 0,1 a 18 kW .

Tubo anódico rotativo

Esquema de tubo anódico rotativo simplificado
  • R: Ânodo
  • C: cátodo
  • T: Alvo ânodo
  • W: janela de raio-x
tubo de raios-X de ânodo rotativo típico

Uma quantidade considerável de calor é gerada no ponto focal (a área para onde o feixe de elétrons vindo do cátodo atinge) de um ânodo estacionário. Em vez disso, um ânodo rotativo permite que o feixe de elétrons varra uma área maior do ânodo, resgatando assim a vantagem de uma maior intensidade de radiação emitida, juntamente com danos reduzidos ao ânodo em comparação com seu estado estacionário.

A temperatura do ponto focal pode atingir 2.500 ° C (4.530 ° F) durante uma exposição, e o conjunto do ânodo pode chegar a 1.000 ° C (1.830 ° F) após uma série de grandes exposições. Ânodos típicos são um alvo de tungstênio-rênio em um núcleo de molibdênio, apoiado em grafite. O rênio torna o tungstênio mais dúctil e resistente ao desgaste pelo impacto dos feixes de elétrons. O molibdênio conduz o calor do alvo. O grafite fornece armazenamento térmico para o ânodo e minimiza a massa giratória do ânodo.

Tubo de raio-x microfoco

Alguns exames de raios-X (como, por exemplo, testes não destrutivos e microtomografia 3-D ) precisam de imagens de resolução muito alta e, portanto, requerem tubos de raios-X que podem gerar tamanhos de pontos focais muito pequenos, normalmente abaixo de 50 µm de diâmetro. Esses tubos são chamados de tubos de raios-X microfocus.

Existem dois tipos básicos de tubos de raios X de microfoco: tubos de ânodo sólido e tubos de ânodo de jato de metal.

Os tubos de raios X de microfoco com ânodo sólido são, em princípio, muito semelhantes ao tubo de Coolidge, mas com a importante distinção de que foi tomado cuidado para ser capaz de focar o feixe de elétrons em um ponto muito pequeno no ânodo. Muitas fontes de raios-X de microfoco operam com pontos de foco na faixa de 5-20 μm, mas em casos extremos podem ser produzidos pontos menores que 1 μm.

A principal desvantagem dos tubos de raios X de microfoco com ânodo sólido é a potência muito baixa com que operam. Para evitar a fusão do ânodo, a densidade de potência do feixe de elétrons deve estar abaixo de um valor máximo. Este valor está em algum lugar na faixa de 0,4-0,8 W / μm, dependendo do material do ânodo. Isso significa que uma fonte de microfoco de ânodo sólido com um foco de feixe de elétrons de 10 μm pode operar a uma potência na faixa de 4-8 W.

Em tubos de raios X de microfoco com ânodo de jato de metal, o ânodo de metal sólido é substituído por um jato de metal líquido, que atua como o alvo do feixe de elétrons. A vantagem do ânodo de jato de metal é que a densidade de potência máxima do feixe de elétrons é significativamente aumentada. Valores na faixa de 3-6 W / μm foram relatados para diferentes materiais anódicos (gálio e estanho). No caso de um foco de feixe de elétrons de 10 μm, uma fonte de raios-X de microfoco de ânodo de jato de metal pode operar a 30-60 W.

O principal benefício do aumento do nível de densidade de potência para o tubo de raios-X de jato de metal é a possibilidade de operar com um ponto focal menor, digamos 5 μm, para aumentar a resolução da imagem e ao mesmo tempo adquirir a imagem mais rápido, já que a potência é maior (15-30 W) do que para tubos de ânodo sólido com pontos focais de 10 μm.

Riscos da produção de raios-X a partir de tubos de vácuo

Dois tubos retificadores de alta tensão capazes de produzir raios-X

Qualquer tubo de vácuo operando em vários milhares de volts ou mais pode produzir raios-X como um subproduto indesejado, levantando questões de segurança. Quanto mais alta for a voltagem, mais penetrante será a radiação resultante e maior será o perigo. Os monitores CRT , antes comuns em televisões coloridas e monitores de computador, operam com 3-40 quilovolts , tornando-os a principal preocupação entre os eletrodomésticos. Historicamente, a preocupação tem se concentrado menos no tubo de raios catódicos , uma vez que seu envelope de vidro espesso é impregnado com vários quilos de chumbo para blindagem, do que nos retificadores de alta tensão (AT) e tubos reguladores de tensão internos. No final da década de 1960, descobriu-se que uma falha no circuito de alimentação de alta tensão de algumas TVs da General Electric poderia deixar tensões excessivas no tubo regulador, fazendo com que ele emita raios-X. Os modelos foram recolhidos e o escândalo que se seguiu fez com que a agência dos Estados Unidos responsável por regulamentar esse risco, o Centro de Dispositivos e Saúde Radiológica da Food and Drug Administration (FDA), exigisse que todas as TVs incluíssem circuitos para evitar tensões excessivas no caso de falha. O perigo associado a tensões excessivas foi eliminado com o advento das TVs totalmente de estado sólido , que não possuem tubos além do CRT. Desde 1969, o FDA limitou a emissão de raios-X da TV a 0,5 mR ( miliroentgen ) por hora. Com a mudança dos CRTs para outras tecnologias de tela a partir da década de 1990, não há tubos de vácuo capazes de emitir raios-X.

Veja também

Patentes

Referências

links externos