Tubo de rayos-x - X-ray tube

Un tubo de rayos X es un tubo de vacío que potencia convierte la entrada eléctrica en los rayos X . La disponibilidad de esta fuente controlable de rayos X creó el campo de la radiografía , la formación 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 tomografía computarizada , 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 exploración por tomografía computarizada (TC) de alto rendimiento ha impulsado el desarrollo de tubos de rayos X médicos de muy alto rendimiento.

Tubo de rayos X de Coolidge, de alrededor de 1917. El cátodo calentado está a la izquierda y el ánodo a la derecha. Los rayos X se emiten hacia abajo.

Historia

Los tubos de rayos X evolucionaron a partir de 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 . Estos tubos de rayos X de cátodo frío o Crookes de primera generación se utilizaron hasta la década de 1920. El tubo de Crookes fue mejorado por William Coolidge en 1913. El tubo de Coolidge , también llamado tubo de cátodo caliente , es el más utilizado. Funciona con un vacío de muy buena calidad (alrededor de 10 −4 Pa, o 10 −6 Torr).

Hasta finales de la década de 1980, los generadores de rayos X eran simplemente fuentes de alimentación variables de CA a CC de alto voltaje. A finales de la década de 1980, estaba surgiendo un método de control diferente, llamado conmutación de alta velocidad. Esto siguió la tecnología electrónica de fuentes de alimentación conmutadas (también conocida como fuente de alimentación conmutada ) y permitió un control más preciso de la unidad de rayos X, resultados de mayor calidad y exposiciones reducidas a los rayos X.

Física

Espectro de los rayos X emitidos por un tubo de rayos X con un objetivo de rodio , operado a 60 kV . La curva suave y continua se debe a bremsstrahlung , y los picos son líneas K características de los átomos de rodio.

Al igual que con cualquier tubo de vacío , hay un cátodo , que emite electrones al vacío y un ánodo para recolectar 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.

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, normalmente perpendicular a la trayectoria del haz de electrones, en forma de rayos X. El resto de la energía se libera en forma de calor. Con el tiempo, el tungsteno se depositará desde el objetivo sobre la superficie interior del tubo, incluida la superficie del vidrio. Esto oscurecerá lentamente el tubo y se pensó que degradaría 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 de los tubos para irradiar calor. Con el tiempo, 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 produce un efecto llamado " agrietamiento " en el vidrio interior de la ventana de rayos X. A medida que pasa el tiempo, el tubo se vuelve inestable incluso a voltajes más bajos y debe ser reemplazado. En este punto, el conjunto del tubo (también llamado "cabezal del tubo") se retira del sistema de rayos X y se reemplaza por un nuevo conjunto de tubo. El conjunto de tubo antiguo se envía a una empresa que lo recarga con un tubo de rayos X nuevo.

El efecto generador de fotones de rayos X se denomina generalmente efecto bremsstrahlung , una contracción del alemán bremsen que significa freno y Strahlung que significa radiación .

El rango de energías fotónicas emitidas por el sistema se puede ajustar cambiando el voltaje aplicado e instalando filtros de aluminio de diferentes espesores. Se instalan filtros de aluminio en la trayectoria del haz de rayos X para eliminar la radiación "suave" (no penetrante). El número de fotones de rayos X emitidos, o dosis, se ajusta controlando el flujo de corriente y el tiempo de exposición.

Calor liberado

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

siendo el factor de forma de onda
= voltaje de CA pico (en voltios)
= corriente del tubo (en mili amperios)
= tiempo de exposición (en segundos)

La unidad de calor (HU) se utilizó en el pasado como una alternativa a Joule. Es una unidad conveniente cuando se conecta una fuente de alimentación monofásica al tubo de rayos X. Con una rectificación de onda completa de una onda sinusoidal , = , por lo tanto, la unidad de calor:

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

Tipos

Tubo de Crookes (tubo de cátodo frío)

Tubo de rayos X de Crookes de principios de 1900. El cátodo está a la derecha, el ánodo está en el centro con el disipador de calor adjunto a la izquierda. El electrodo en la posición de las 10 en punto es el anticatodo. El dispositivo en la parte superior es un "ablandador" que se utiliza para regular la presión del gas.

Los tubos de Crookes generaron los electrones necesarios para crear rayos X por ionización del aire residual en el tubo, en lugar de un filamento calentado , por lo que fueron evacuados parcial pero no completamente . Consistían en un bulbo de vidrio con alrededor de 10 −6 a 5x10 −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 inclinada para que los rayos X irradien a través del lado 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 resultó en imágenes más nítidas. El tubo tenía un tercer electrodo, un anticatodo conectado al ánodo. Mejoró la salida de rayos X, pero no se comprende el método por el cual lo logró. Una disposición más común usaba un anticatódo de placa de cobre (similar en construcción al cátodo) en línea con el ánodo de manera que el ánodo estaba entre el cátodo y el anticatodo.

Para operar, un DC de tensión de pocos kilovoltios a tanto como 100 kV se aplicó entre los ánodos y el cátodo, generalmente generada por un bobina de inducción , o para los tubos más grandes, una máquina electrostática .

Los tubos de Crookes no eran fiables. Con el paso del tiempo, el aire residual sería absorbido por las paredes del tubo, reduciendo la presión. Esto aumentó el voltaje a través del tubo, generando rayos X "más duros", hasta que finalmente el tubo dejó de funcionar. Para evitar esto, se utilizaron dispositivos 'suavizantes' (ver imagen). Un pequeño tubo unido al costado del tubo principal contenía una manga de mica o un producto químico que liberaba una pequeña cantidad de gas cuando se calentaba, restaurando la presión correcta.

La envoltura de vidrio del tubo se ennegrece con el uso debido a que los rayos X afectan su estructura.

Tubo Coolidge (tubo de cátodo caliente)

Tubo de ventana lateral Coolidge (esquema)
  • C: filamento / cátodo (-)
  • A: ánodo (+)
  • W in y W out : entrada y salida de agua del dispositivo de refrigeración

En el tubo Coolidge, los electrones se producen por efecto termoiónico 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 golpean el ánodo.

Hay dos diseños: tubos de ventana de extremo y tubos de ventana lateral. Los tubos de la ventana final generalmente tienen un "objetivo de transmisión" que es lo suficientemente delgado como para permitir que los rayos X pasen a través del objetivo (los rayos X se emiten en la misma dirección en que se mueven los electrones). En un tipo común de tubo de la ventana final, el filamento está alrededor del ánodo ("anular" o en forma de anillo), los electrones tienen una trayectoria curva (la mitad de un toroide).

Lo que tienen de especial los tubos de las ventanas laterales es que se utiliza una lente electrostática para enfocar el haz en un punto muy pequeño del ánodo. El ánodo está especialmente diseñado para disipar el calor y el desgaste resultantes de este intenso aluvión de electrones enfocado. El ánodo tiene un ángulo exacto de 1-20 grados fuera de la perpendicular 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 escapar de los fotones de rayos X generados.

La potencia de un tubo Coolidge suele oscilar entre 0,1 y 18 kW .

Tubo de ánodo giratorio

Esquema simplificado del tubo de ánodo giratorio
  • A: ánodo
  • C: cátodo
  • T: objetivo de ánodo
  • W: ventana de rayos X
tubo de rayos X de ánodo giratorio típico

Se genera una cantidad considerable de calor en el punto focal (el área donde golpea el haz de electrones provenientes del cátodo) de un ánodo estacionario. Más bien, un ánodo giratorio permite que el haz de electrones barra un área más grande del ánodo, redimiendo así la ventaja de una mayor intensidad de radiación emitida, junto con un daño reducido al ánodo en comparación con su estado estacionario.

La temperatura del punto focal puede alcanzar los 2.500 ° C (4.530 ° F) durante una exposición, y el conjunto del ánodo puede alcanzar los 1.000 ° C (1.830 ° F) después de una serie de exposiciones grandes. Los ánodos típicos son un objetivo de tungsteno-renio sobre un núcleo de molibdeno, respaldado con 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 del objetivo. El grafito proporciona almacenamiento térmico para el ánodo y minimiza la masa giratoria del ánodo.

Tubo de rayos X de microfoco

Algunos exámenes de rayos X (como, por ejemplo, las pruebas no destructivas y la microtomografía 3D ) necesitan imágenes de muy alta resolución y, por lo tanto, requieren tubos de rayos X que puedan generar tamaños de puntos focales muy pequeños, generalmente por debajo de 50 μm de diámetro. Estos tubos se denominan tubos de rayos X de microfoco.

Hay dos tipos básicos de tubos de rayos X de microenfoque: tubos de ánodo sólido y tubos de ánodo de chorro de metal.

Los tubos de rayos X de microenfoque de ánodo sólido son, en principio, muy similares al tubo de Coolidge, pero con la importante distinción de que se ha tenido cuidado para poder enfocar el haz de electrones en un punto muy pequeño del 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 de menos de 1 μm.

El principal inconveniente de los tubos de rayos X de microenfoque de ánodo sólido es la muy baja potencia a la que operan. Para evitar la fusión del ánodo, la densidad de potencia del haz de electrones debe estar por debajo de un valor máximo. Este valor está en algún lugar en el rango de 0.4-0.8 W / μm dependiendo del material del ánodo. Esto significa que una fuente de microenfoque de ánodo sólido con un foco de haz de electrones de 10 μm puede operar a una potencia en el rango de 4-8 W.

En los tubos de rayos X de microenfoque de ánodo de chorro de metal, 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 de metal es que la densidad de potencia máxima del haz de electrones aumenta significativamente. Se han informado valores en el rango de 3-6 W / μm para diferentes materiales de ánodos (galio y estaño). En el caso de un foco de haz de electrones de 10 μm, una fuente de rayos X de microenfoque de ánodo de chorro de metal puede funcionar a 30-60 W.

El principal beneficio 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.

Peligros de la producción de rayos X a partir de tubos de vacío

Dos tubos rectificadores de alto voltaje capaces de producir rayos X

Cualquier tubo de vacío que funcione a varios miles de voltios o más puede producir rayos X como un subproducto no deseado, lo que plantea problemas de seguridad. Cuanto mayor sea el voltaje, más penetrante será la radiación resultante y mayor será el peligro. Las pantallas CRT , que alguna vez fueron comunes en televisores en color y pantallas de computadora, funcionan a entre 3 y 40 kilovoltios , 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 gruesa envoltura de vidrio está impregnada con varias libras de plomo para blindaje, que en los tubos rectificadores de alto voltaje (HV) y reguladores de voltaje en el interior. A fines de la década de 1960, se descubrió que una falla en el circuito de suministro de alta tensión de algunos televisores de General Electric podía dejar voltajes excesivos en el tubo regulador, provocando que emitiera rayos X. Los modelos fueron retirados del mercado y el escándalo resultante provocó que la agencia estadounidense responsable de regular este peligro, el Centro de Dispositivos y Salud Radiológica de la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA), exigiera que todos los televisores incluyan circuitos para evitar voltajes excesivos en caso de falla. El peligro asociado con voltajes excesivos se eliminó con el advenimiento 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 TV a 0,5 mR ( miliroentgen ) por hora. Con el cambio de los CRT a otras tecnologías de pantalla a partir de la década de 1990, no hay tubos de vacío capaces de emitir rayos X en absoluto.

Ver también

Patentes

Referencias

enlaces externos