Os raios X são criados convertendo a energia do elétron em fótons, que ocorre em um tubo de raios X. A quantidade (exposição) e a qualidade (espectro) da radiação podem ser ajustadas alterando a corrente, tensão e tempo de operação do dispositivo.
Princípio de funcionamento
Os tubos de raios X (a foto é dada no artigo) são conversores de energia. Eles o retiram da rede e o transformam em outras formas - radiação penetrante e calor, sendo este último um subproduto indesejável. O design do tubo de raios X maximiza a produção de fótons e dissipa o calor o mais rápido possível.
Um tubo é um dispositivo relativamente simples, geralmente contendo dois elementos fundamentais - um cátodo e um ânodo. Quando a corrente flui do cátodo para o ânodo, os elétrons perdem energia, o que resulta na geração de raios X.
Anodo
O ânodo é o componente que emitefótons de alta energia. Este é um elemento de metal relativamente massivo que está conectado ao pólo positivo do circuito elétrico. Executa duas funções principais:
- converte a energia do elétron em raios X,
- dissipa calor.
O material do ânodo é escolhido para aprimorar essas funções.
Idealmente, a maioria dos elétrons deve formar fótons de alta energia, não calor. A fração de sua energia total que é convertida em raios X (eficiência) depende de dois fatores:
- número atômico (Z) do material do ânodo,
- energia dos elétrons.
A maioria dos tubos de raios X utiliza como material anódico o tungstênio, que possui número atômico 74. Além de possuir um Z grande, esse metal possui algumas outras características que o tornam adequado para essa finalidade. O tungstênio é único em sua capacidade de reter força quando aquecido, possui alto ponto de fusão e baixa taxa de evaporação.
Por muitos anos, o ânodo foi feito de tungstênio puro. Nos últimos anos, uma liga desse metal com rênio começou a ser usada, mas apenas na superfície. O próprio ânodo sob o revestimento de tungstênio-rênio é feito de um material leve que armazena bem o calor. Duas dessas substâncias são molibdênio e grafite.
Os tubos de raios X usados para mamografia são feitos com um ânodo revestido de molibdênio. Este material possui um número atômico intermediário (Z=42) que gera fótons característicos com energias convenientes parapara tirar fotos do peito. Alguns aparelhos de mamografia também possuem um segundo ânodo feito de ródio (Z=45). Isso permite aumentar a energia e obter maior penetração para seios apertados.
O uso de liga de rênio-tungstênio melhora a emissão de radiação a longo prazo - com o tempo, a eficiência dos dispositivos de ânodo de tungstênio puro diminui devido a danos térmicos na superfície.
A maioria dos ânodos tem o formato de discos chanfrados e são conectados a um eixo de motor elétrico que os gira em velocidades relativamente altas enquanto emite raios-X. O objetivo da rotação é remover o calor.
Ponto focal
Nem todo o ânodo está envolvido na geração de raios X. Ocorre em uma pequena área de sua superfície - um ponto focal. As dimensões deste último são determinadas pelas dimensões do feixe de elétrons vindo do cátodo. Na maioria dos dispositivos, tem formato retangular e varia entre 0,1-2 mm.
Os tubos de raios X são projetados com um tamanho de ponto focal específico. Quanto menor, menos desfoque e mais nítida a imagem, e quanto maior, melhor dissipação de calor.
O tamanho do ponto focal é um dos fatores a serem considerados na escolha dos tubos de raios X. Os fabricantes produzem dispositivos com pequenos pontos focais quando é necessário obter alta resolução e radiação suficientemente baixa. Por exemplo, isso é necessário ao examinar partes pequenas e finas do corpo, como na mamografia.
Os tubos de raios X são produzidos principalmente com dois tamanhos de pontos focais, grande e pequeno, que podem ser selecionados pelo operador de acordo com o procedimento de imagem.
Catodo
A principal função do cátodo é gerar elétrons e coletá-los em um feixe direcionado ao ânodo. Via de regra, consiste em uma pequena espiral de arame (fio) imersa em uma depressão em forma de taça.
Elétrons que passam pelo circuito geralmente não podem deixar o condutor e ir para o espaço livre. No entanto, eles podem fazê-lo se tiverem energia suficiente. Em um processo conhecido como emissão térmica, o calor é usado para expelir elétrons do cátodo. Isso se torna possível quando a pressão no tubo de raios X evacuado atinge 10-6–10-7 mmHg. Arte. O filamento aquece da mesma forma que o filamento de uma lâmpada incandescente quando a corrente passa por ele. O funcionamento do tubo de raios X é acompanhado pelo aquecimento do cátodo até a temperatura de incandescência com o deslocamento de parte dos elétrons dele por energia térmica.
Balão
O ânodo e o cátodo estão contidos em um recipiente hermeticamente fechado. O balão e seu conteúdo são frequentemente chamados de inserto, que tem vida útil limitada e pode ser substituído. Os tubos de raios-X têm principalmente lâmpadas de vidro, embora as lâmpadas de metal e cerâmica sejam usadas para algumas aplicações.
A principal função do balão é fornecer suporte e isolamento para o ânodo e cátodo e manter o vácuo. Pressão no tubo de raios X evacuadoa 15°C é 1,2 10-3 Pa. A presença de gases no balão permitiria que a eletricidade fluísse livremente pelo dispositivo, e não apenas na forma de um feixe de elétrons.
Caso
O projeto do tubo de raios X é tal que, além de envolver e suportar outros componentes, seu corpo serve como escudo e absorve a radiação, exceto o feixe útil que passa pela janela. Sua superfície externa relativamente grande dissipa grande parte do calor gerado dentro do dispositivo. O espaço entre o corpo e o inserto é preenchido com óleo para isolamento e resfriamento.
Corrente
Um circuito elétrico conecta o tubo a uma fonte de energia chamada gerador. A fonte recebe energia da rede elétrica e converte a corrente alternada em corrente contínua. O gerador também permite ajustar alguns parâmetros do circuito:
- KV - tensão ou potencial elétrico;
- MA é a corrente que flui através do tubo;
- S – duração ou tempo de exposição, em frações de segundo.
O circuito fornece o movimento dos elétrons. Eles são carregados com energia, passando pelo gerador, e a entregam ao ânodo. À medida que se movem, ocorrem duas transformações:
- energia elétrica potencial é convertida em energia cinética;
- cinética, por sua vez, é convertida em raios X e calor.
Potencial
Quando os elétrons entram na lâmpada, eles têm energia elétrica potencial, cuja quantidade é determinada pela tensão KV entre o ânodo e o cátodo. Funcionamento do tubo de raios Xsob tensão, para criar 1 KV do qual cada partícula deve ter 1 keV. Ajustando KV, o operador dota cada elétron com uma certa quantidade de energia.
Cinética
Baixa pressão no tubo de raios X evacuado (a 15°C é 10-6–10-7 mmHg.) permite que as partículas voem do cátodo para o ânodo sob a ação da emissão termiônica e da força elétrica. Essa força os acelera, o que leva a um aumento na velocidade e na energia cinética e a uma diminuição no potencial. Quando uma partícula atinge o ânodo, seu potencial é perdido e toda a sua energia é convertida em energia cinética. Um elétron de 100 keV atinge velocidades superiores à metade da velocidade da luz. Ao atingir a superfície, as partículas desaceleram muito rapidamente e perdem sua energia cinética. Transforma-se em raios-X ou calor.
Elétrons entram em contato com átomos individuais do material do ânodo. A radiação é gerada quando eles interagem com orbitais (fótons de raios X) e com o núcleo (bremsstrahlung).
Link Energy
Cada elétron dentro de um átomo tem uma certa energia de ligação, que depende do tamanho do último e do nível em que a partícula está localizada. A energia de ligação desempenha um papel importante na geração de raios X característicos e é necessária para remover um elétron de um átomo.
Bremsstrahlung
Bremsstrahlung produz o maior número de fótons. Os elétrons que penetram no material do ânodo e passam perto do núcleo são desviados e desaceleradosa força de atração do átomo. A energia perdida durante este encontro aparece como um fóton de raios X.
Espectro
Apenas alguns fótons têm uma energia próxima à dos elétrons. A maioria deles são mais baixos. Vamos supor que haja um espaço ou campo ao redor do núcleo no qual os elétrons experimentam uma força de "frenagem". Este campo pode ser dividido em zonas. Isso dá ao campo do núcleo a aparência de um alvo com um átomo no centro. Um elétron que atinge qualquer ponto do alvo sofre desaceleração e gera um fóton de raios X. As partículas que atingem o centro mais próximo são as mais afetadas e, portanto, perdem mais energia, produzindo os fótons de maior energia. Os elétrons que entram nas zonas externas experimentam interações mais fracas e geram quanta de energia mais baixa. Embora as zonas tenham a mesma largura, elas têm uma área diferente dependendo da distância ao núcleo. Como o número de partículas que caem em uma determinada zona depende de sua área total, é óbvio que as zonas externas capturam mais elétrons e criam mais fótons. Este modelo pode ser usado para prever o espectro de energia dos raios X.
Emax fótons do espectro bremsstrahlung principal corresponde a Emax elétrons. Abaixo deste ponto, à medida que a energia do fóton diminui, seu número aumenta.
Um número significativo de fótons de baixa energia são absorvidos ou filtrados à medida que tentam passar pela superfície do ânodo, janela do tubo ou filtro. A filtração é geralmente dependente da composição e espessura do material através do qualo feixe passa, o que determina a forma final da curva de baixa energia do espectro.
KV Influência
A parte de alta energia do espectro é determinada pela tensão nos tubos de raios X kV (quilovolt). Isso porque determina a energia dos elétrons que chegam ao ânodo, e os fótons não podem ter um potencial maior que este. Com que voltagem o tubo de raios X funciona? A energia máxima do fóton corresponde ao potencial máximo aplicado. Esta tensão pode mudar durante a exposição devido à corrente CA principal. Neste caso, o Emax de um fóton é determinado pela tensão de pico do período de oscilação KVp.
Além do potencial quântico, KVp determina a quantidade de radiação criada por um determinado número de elétrons atingindo o ânodo. Como a eficiência geral de bremsstrahlung aumenta devido a um aumento na energia dos elétrons bombardeadores, que é determinado por KVp, segue que KVpafeta a eficiência do dispositivo.
Alterar KVp geralmente altera o espectro. A área total sob a curva de energia é o número de fótons. Sem um filtro, o espectro é um triângulo e a quantidade de radiação é proporcional ao quadrado de KV. Na presença de um filtro, um aumento de KV também aumenta a penetração de fótons, o que reduz a porcentagem de radiação filtrada. Isso leva a um aumento na emissão de radiação.
Radiação Característica
O tipo de interação que produz a característicaradiação, inclui a colisão de elétrons de alta velocidade com os orbitais. A interação só pode ocorrer quando a partícula de entrada tem Ek maior que a energia de ligação no átomo. Quando esta condição é satisfeita e ocorre uma colisão, o elétron é ejetado. Nesse caso, resta uma vaga, que é preenchida por uma partícula de nível de energia mais alto. À medida que o elétron se move, ele libera energia, que é emitida na forma de um quantum de raios-X. Isso é chamado de radiação característica, uma vez que o E de um fóton é uma característica do elemento químico do qual o ânodo é feito. Por exemplo, quando um elétron do nível K do tungstênio com Ebond=69,5 keV é eliminado, a vaga é preenchida por um elétron do nível L com E ligação=10, 2 keV. O fóton de raios X característico tem uma energia igual à diferença entre esses dois níveis, ou 59,3 keV.
Na verdade, este material anódico resulta em uma série de energias características de raios-X. Isso ocorre porque elétrons em diferentes níveis de energia (K, L, etc.) podem ser eliminados pelo bombardeio de partículas e as lacunas podem ser preenchidas a partir de diferentes níveis de energia. Embora o preenchimento de lacunas de nível L gere fótons, suas energias são muito baixas para serem usadas em diagnóstico por imagem. Cada energia característica recebe uma designação que indica o orbital no qual a vacância se formou, com um índice que indica a fonte de preenchimento de elétrons. O índice alfa (α) indica a ocupação de um elétron do nível L, e beta (β) indicaenchimento do nível M ou N.
- Espectro de tungstênio. A radiação característica deste metal produz um espectro linear que consiste em várias energias discretas, enquanto o bremsstrahlung cria uma distribuição contínua. O número de fótons produzidos por cada energia característica difere na medida em que a probabilidade de preencher uma vacância no nível K depende do orbital.
- Espectro de molibdênio. Os ânodos deste metal usados para mamografia produzem duas energias de raios X características bastante intensas: K-alfa a 17,9 keV e K-beta a 19,5 keV. O espectro ideal dos tubos de raios X, que permite obter o melhor equilíbrio entre contraste e dose de radiação para mamas de tamanho médio, é alcançado em Eph=20 keV. No entanto, bremsstrahlung é produzido em altas energias. O equipamento de mamografia usa um filtro de molibdênio para remover a parte indesejada do espectro. O filtro funciona segundo o princípio "K-edge". Absorve radiação em excesso da energia de ligação dos elétrons no nível K do átomo de molibdênio.
- Espectro de ródio. O ródio tem número atômico 45, enquanto o molibdênio tem número atômico 42. Portanto, a emissão de raios X característica de um ânodo de ródio terá uma energia ligeiramente maior que a do molibdênio e é mais penetrante. Isso é usado para imagens de mamas densas.
Os ânodos de molibdênio-ródio de dupla superfície permitem que o operador selecione uma distribuição otimizada para diferentes tamanhos e densidades de mama.
Efeito de KV no espectro
O valor de KV afeta muito a radiação característica, pois não será produzida se KV for menor que a energia dos elétrons do nível K. Quando KV excede este limite, a quantidade de radiação é geralmente proporcional à diferença entre o KV do tubo e o limite KV.
O espectro de energia dos fótons de raios X que saem do instrumento é determinado por vários fatores. Como regra, consiste em bremsstrahlung e quanta de interação característica.
A composição relativa do espectro depende do material do ânodo, KV e filtro. Em um tubo com ânodo de tungstênio, nenhuma radiação característica é produzida em KV< 69,5 keV. Em valores de CV mais altos usados em estudos de diagnóstico, a radiação característica aumenta a radiação total em até 25%. Em dispositivos de molibdênio, pode constituir uma grande parte da geração total.
Eficiência
Apenas uma pequena parte da energia fornecida pelos elétrons é convertida em radiação. A parte principal é absorvida e convertida em calor. A eficiência de radiação é definida como a proporção da energia total irradiada da energia elétrica total transmitida ao ânodo. Os fatores que determinam a eficiência de um tubo de raios X são a tensão aplicada KV e o número atômico Z. Um exemplo de relação é o seguinte:
Eficiência=KV x Z x 10-6.
A relação entre eficiência e KV tem um impacto específico no uso prático dos equipamentos de raios X. Devido à liberação de calor, os tubos têm um certo limite na quantidade de energia elétricaa energia que podem dissipar. Isso impõe uma limitação na potência do dispositivo. À medida que KV aumenta, no entanto, a quantidade de radiação produzida por unidade de calor aumenta significativamente.
A dependência da eficiência da geração de raios X da composição do ânodo é apenas de interesse acadêmico, pois a maioria dos aparelhos utiliza tungstênio. Uma exceção é o molibdênio e o ródio usados na mamografia. A eficiência desses dispositivos é muito menor que a do tungstênio devido ao seu menor número atômico.
Eficiência
A eficiência de um tubo de raios X é definida como a quantidade de exposição, em miliroentgens, entregue a um ponto no centro do feixe útil a uma distância de 1 m do ponto focal para cada 1 mAs de elétrons passando pelo dispositivo. Seu valor expressa a capacidade do dispositivo de converter a energia de partículas carregadas em raios-x. Permite determinar a exposição do paciente e da imagem. Assim como a eficiência, a eficiência do dispositivo depende de vários fatores, incluindo KV, forma de onda de tensão, material do ânodo e danos na superfície, filtro e tempo de uso.
controle KV
KV controla efetivamente a saída do tubo de raios X. Geralmente assume-se que a saída é proporcional ao quadrado de KV. Dobrar o KV aumenta a exposição em 4x.
Forma de onda
Waveform descreve a forma como KV muda ao longo do tempo durante a geraçãoradiação devido à natureza cíclica da fonte de alimentação. Várias formas de onda diferentes são usadas. O princípio geral é que quanto menos a forma do KV muda, mais eficientemente os raios X são produzidos. Equipamentos modernos utilizam geradores com KV relativamente constante.
tubos de raios X: fabricantes
A Oxford Instruments produz uma variedade de dispositivos, incluindo dispositivos de vidro de até 250 W, potencial de 4-80 kV, ponto focal de até 10 mícrons e uma ampla variedade de materiais de anodo, incluindo Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.
A Varian oferece mais de 400 tipos diferentes de tubos de raios X médicos e industriais. Outros fabricantes conhecidos são Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, etc.
Os tubos de raios X "Svetlana-Rentgen" são produzidos na Rússia. Além dos aparelhos tradicionais com anodo rotativo e estacionário, a empresa fabrica aparelhos com cátodo frio controlado pelo fluxo de luz. As vantagens do dispositivo são as seguintes:
- trabalha nos modos contínuo e pulsado;
- inércia;
- Regulação da intensidade de corrente do LED;
- pureza do espectro;
- possibilidade de obtenção de raios X de intensidade variável.
