Los rayos X se crean convirtiendo la energía de los electrones en fotones, lo que tiene lugar en un tubo de rayos X. La cantidad (exposición) y la calidad (espectro) de la radiación se pueden ajustar cambiando la corriente, el voltaje y el tiempo de funcionamiento del dispositivo.
Principio de funcionamiento
Los tubos de rayos X (la foto se muestra en el artículo) son convertidores de energía. Lo toman de la red y lo convierten en otras formas: radiación penetrante y calor, siendo este último un subproducto indeseable. El diseño del tubo de rayos X maximiza la producción de fotones y disipa el calor lo más rápido posible.
Un tubo es un dispositivo relativamente simple, que generalmente contiene dos elementos fundamentales: un cátodo y un ánodo. Cuando la corriente fluye del cátodo al ánodo, los electrones pierden energía, lo que da como resultado la generación de rayos X.
Ánodo
El ánodo es el componente que emitefotones de alta energía. Este es un elemento metálico relativamente masivo que está conectado al polo positivo del circuito eléctrico. Realiza dos funciones principales:
- convierte la energía de los electrones en rayos X,
- disipa el calor.
El material del ánodo se elige para mejorar estas funciones.
Idealmente, la mayoría de los electrones deberían formar fotones de alta energía, no calor. La fracción de su energía total que se convierte en rayos X (eficiencia) depende de dos factores:
- número atómico (Z) del material del ánodo,
- energía de los electrones.
La mayoría de los tubos de rayos X utilizan tungsteno como material de ánodo, que tiene un número atómico de 74. Además de tener una gran Z, este metal tiene algunas otras características que lo hacen adecuado para este propósito. El tungsteno es único en su capacidad para retener la fuerza cuando se calienta, tiene un alto punto de fusión y una baja tasa de evaporación.
Durante muchos años, el ánodo se fabricó con tungsteno puro. En los últimos años se ha comenzado a utilizar una aleación de este metal con renio, pero solo en la superficie. El ánodo debajo del revestimiento de tungsteno-renio está hecho de un material liviano que almacena bien el calor. Dos de estas sustancias son el molibdeno y el grafito.
Los tubos de rayos X que se utilizan para la mamografía están fabricados con un ánodo recubierto de molibdeno. Este material tiene un número atómico intermedio (Z=42) lo que genera fotones característicos con energías convenientes parapara tomar fotos del cofre. Algunos dispositivos de mamografía también tienen un segundo ánodo de rodio (Z=45). Esto le permite aumentar la energía y lograr una mayor penetración para los senos apretados.
El uso de aleación de renio y tungsteno mejora la producción de radiación a largo plazo; con el tiempo, la eficiencia de los dispositivos de ánodo de tungsteno puro disminuye debido al daño térmico en la superficie.
La mayoría de los ánodos tienen forma de discos biselados y están conectados a un eje de motor eléctrico que los hace girar a velocidades relativamente altas mientras emite rayos X. El propósito de la rotación es eliminar el calor.
Punto focal
No todo el ánodo está involucrado en la generación de rayos X. Ocurre en un área pequeña de su superficie: un punto focal. Las dimensiones de este último están determinadas por las dimensiones del haz de electrones procedente del cátodo. En la mayoría de los dispositivos tiene forma rectangular y varía entre 0,1-2 mm.
Los tubos de rayos X están diseñados con un tamaño de punto focal específico. Cuanto más pequeño es, menos borrosa y más nítida es la imagen, y cuanto más grande es, mejor disipación del calor.
El tamaño del punto focal es uno de los factores a considerar al elegir los tubos de rayos X. Los fabricantes producen dispositivos con puntos focales pequeños cuando es necesario lograr una alta resolución y una radiación suficientemente baja. Por ejemplo, esto es necesario cuando se examinan partes pequeñas y delgadas del cuerpo, como en una mamografía.
Los tubos de rayos X se fabrican principalmente con dos tamaños de punto focal, grande y pequeño, que el operador puede seleccionar de acuerdo con el procedimiento de imagen.
Cátodo
La función principal del cátodo es generar electrones y recogerlos en un haz dirigido al ánodo. Por regla general, consiste en una pequeña espiral de alambre (hilo) sumergida en una depresión en forma de copa.
Los electrones que pasan por el circuito normalmente no pueden salir del conductor y pasar al espacio libre. Sin embargo, pueden hacerlo si obtienen suficiente energía. En un proceso conocido como emisión térmica, se usa calor para expulsar electrones del cátodo. Esto es posible cuando la presión en el tubo de rayos X evacuado alcanza 10-6–10-7 mmHg. Arte. El filamento se calienta de la misma manera que el filamento de una lámpara incandescente cuando pasa corriente a través de él. El funcionamiento del tubo de rayos X va acompañado del calentamiento del cátodo a la temperatura de incandescencia con el desplazamiento de parte de los electrones por energía térmica.
Globo
El ánodo y el cátodo están contenidos en un recipiente herméticamente cerrado. El globo y su contenido a menudo se denominan inserto, que tiene una vida útil limitada y puede reemplazarse. La mayoría de los tubos de rayos X tienen bombillas de vidrio, aunque para algunas aplicaciones se utilizan bombillas de metal y cerámica.
La función principal del globo es proporcionar soporte y aislamiento para el ánodo y el cátodo, y mantener el vacío. Presión en el tubo de rayos X evacuadoa 15 °C es 1,2 10-3 Pa. La presencia de gases en el globo permitiría que la electricidad fluya libremente a través del dispositivo, y no solo en forma de haz de electrones.
Caso
El diseño del tubo de rayos X es tal que, además de encerrar y sostener otros componentes, su cuerpo sirve como escudo y absorbe la radiación, excepto el haz útil que pasa a través de la ventana. Su superficie exterior relativamente grande disipa gran parte del calor generado en el interior del dispositivo. El espacio entre el cuerpo y el inserto está lleno de aceite para aislamiento y refrigeración.
Cadena
Un circuito eléctrico conecta el tubo a una fuente de energía llamada generador. La fuente recibe energía de la red eléctrica y convierte la corriente alterna en corriente continua. El generador también le permite ajustar algunos parámetros del circuito:
- KV - voltaje o potencial eléctrico;
- MA es la corriente que circula por el tubo;
- S – duración o tiempo de exposición, en fracciones de segundo.
El circuito proporciona el movimiento de electrones. Se cargan de energía, pasan por el generador y la entregan al ánodo. A medida que se mueven, ocurren dos transformaciones:
- la energía eléctrica potencial se convierte en energía cinética;
- cinético, a su vez, se convierte en rayos X y calor.
Potencial
Cuando los electrones entran en la bombilla, tienen energía eléctrica potencial, cuya cantidad está determinada por el voltaje KV entre el ánodo y el cátodo. Funcionamiento del tubo de rayos Xbajo voltaje, para crear 1 KV de los cuales cada partícula debe tener 1 keV. Al ajustar KV, el operador dota a cada electrón de una cierta cantidad de energía.
Cinética
Baja presión en el tubo de rayos X evacuado (a 15°C es 10-6–10-7 mmHg.) permite que las partículas salgan volando del cátodo al ánodo bajo la acción de la emisión termoiónica y la fuerza eléctrica. Esta fuerza los acelera, lo que provoca un aumento de la velocidad y la energía cinética y una disminución del potencial. Cuando una partícula golpea el ánodo, su potencial se pierde y toda su energía se convierte en energía cinética. Un electrón de 100 keV alcanza velocidades superiores a la mitad de la velocidad de la luz. Al golpear la superficie, las partículas se ralentizan muy rápidamente y pierden su energía cinética. Se convierte en rayos X o calor.
Los electrones entran en contacto con átomos individuales del material del ánodo. La radiación se genera cuando interactúan con los orbitales (fotones de rayos X) y con el núcleo (bremsstrahlung).
Energía de enlace
Cada electrón dentro de un átomo tiene una determinada energía de enlace, que depende del tamaño de este último y del nivel en el que se encuentra la partícula. La energía de enlace juega un papel importante en la generación de rayos X característicos y es necesaria para quitar un electrón de un átomo.
Bremsstrahlung
Bremsstrahlung produce la mayor cantidad de fotones. Los electrones que penetran en el material del ánodo y pasan cerca del núcleo son desviados y ralentizados.la fuerza de atracción del átomo. Su energía perdida durante este encuentro aparece como un fotón de rayos X.
Espectro
Solo unos pocos fotones tienen una energía cercana a la de los electrones. La mayoría de ellos son más bajos. Supongamos que existe un espacio o campo alrededor del núcleo en el que los electrones experimentan una fuerza de "frenado". Este campo se puede dividir en zonas. Esto le da al campo del núcleo la apariencia de un objetivo con un átomo en el centro. Un electrón que golpea cualquier punto del objetivo experimenta una desaceleración y genera un fotón de rayos X. Las partículas que golpean más cerca del centro son las más afectadas y, por lo tanto, pierden la mayor cantidad de energía, produciendo los fotones de mayor energía. Los electrones que ingresan a las zonas exteriores experimentan interacciones más débiles y generan cuantos de energía más bajos. Aunque las zonas tienen el mismo ancho, tienen un área diferente dependiendo de la distancia al núcleo. Dado que el número de partículas que caen sobre una zona dada depende de su área total, es obvio que las zonas exteriores capturan más electrones y crean más fotones. Este modelo se puede utilizar para predecir el espectro de energía de los rayos X.
Emax fotones del espectro de bremsstrahlung principal corresponde a Emax electrones. Por debajo de este punto, a medida que la energía de los fotones disminuye, su número aumenta.
Una cantidad significativa de fotones de baja energía son absorbidos o filtrados cuando intentan atravesar la superficie del ánodo, la ventana del tubo o el filtro. La filtración generalmente depende de la composición y el espesor del material a través del cualatraviesa el haz, lo que determina la forma final de la curva de baja energía del espectro.
Influencia KV
La parte de alta energía del espectro está determinada por el voltaje en los tubos de rayos X kV (kilovoltios). Esto se debe a que determina la energía de los electrones que llegan al ánodo, y los fotones no pueden tener un potencial superior a este. ¿Con qué voltaje trabaja el tubo de rayos X? La energía fotónica máxima corresponde al potencial máximo aplicado. Este voltaje puede cambiar durante la exposición debido a la corriente de red de CA. En este caso, la Emax de un fotón está determinada por el voltaje máximo del período de oscilación KVp.
Además del potencial cuántico, KVp determina la cantidad de radiación creada por un número determinado de electrones que golpean el ánodo. Dado que la eficiencia general de bremsstrahlung aumenta debido a un aumento en la energía de los electrones que bombardean, que está determinada por KVp, se deduce que KVpafecta la eficiencia del dispositivo.
Cambiar KVp generalmente cambia el espectro. El área total bajo la curva de energía es el número de fotones. Sin filtro, el espectro es un triángulo y la cantidad de radiación es proporcional al cuadrado de KV. En presencia de un filtro, un aumento de KV también aumenta la penetración de fotones, lo que reduce el porcentaje de radiación filtrada. Esto conduce a un aumento en la emisión de radiación.
Radiación característica
El tipo de interacción que produce la característicaradiación, incluye la colisión de electrones de alta velocidad con los orbitales. La interacción solo puede ocurrir cuando la partícula entrante tiene Ek mayor que la energía de enlace en el átomo. Cuando se cumple esta condición y ocurre una colisión, el electrón es expulsado. En este caso, queda una vacante, que se llena con una partícula de un nivel de energía más alto. A medida que el electrón se mueve, emite energía, que se emite en forma de un cuanto de rayos X. Esto se llama radiación característica, ya que la E de un fotón es una característica del elemento químico del que está hecho el ánodo. Por ejemplo, cuando se elimina un electrón del nivel K del tungsteno con Ebond=69,5 keV, la vacante se llena con un electrón del nivel L con E enlace=10, 2 keV. El fotón de rayos X característico tiene una energía igual a la diferencia entre estos dos niveles, o 59,3 keV.
De hecho, este material del ánodo da como resultado una serie de energías de rayos X características. Esto se debe a que los electrones en diferentes niveles de energía (K, L, etc.) pueden eliminarse mediante el bombardeo de partículas, y las vacantes se pueden llenar con diferentes niveles de energía. Aunque el llenado de vacantes de nivel L genera fotones, sus energías son demasiado bajas para ser utilizadas en imágenes de diagnóstico. Cada energía característica recibe una designación que indica el orbital en el que se formó la vacante, con un índice que indica la fuente de llenado de electrones. El índice alfa (α) indica la ocupación de un electrón del nivel L, y beta (β) indicallenado desde el nivel M o N.
- Espectro de tungsteno. La radiación característica de este metal produce un espectro lineal que consta de varias energías discretas, mientras que el bremsstrahlung crea una distribución continua. El número de fotones producidos por cada energía característica difiere en que la probabilidad de llenar una vacante de nivel K depende del orbital.
- Espectro del molibdeno. Los ánodos de este metal utilizados para la mamografía producen dos energías de rayos X características bastante intensas: K-alfa a 17,9 keV y K-beta a 19,5 keV. El espectro óptimo de los tubos de rayos X, que permite lograr el mejor equilibrio entre contraste y dosis de radiación para mamas de tamaño mediano, se logra en Eph=20 keV. Sin embargo, la bremsstrahlung se produce a altas energías. El equipo de mamografía utiliza un filtro de molibdeno para eliminar la parte no deseada del espectro. El filtro funciona según el principio "K-edge". Absorbe radiación por encima de la energía de enlace de los electrones en el nivel K del átomo de molibdeno.
- Espectro de rodio. El rodio tiene un número atómico de 45, mientras que el molibdeno tiene un número atómico de 42. Por lo tanto, la emisión de rayos X característica de un ánodo de rodio tendrá una energía ligeramente superior a la del molibdeno y es más penetrante. Esto se utiliza para obtener imágenes de senos densos.
Los ánodos de molibdeno-rodio de doble superficie permiten al operador seleccionar una distribución optimizada para diferentes tamaños y densidades de senos.
Efecto de KV en el espectro
El valor de KV afecta en gran medida la radiación característica, ya que no se producirá si KV es menor que la energía de los electrones de nivel K. Cuando el KV excede este umbral, la cantidad de radiación es generalmente proporcional a la diferencia entre el KV del tubo y el KV del umbral.
El espectro de energía de los fotones de rayos X que salen del instrumento está determinado por varios factores. Por regla general, consiste en bremsstrahlung y cuantos de interacción característicos.
La composición relativa del espectro depende del material del ánodo, KV y filtro. En un tubo con un ánodo de tungsteno, no se produce radiación característica en KV< 69,5 keV. A valores de CV más altos utilizados en estudios de diagnóstico, la radiación característica aumenta la radiación total hasta en un 25%. En los dispositivos de molibdeno, puede constituir una gran parte de la generación total.
Eficiencia
Solo una pequeña parte de la energía entregada por los electrones se convierte en radiación. La parte principal se absorbe y se convierte en calor. La eficiencia de radiación se define como la proporción de la energía total radiada de la energía eléctrica total impartida al ánodo. Los factores que determinan la eficiencia de un tubo de rayos X son el voltaje aplicado KV y el número atómico Z. Una relación de ejemplo es la siguiente:
Eficiencia=KV x Z x 10-6.
La relación entre eficiencia y KV tiene un impacto específico en el uso práctico de los equipos de rayos X. Debido a la liberación de calor, los tubos tienen un cierto límite en la cantidad de electricidadla energía que pueden disipar. Esto impone una limitación en la potencia del dispositivo. Sin embargo, a medida que aumenta KV, la cantidad de radiación producida por unidad de calor aumenta significativamente.
La dependencia de la eficiencia de la generación de rayos X en la composición del ánodo es solo de interés académico, ya que la mayoría de los dispositivos utilizan tungsteno. Una excepción es el molibdeno y el rodio que se utilizan en la mamografía. La eficiencia de estos dispositivos es mucho menor que la del tungsteno debido a su menor número atómico.
Eficiencia
La eficiencia de un tubo de rayos X se define como la cantidad de exposición, en miliroentgens, entregada a un punto en el centro del haz útil a una distancia de 1 m del punto focal por cada 1 mAs de electrones que pasan a través del dispositivo. Su valor expresa la capacidad del dispositivo para convertir la energía de las partículas cargadas en rayos X. Le permite determinar la exposición del paciente y la imagen. Al igual que la eficiencia, la eficiencia del dispositivo depende de una serie de factores, incluidos los KV, la forma de onda del voltaje, el material del ánodo y los daños en la superficie, el filtro y el tiempo de uso.
Control KV
KV controla efectivamente la salida del tubo de rayos X. Generalmente se supone que la salida es proporcional al cuadrado de KV. Duplicar KV aumenta la exposición en 4x.
Forma de onda
Waveform describe la forma en que KV cambia con el tiempo durante la generaciónradiación debido a la naturaleza cíclica de la fuente de alimentación. Se utilizan varias formas de onda diferentes. El principio general es que cuanto menos cambia la forma de KV, más eficientemente se producen los rayos X. Los equipos modernos utilizan generadores con un KV relativamente constante.
Tubos de rayos X: fabricantes
Oxford Instruments produce una variedad de dispositivos, incluidos dispositivos de vidrio de hasta 250 W, potencial de 4-80 kV, punto focal de hasta 10 micrones y una amplia gama de materiales de ánodo, incluidos Ag, Au, Co, Cr, Cu, Fe, Mo, Pd, Rh, Ti, W.
Varian ofrece más de 400 tipos diferentes de tubos de rayos X médicos e industriales. Otros fabricantes conocidos son Dunlee, GE, Philips, Shimadzu, Siemens, Toshiba, IAE, Hangzhou Wandong, Kailong, etc.
Los tubos de rayos X "Svetlana-Rentgen" se producen en Rusia. Además de los dispositivos tradicionales con ánodo rotatorio y estacionario, la empresa fabrica dispositivos con cátodo frío controlado por el flujo de luz. Las ventajas del dispositivo son las siguientes:
- funciona en modo continuo y pulsado;
- ausencia de inercia;
- Regulación de intensidad de corriente LED;
- pureza del espectro;
- posibilidad de obtener radiografías de diferente intensidad.
