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 sólo se producen mientras el tubo de rayos X esté bajo tensión. Los tubos de rayos X también se utilizan en escáneres CT , escáneres de equipaje de aeropuertos, 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 Crookes de primera generación se utilizaron hasta la década de 1920. Estos tubos funcionan por 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 son acelera hacia el ánodo en un vacío casi perfecto. [2]
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 diferente de control, llamado conmutación de alta velocidad. Esto siguió la tecnología electrónica de 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 necesaria ]
Como ocurre con 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 de tubo , se conecta entre el 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/radia, 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 cree que degradará la calidad del haz de rayos X. El tungsteno vaporizado se condensa en el interior de la envoltura sobre la "ventana" y actúa así como un filtro adicional y disminuye la capacidad del tubo para irradiar calor. [5] Con el tiempo, el depósito de tungsteno puede volverse lo suficientemente conductor como para que, a voltajes suficientemente altos, se produzcan arcos. El arco saltará del cátodo al depósito de tungsteno y luego al ánodo. Este arco provoca un efecto llamado " agrietamiento " en el cristal interior de la ventana de rayos X. Con el tiempo, el tubo se vuelve inestable incluso a voltajes más bajos y debe ser reemplazado. En este punto, el conjunto de tubo (también llamado "cabeza del tubo") se retira del sistema de rayos X y se reemplaza con un conjunto de tubo nuevo. El conjunto de tubo antiguo se envía a una empresa que lo recarga con un tubo de rayos X nuevo.
Los dos efectos generadores de fotones de rayos X se denominan generalmente "efecto característico" y efecto bremsstrahlung , una combinación del alemán bremsen que significa frenar 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 el camino 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.
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, puede ignorarse en los cálculos de calor. [6] La cantidad de calor producida (en julios) en el punto focal viene dada por:
La unidad de calor (HU) se utilizaba en el pasado como alternativa al 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:
Los tubos Crookes generaron 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 fueron evacuados parcial pero no completamente . Consistían en una ampolla de vidrio con una presión de aire de aproximadamente 10 −6 a 5×10 −8 (0,1 a 0,005 Pa ). Tenían una placa de cátodo de aluminio en un extremo del tubo y un 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, de modo que los electrones se enfocaban en un punto pequeño (~1 mm) en el ánodo, que se aproximaba a una fuente puntual de rayos X, lo que daba como resultado 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 mediante el cual lo logró. Una disposición más común utilizaba un anticátodo de placa de cobre (similar en construcción al cátodo) en línea con el ánodo, de modo que el ánodo estuviera entre el cátodo y el anticátodo.
Para funcionar, se aplicaba una tensión continua de unos pocos kilovoltios hasta 100 kV entre los ánodos y el cátodo, generalmente generada por una bobina de inducción , o para tubos más grandes, una máquina electrostática .
Los tubos 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 evitarlo, se utilizaron dispositivos 'suavizantes' (ver imagen). Un pequeño tubo unido al costado del tubo principal contenía una funda de mica o una sustancia química que liberaba una pequeña cantidad de gas cuando se calentaba, restableciendo la presión correcta.
La envoltura de vidrio del tubo se ennegrecería con el uso debido a que los rayos X afectan su estructura.
En el tubo de 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 chocan contra el ánodo.
Hay dos diseños: tubos de ventana final y tubos de ventana lateral. Los tubos de 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 la que se mueven los electrones). En un tipo común de tubo de 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 ventana lateral 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 enfocados. El ánodo tiene un ángulo preciso de 1 a 20 grados 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 .
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Se genera una cantidad considerable de calor en el punto focal (el área donde incide el haz de electrones proveniente del cátodo) de un ánodo estacionario. Más bien, un ánodo giratorio permite que el haz de electrones barra un área más grande del ánodo, aprovechando así 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, 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 desde el objetivo. El grafito proporciona almacenamiento térmico al ánodo y minimiza la masa giratoria del ánodo.
Algunos exámenes de rayos X (como, por ejemplo, las pruebas no destructivas y la microtomografía tridimensional ) 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 metálico.
Los tubos de rayos X de microenfoque de ánodo sólido son, en principio, muy similares al tubo de Coolidge, pero con la importante diferencia de que se ha tenido cuidado de 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 se pueden producir puntos de menos de 1 µm.
El principal inconveniente de los tubos de rayos X de microfoco de ánodo sólido es su muy baja potencia operativa. Para evitar que se funda el ánodo, la densidad de potencia del haz de electrones debe estar por debajo de un valor máximo. Este valor se sitúa entre 0,4 y 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 a 8 W.
En los tubos de rayos X de microfoco con ánodo de chorro metálico, el ánodo de metal sólido se reemplaza por un chorro de metal líquido, que actúa como objetivo del haz de electrones. La ventaja del ánodo de chorro metálico es que aumenta significativamente la densidad máxima de potencia del haz de electrones. Se han informado valores en el rango de 3 a 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 de microfoco de ánodo de chorro metálico puede funcionar a 30-60 W.
El principal beneficio del mayor nivel de densidad de potencia para el tubo de rayos X de chorro metálico 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 , que alguna vez fueron comunes en televisores en color y pantallas de computadora, funcionan entre 3 y 40 kilovoltios dependiendo del 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 gruesa envoltura de vidrio está impregnada con varias libras de plomo como blindaje, que en los tubos rectificadores y reguladores de voltaje de alto voltaje (HV) dentro de los televisores anteriores. A finales 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 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 falla. [16] El peligro asociado con los voltajes excesivos se eliminó con la llegada de los televisores totalmente de estado sólido , que no tienen más 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 existen tubos de vacío capaces de emitir rayos X en absoluto. [ cita necesaria ]
