07-03-2016: T6

T6: Empezando Rayos X, el tubo y el espectro

1.- Qué características constructivas del tubo de rayos X se correlacionan con qué características del espectro de emisión de los rayos X.

El tubo de rayos X es el lugar donde se generan los rayos X. Este tubo consta de un filamento metálico (cátodo), que al calentarlo liberará electrones siendo estos acelerados mediante una elevada diferencia de potencial (kV), y chocan contra el ánodo, en donde son frenados liberando su energía cinética como fotones que constituyen los rayos X. De la energía empleada en la producción de rayos X el 99% se convertirá en calor y sólo el 1% en rayos X.

El filamento o cátodo suele ser una pequeña bobina o muelle de wolframio. Se utiliza este material por sus propiedades de emisión termoiónica (Efecto Eddison), y punto de fusión elevado. Estas propiedades alargan la vida útil del tubo. 
El ánodo suele ser Wolframio. En el caso de los tubos de mamografía el material empleado es el Molibdeno, y recientemente se han comenzado a confeccionar también de Rodio-Paladio. El Wolframio presenta un punto de fusión elevado.

El tubo de rayos X de filamento caliente debe de alcanzar una temperatura adecuada para su funcionamiento, pero en ellos se produce tanto calor que se utiliza el ánodo rotatorio para disipar el calor.

Los electrones, al llegar al ánodo y pasar por las proximidades de los núcleos atómicos, son frenados violentamente transformando parte de su energía cinética en energía electromagnética. Se emiten fotones de rayos X distribuidos en un espectro continuo, formado por una mezcla de fotones cuyas energías aumentan de forma continua. La energía máxima de este espectro corresponde al fotón producido cuando el electrón, con una energía determinada, es frenado por un solo núcleo y produce un único fotón -radiación de frenado-. Los rayos X de frenado se producen, pues, al hacer impactar electrones contra un ánodo de material con número atómico suficientemente elevado.  

También puede ocurrir, que tras el choque de electrones contra los átomos del metal anódico, el salto de electrones desde órbitas más profundas a otras órbitas más externas de dichos átomos, produce un hueco dejado por estos electrones que han pasado a órbitas más superficiales que es preciso que se ocupe. Para ello, electrones de otras capas pasan a rellenar este vacío, emitiendo una energía igual a la diferencia energética entre las órbitas correspondientes. Esta emisión de energía forma la radiación X característica, con una serie de picos superpuestos al espectro continuo. El espectro característico de los rayos X es la suma de los espectros producidos por la radiación de frenado y la radiación característica.

2.- Qué características de la operación del tubo de rayos X se correlacionan con qué características del espectro de la radiación producida (o lo que es lo mismo, que controles tiene y que es lo que controlan).

Los tubos de rayos X funcionan con corriente continua de alto voltaje (mayor de 40kV). 
Al variar la intensidad de corriente (mA) varía la cantidad de electrones emitidos por el filamento que van a ser acelerados a lo largo del tubo de rayos X. Sin embargo, no se modifica su energía. Debido a este aumento de electrones, el número de fotones producidos, aumentará proporcionalmente con la intensidad de la corriente. El tiempo afecta en la misma medida que la intensidad de corriente.
Al aumentar la tensión aplicada entre ánodo y cátodo, los electrones que llegan al ánodo lo hacen con mayor energía cinética y, por tanto, los fotones de frenado son más energéticos. La radiación característica tiene siempre, para un determinado material del ánodo, la misma energía. Pero al aumentar la tensión de aceleración varía la cantidad de fotones característicos producidos y su proporción con respecto a los de frenado.
Los fotones que constituyen el haz de rayos X emitidos por el tubo presentan una distribución continua en energías (espectro continuo), entre 0 y E, donde E es la energía que corresponde a la diferencia de potencial aplicada entre el ánodo y el cátodo. Por ejemplo, la energía máxima al aplicar una diferencia de potencial de 100 kVp, será de 100 KeV y el espectro de rayos X tendrá energías comprendidas entre 0 y 100 keV.

 3.- Por qué han de estar los tubos a vacío

Los tubos de rayos X han de estar vacíos debido a que si no lo estuviera ocurrirían irregularidades en el flujo de electrones desde el cátodo hacia el ánodo. Para que el tubo de rayos X funcione bien es fundamental que el flujo de electrones se mantenga lo mas constante posible durante cada exposición. Si el tubo de rayos X se torna gaseoso, lo que significa una pérdida del vacío completo, se produce fluctuaciones perceptibles del mili amperaje cuando está en funcionamiento.

4.- Por qué es importante el espectro de emisión para la radiología ¿no son iguales todos los rayos x?

Se sabe que el espectro de emisión de cada elemento es único. Con lo que dependiendo del material utilizado por el tubo de rayos X, se deberá aumentar o disminuir la energía de este dependiendo del tejido en el que estamos interesados. La intención de aumentar o disminuir la radiación es para intentar que el tejido absorba la menor radiación posible y que la imagen tenga obtenida tenga calidad, para conseguir esto lo que se hace es intentar que el espectro de emisión sea lo más parecido posible al espectro de absorción del tejido a radiografiar.