T6. Rayos X, el tubo y el espectro

En el siguiente enlace se proponen cuatro ejercicios sobre los rayos X, donde también se encuentran enlaces a más información sobre este tema.

Empezando Rayos X, el tubo y el espectro

Antes de responder a las cuestiones que se proponen, se explicará primeramente el funcionamiento del tubo de rayos X y sus partes. Además, se explicará el espectro de emisión que genera.

Tubo de rayos X

Un tubo de rayos X es una válvula de vacío utilizada para la producción de rayos X, emitidos mediante la colisión de los electrones producidos en el cátodo, o polo negativo, contra los átomos del ánodo, o polo positivo.

En el tubo de rayos X se va a producir una corriente de electrones (mA) que durante un tiempo determinado (s) van a circular desde el cátodo hacia el ánodo gracias a que se establece una diferencia de potencial (kV) entre ambos polos.

El cátodo tiene dos partes principales:

·       El filamento. Un filamento de rayos X emite electrones cuando se calienta. Si la corriente que atraviesa el filamento posee intensidad suficiente, de aproximadamente 4 A o más, los electrones de la capa externa de los átomos del filamento entra en ebullición y son expulsados del filamento (emisión termoiónica). Es muy importante no confundir la corriente del filamento con la corriente del tubo. El circuito eléctrico del filamento es diferente del circuito del tubo.

·         La copa de enfoque. La copa de enfoque tiene una potente carga negativa que supera a la repulsión que se establece entre los electrones, de forma que condensa el haz de electrones en un área pequeña de ánodo. Casi todos los tubos de rayos X de diagnóstico tienen dos puntos de focales, uno grande y otro pequeño.

El ánodo es el lado positivo del tubo de rayos X. Existen dos tipos:

·      Estacionarios. Se utilizan en aparatos que no requieren intensidad ni potencia altas en el tubo.

·     Rotatorios. Son capaces de producir haces de rayos X de alta intensidad en un tiempo breve. Ambos tipos poseen una estructura de soporte y un blanco.

El blanco es el área del ánodo con la que colisionan los electrones procedentes del cátodo. En los tubos de ánodo estacionario, el blanco consta de un metal de aleación de wolframio integrado en el ánodo de cobre. En los ánodos de tubo rotatorio, el blanco es todo el disco giratorio. El área de impacto de los electrones en los ánodos rotatorios es una pista circular que, gracias a la rotación, presenta un área de blanco que no es siempre la misma en cada instante, con lo que el calor se disipa en un área mucho más grande que en uno estacionario. Gracias a estas características, es posible obtener mayores corrientes del tubo y tiempos de exposición más cortos con el ánodo rotatorio.

La energía con que se aceleran los electrones desde el cátodo al ánodo dará lugar a radiaciones de diferentes frecuencias, más elevadas cuanto mayor sea la velocidad alcanzada por estos electrones.

Espectro de emisión de rayos X

El espectro de emisión de rayos X es el número de fotones de rayos X emitidos en función de la energía de dichos fotones.

El espectro está formado por la radiación de frenado o bremsstrahlung y la radiación característica.

·       Radiación de frenado: toda partícula cargada, que experimenta un cambio de velocidad, irradia parte de su energía en forma de ondas electromagnéticas, emitidas en forma de espectro continuo. Esta radiación se conoce con el nombre de radiación de frenado o bremsstrahlung. La radiación de frenado constituye el fundamento de la obtención de rayos X para su utilización en radiodiagnóstico o en radioterapia (colisión radiativa: e^- con núcleo).

·       Radiación característica: cuando la energía de los electrones es suficiente para expulsar electrones de capas profundas de átomos del blanco, se disponen de huecos en las capas internas de la corteza electrónica, que se rellenan con electrones procedentes de capas más superficiales, emitiéndose fotones característicos de ese material y constituyendo así el espectro de rayos X característico. La energía será discreta ya que depende de los niveles energéticos de los electrones en el átomo y solo hay una serie de transiciones permitidas. Dependen exclusivamente de los núcleos blanco (colisión inelástica: e^- con átomo).

EJERCICIOS

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

Las características constructivas que influyen en el espectro de emisión de rayos X son:

·         El material del que está formado el blanco.

El material del blanco influye más en la parte discreta del espectro de emisión que en la continua. Al aumentar el número atómico (Z) del blanco, el espectro discreto se desplaza hacia la derecha, ya que la radiación característica es de energía más alta (la energía de ligadura aumenta con Z).

En la imagen se muestran tres espectros, el del molibdeno (Z=42), el del tungsteno o wolframio (Z=74) y el del oro (Z=79). Se puede observar que el espectro característico del molibdeno está en torno a 18 keV, el del tungsteno por debajo de 70 keV y el del oro en torno a 75 keV.

La radiación característica de mayor interés en radiología es la que proviene de la expulsión de un electrón de la capa K (bien sea de Wolframio o de Molibdeno) y para que se dé este tipo de radiación característica, la energía del electrón incidente deberá ser superior a la energía de enlace de la capa K. Por ejemplo, en un átomo de wolframio, los electrones de la capa K tienen una energía de 69,4 keV.

La radiación característica tiene aplicación en técnicas radiográficas especiales, como en la mamografía, que precisa rayos X de baja energía para diferenciar mejor, por su distinta absorción, los componentes de al glándula mamaria. Se utiliza un ánodo de molibdeno con un kilovoltaje de 25 a 35 kV, emitiendo radiación de frenado y característico para mejorar el contraste de las estructuras mamarias.

·         Distancia cátodo ánodo.

El chorro de electrones se genera en el filamento del cátodo y se lanza contra el blanco del ánodo. La distancia que tienen que recorrer estos electrones hasta llegar al ánodo supone una resistencia a su desplazamiento y, por tanto, una reducción de la energía cinética que tienen originalmente los electrones al escapar del cátodo. Cuando la distancia entre el cátodo y el ánodo (dC-A) disminuye, la energía con la que chocarán los electrones contra el blanco del ánodo será mayor, generando un espectro de emisión de rayos X que tendrá un área bajo la curva mayor, es decir, generando mayor intensidad de los rayos X.

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)?

La forma general de un espectro de emisión es siempre la misma, pero su posición relativa sobre el eje de energías puede variar. Cuanto más hacia la derecha se encuentre el espectro, mayor es la energía efectiva del haz de rayos X mientras que cuanto mayor sea el área bajo la curva mayor es la intensidad de rayos X. Los principales factores que afectan al espectro de emisión de rayos X son:

·      Corriente del tubo (mA): Un cambio en mA produce un cambio proporcional en la amplitud del espectro de emisión de rayos X a cualquier energía.

·   Voltaje del tubo (kVp): Un aumento en kVp produce un aumento en la amplitud del espectro de emisión a cualquier energía, pero un aumento aún mayor a altas energías que a bajas energías. Por consiguiente el espectro se desplaza hacia la derecha.

·       Filtración añadida: Al añadir filtración a un tubo de rayos X se produce una reducción de la intensidad de pero un incremento de la energía efectiva; absorbe más efectivamente los rayos X de baja energía que los de alta energía (el espectro de emisión de rayos X bremsstrahlung se reduce más por la izquierda que por la derecha).

·    Forma de la onda de voltaje: Las operaciones en trifásico y a alta frecuencia son más eficientes que en fase única. Operar en trifásico y a alta frecuencia aumentan tanto la intensidad como la energía efectiva de los rayos X.

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

La necesidad de que los tubos de rayos X estén al vacío reside en que los electrones proyectil necesitan adquirir energía en su viaje desde el cátodo hasta el ánodo. Si esa energía adquirida es lo suficientemente grande, los electrones proyectil tendrán la capacidad de interaccionar con los átomos del blanco de varias formas:

·      Interacción con los electrones de las capas internas de los átomos del blanco: arrancando totalmente el electrón, ionizando el átomo y produciendo los rayos X característicos.

·    Interacción con el campo nuclear de los átomos del blanco: Dado que los electrones proyectil están cargados negativamente y el núcleo de los átomos del blanco positivamente, existirá una fuerza electrostática de atracción entre ambos que, si la distancia es pequeña, frenara al electrón proyectil y le hará cambiar de trayectoria, quedando con una energía cinética menor y una dirección distinta. Esta pérdida de energía reaparece en forma de rayos X bremsstrahlung (radiación de frenado).

Si el medio por el que los electrones proyectil viajan del cátodo al ánodo no se encontrase al vacío, la energía que fuesen ganado por el campo eléctrico la perderían en choques con moléculas de aire; lo que eliminaría su capacidad de interactuar con las capas internas de los átomos del blanco y reduciría en mucho la energía de los rayos bremsstrahlung (es fácil de comprender que la cantidad de energía que puede perder un electrón está críticamente limitada por la energía que tiene; no se puede perder más energía de la que se tiene).

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

El cuerpo humano está formado por distintos tejidos de distintas densidades. En función de la parte del cuerpo que se desee radiografiar, será necesaria una mayor o menor intensidad de rayos X. Como podemos ver en la siguiente gráfica, la penetración de los rayos X aumenta conforme aumenta la energía de los fotones. Por tanto, al variar el espectro de emisión de los rayos X, varía la penetración de éstos al tejido humano, pudiéndose obtener imágenes radiográficas con más detalle cuanto mayor es la penetración.

En la siguiente imagen se muestran las energías necesarias para penetrar en diferentes partes del cuerpo.