Física 2 - aula 3 - Tubo de raio X

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Tubo de Raio X Um tubo de raios-X convencional (Figura 4) consiste de um anodo e uma catodo colocados dentro de uma ampola de vidro onde todo o ar foi retirado (sob vácuo). Figura 4. Tubo de Raios X convencional

Catodo O Cátodo é o polo negativo do tubo de Raios X. Divide-se em duas partes: Filamento e Focalizador.

Filamento Possuí a forma de espiral, feito de tungstênio, medindo cerca de 2 mm de diâmetro e 1 ou 2 de comprimento. Através dele sãos emitidos os elétrons, isto ocorre quando uma corrente de aproximadamente 6 A atravessa o filamento, aquecendo-o e gerando o processo de emissão termiônica. Quando o filamento é atravessado pela corrente, uma ionização ocorre nos átomos do tungstênio devido ao calor gerado e os elétrons das camadas externas são emitidos. O tungstênio é utilizado por permitir maior emissão termiônica que outros metais, e pelo seu lato ponto de fusão (3.370º C). Normalmente os filamentos de tungstênio são acrescidos de 1 a 2% de tório, aumentando assim a eficiência de emissão e a vida do tubo.

Focalizador: Sabemos que os elétrons são carregados negativamente, assim sendo, existe uma repulsão entre eles e como consequência um espalhamento, criando uma perda ao longo da trajetória cátodo-ânodo. Para evitar isto, o filamento do cátodo é envolvido por uma capa carregada negativamente de maneira a manter os elétrons mais unidos e concentrá-los numa área menor de ânodo.

Efeito Termiônico Quando ligamos o aparelho de Raios-X, uma corrente de baixa intensidade é transferida ao filamento, mantendo-o aquecido e preparado para receber uma quantidade maior a fim de gerar o calor necessário à emissão dos elétrons. Quando uma corrente passa através do filamento, elétrons não fluem no tubo por não ser a mesma ainda suficiente para dar início à emissão termiônico, além de não haver uma diferença de potencial suficiente entre ânodo e cátodo a fim de atrair os elétrons emitidos. Uma vez alcançado o valor mínimo para emissão termiônica um pequeno aumento na corrente corresponde a um grande aumento do fluxo de elétrons (corrente do tubo). Antes dos elétrons serem acelerados em direção ao ânodo, eles permanecem momentaneamente em volta do filamento. Carregados negativamente e repelindo-se, os elétrons tendem a formar uma nuvem sobre o filamento. Esta nuvem de elétrons chamada de “carga espacial”, criando grande dificuldade à subsequente emissão de elétrons pelo filamento devido à repulsão eletrostática. Este fenômeno é chamado de “efeito carga espacial”. O maior obstáculo em produzir-se tubos com correntes acima de 1000 mA, refere-se à construção de sistemas capazes de compensar o efeito mencionado.

Colimadores São dispositivos utilizados na saída do feixe de raios-X com o objetivo de controlar o ângulo de espalhamento deste tamanho do campo e reduzir as possíveis aberrações e distorções do feixe primário. Podem ser fixos e de abertura variável geralmente são confeccionados em chumbo com 3 mm de espessura e produzem campos retangulares ou quadrados. Operam em pares (vertical e horizontal) e são controlados de forma independentes. Atualmente existem colimadores de abertura variável que funcionam como diafragma de lentes fotográficas profissionais, produzindo um campo circular, que acarreta na exposição à radiação de áreas desnecessárias. Normalmente os colimadores são acompanhados de um dispositivo localizador luminoso composto de lâmpada e espelho. Quando este dispositivo estiver calibrado com o colimador, a projeção do feixe luminoso coincide com o feixe de raios-X. A figura 5 apresenta os desenhos de um colimador retangular e um colimador circular (diafragma)

Figura 6. Desenho esquemático de um colimador: a) retangular e b) circular

Ânodo O ânodo é o lado positivo do tubo de Raios-X. Existem dois tipos de ânodo: Ânodo fixo e Ânodo rotatório.

Ânodo Fixo O Ânodo Fixo é utilizado em tubos onde altas correntes ou grande potência sejam necessárias, como aparelhos de Raios-X dentários, unidades portáteis, etc. A maioria dos tubos de unidade de diagnóstico possui ânodo rotatório devido à utilização de altas intensidades de Raios-X em tempo curto. O ânodo funciona de três maneiras: Primeiro: recebe os elétrons emitidos perlo cátodo conduza-o através do tubo e então a seção de alta voltagem. Quando os elétrons se chocam contra o ânodo, mais de 95% de suas energias cinéticas são transformadas em calor. Este calor precisa ser conduzido para fora rapidamente para não derreter o ânodo. O material mais utilizado no ânodo é o cobre, por ser adequado na dissipação do calor. E, finalmente o ânodo também funciona como suporte para o alvo. Alvo: O alvo é a área do ânodo onde ocorre o impacto direto dos elétrons. No ando fixo o alvo é uma pequena parte do ânodo feito de uma liga de tungstênio, enquanto que (Figura 8) no ânodo rotatório o alvor todo o disco giratório, também é feito de uma liga de tungstênio, tendo alta resistência aos impactos do movimento de rotação.

Figura 8. Tipos de ânodo. A escolha do tungstênio deve-se a três razões: ➢ Alto número atômico, o que implica em grande eficiência na produção de Raios X e maior energia. ➢ Condutividade térmica quase igual à do cobre, o que resulta em uma rápida dissipação do calor produzido. ➢ Seu alto ponto de fusão (3.370°C), enquanto que a temperatura durante o bombardeamento de elétrons gira em torno de 2000° C.

Ânodo Giratório O ânodo giratório permite aos elétrons uma área maior de impacto, com isso, o calor resultante fica distribuído numa grande área podendo usar altas correntes enquanto que no ânodo fixo isto ocorre apenas em um ponto. O ânodo rotatório permite o uso de uma área centenas de vezes maiores que a de um ânodo fixo, com mesmo tamanho de foco. A capacidade calorífica pode ser ainda aumentada acrescentando-se o número de rotações do ânodo

Radiação Característica A radiação chamada de característica resulta de uma interação suficientemente forte para arrancar do átomo um elétron da camada interna (k). A excitação de um elétron da camada interna, não produz radiação característica. A produção de radiação característica foi ilustrada na Fig.10 na trilha “g” a radiação K é produzida quando um elétron do nível K é extraído do átomo, uma radiação (também chamada de linha L) seria produzida quando um elétron da camada L fosse extraído, e assim sucessivamente. Investigações cuidadosas têm mostrado que o nível L é realmente dividido em 3 subníveis LI, LII e LIII O M em 5 o L em 7 subníveis etc.