Ampola de raios X: diferenças entre revisões
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Uma ampola de [[raios X]] chamada também de tubo de Coolidge<ref name="Bushong"/><ref name="Clark"/>, é uma [[válvula termiônica]], cuja função é a produção de um feixe de raios X. |
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Uma '''ampola de Raios-X''' chamada também de '''tubo de [[William David Coolidge|Coolidge]]''', é um dispositivo [[Eletrônica|eletrônico]] cuja função é a produção de um feixe de [[elétron]]s acelerados ,composta de um invólucro de alto [[vácuo]], em que num extremo existe um [[cátodo]] que é aquecido por uma [[corrente elétrica]] de grande magnitude que passa por um [[filamento]], emitindo assim o [[feixe eletrônico]] que é dirigido por bobinas defletoras e acelerado contra um anteparo ([[Placa]] ou [[Ânodo]]) por [[bobina]]s aceleradoras semelhante à um [[tubo de raios catódicos]]. |
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[[Ficheiro:WaterCooledXrayTube.svg|miniaturadaimagem|Diagrama de uma ampola de raios X (tubo de Coolidge) com anodo fixo.]] |
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A ampola, que pode ser de vidro ([[Pyrex]]) ou metal, tem seu interior mantido em [[vácuo]] e possui dois [[Elétrodo|eletrodos]]: um [[catodo]] e um [[anodo]]. No catodo há um [[filamento]] que quando atravessado por uma [[corrente elétrica]] gera calor. Uma vez aquecido, o filamento emite [[elétrons]] pelo [[Efeito termiônico|efeito termoiônico]]. Estes elétrons são acelerados em direção ao anodo em função de uma [[diferença de potencial]] existente entre estes eletrodos. Quando os elétrons atingem o anodo, sofrem uma desaceleração brusca e sua [[energia cinética]] é, em sua maior parte, convertida em calor e também em raios X por meio do fenômeno do [[bremsstrahlung|''bremsstrahlung'']] (do alemão: radiação de freamento).<ref name="Bushong" /><ref name="Scaff" /><ref name="CBR" /> |
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== Catodo == |
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Basicamente a ampola de [[raios-x]] é [[válvula termiônica]], o cátodo, uma vez incandescente, gera um alto fluxo de elétrons, que após acelerados atingem ao ânodo ou placa. |
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O catodo é o eletrodo negativo e sua função é fornecer os elétrons que serão acelerados em direção ao anodo pelo [[campo elétrico]] existente entre os dois eletrodos. |
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O catodo possui um ou dois filamentos feitos de uma liga de [[tungstênio]] e [[tório]]. Quando uma corrente elétrica atravessa o filamento é gerado calor pelo [[efeito Joule]], o filamento atinge temperaturas da ordem de 2000 °C (a temperatura de fusão do tungstênio é de 3410 °C). Nesta temperatura, por meio do efeito termoiônico, o filamento emite elétrons. A presença de 1 a 2% de tório no tungstênio aumenta a eficiência da emissão e prolonga a vida do catodo.<ref name="Bushong" /><ref name="Brown" /><ref name="Clark" /> |
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A placa da ampola tem formato oco e é confeccionada em [[tungstênio]], ou [[grafite]]. Ao ser atingida pelo feixe eletrônico, aquece praticamente à temperatura de fusão do tungstênio, portanto, necessita ser refrigerada com um óleo especial que circula por si e é levado para um [[trocador de calor]]. |
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Os elétrons são emitidos a partir do filamento em todas as direções, além disso, como todos possuem a mesma [[carga]] negativa, ocorre uma repulsão entre eles o que leva a uma desfocalização do feixe ao chegar no anodo. Para evitar esse problema, um eletrodo de focalização (ou capa focalizadora) carregado negativamente e localizado ao redor do filamento é usado para confinar [[Eletrostática|eletrostaticamente]] os elétrons.<ref name="Bushong" /><ref name="Brown" /><ref name="Clark" /> |
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O [[gradiente]] térmico ocorre pelo fato dos elétrons acelerados ganharem energia no processo de [[aceleração]] e [[desaceleração]] repentina, que no momento da [[frenagem]], emitem parte da energia adquirida em forma de um [[pulso de radiação eletromagnética]] chamada de [[Bremsstrahlung]] (radiação de freio). |
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== Anodo == |
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A energia emitida, devidas variações das colisões, gera diferentes níveis energéticos de [[emissão]]. Isto ocorre devida angulação da [[trajetória]] dos elétrons do feixe eletrônico ser diversa, e estes perdem sua energia em níveis diferentes ocasionados por choques energeticamente diferentes, ampliando assim a ''largura de faixa'' de emissão do [[espectro eletromagnético]] em comprimentos de ondas diversos, desta forma as freqüências emitidas contém em seu espectro o [[comprimento de onda]] dos ''raios-X'' que vai de 0,05 [[ângström]] até centenas de angströns. |
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Em uma ampola de raios X, o eletrodo positivo é o anodo e é onde o feixe de elétrons colide e produz os raios X. |
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O principal problema no seu projeto deve-se a ineficiência na produção dos raios X, uma vez que mais de 99% da energia cinética dos elétrons que atingem o anodo é transformada em calor.<ref name="Bushong" /><ref name="Brown" /> |
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== {{Ver também}} == |
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[[Ficheiro:Rotating anode x-ray tube (labeled).jpg|miniaturadaimagem|Ampola de raios X com anodo giratório.]] |
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* [[Radiologia]] |
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Existem dois tipos de anodos: |
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* anodo fixo: são usados em equipamentos [[Odontologia|odontológicos]] e equipamentos portáteis que não necessitam de correntes elevadas.<ref name="Bushong" /> Nestes o anodo é feito com um material com boa [[capacidade térmica]] como o cobre. O ponto do anodo no qual o feixe de elétrons incide é chamado de alvo e é feito com uma liga de tungstênio ou [[molibdênio]] impregnado no cobre. Estes materiais possuem alto [[ponto de fusão]] e o tungstênio, em particular, possui elevado [[número atômico]] o que aumenta a eficiência na produção dos raios X.<ref name="Bushong" /><ref name="Brown" /><ref name="Emico2" />. Estes anodos podem ser refrigerados com água, no caso de aparelhos usados em [[cristalografia]] ou ainda com óleo no caso de aparelhos para [[radiografia]].<ref name="Brown"/> |
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* anodo giratório: o anodo tem o formato de um disco e possui um eixo ligado a um motor. Durante seu funcionamento o disco gira continuamente e o feixe de elétrons incide em sua borda, dessa forma a área na qual o calor é gerado é muito maior que no caso do anodo fixo, melhorando a dissipação térmica.<ref name="Bushong" /><ref name="Brown" /> Quanto maior a rotação, melhor a dissipação térmica. Na maioria dos tubos de raios X a rotação é de 3600 rpm (rotações por minuto), enquanto em tubos alta capacidade podem chegar a 10000 rpm.<ref name="Bushong" /> |
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== Produção dos raios X == |
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Ao atingirem o anodo, a maioria dos elétrons perdem sua energia cinética nas inúmeras colisões com os átomos do anodo, convertendo-a em calor. Alguns elétrons participam na produção de raios X por dois processos fundamentais: a emissão de [[Bremsstrahlung|raios X de freamento]] e a emissão de raios X característicos (ou de [[fluorescência]]).<ref name="Emico2"/> |
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Já os raios X de freamento ocorrem quando os elétrons aproximam-se dos [[Núcleo atómico|núcleos]] dos átomos que compõem o alvo e sofrem uma desaceleração brusca devido ao [[Campo (física)|campo coulombiano]] do núcleo. Estes raios X são chamados de ''bremsstrahlung'' (do alemão: radiação de freamento) e produzem um espectro contínuo de energia, variando de valores próximos de zero até um valor máximo que corresponde a toda a energia cinética do elétron.<ref name="Emico2"/> |
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<ref name="Bushong">{{Citar livro|autor=Stewart Carlyle Bushong|título=Ciência radiológica para tecnólogos|subtítulo=Física, biologia e proteção|edição=9ª|editora=Elsevier|ano=2010|página=123|capítulo=Cap. 7 - O tubo de raios X|isbn =978-8535237320}}</ref> |
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<ref name="Scaff">{{Citar livro|autor=Luiz Alberto M. Scaff|título=Bases Físicas da Radiologia|subtítulo=Diagnóstico e terapia|local=São Paulo|editora= Sarvier|ano=1979|página=22-23|capítulo=Cap. 2 - Produção de raios X}}</ref> |
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<ref name="CBR">{{Citar livro|url=https://cbr.org.br/wp-content/uploads/2019/06/Apostila-de-Fisica_2008.pdf|autor=Júlio César de A. C. R. Soares|título=Princípios de física em radiodiagnóstico|formato=pdf|edição=2ª|local=São Paulo|editora= Colégio Brasileiro de Radiologia|ano=2008|página=41-42|capítulo=Cap. 3 - Formação de imagens em radiologia|seção=3.2 - Geração de raios X|acessodata=17/12/2019|isbn =978-85-87950-10-9|}}</ref> |
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<ref name="Brown">{{Citar livro|autor=J.G. Brown|título=X-rays and their applications|língua=en|editora=New York Plenum Press|ano=1966|capítulo=Cap. 2 - Generation of X-rays|isbn =978-1-4613-4398-1}}</ref> |
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<ref name=Emico2>{{Citar livro|nome=Emico|sobrenome=Okuno|nome2=Elisabeth|sobrenome2=Yoshimura|título=Física das radiações|local=São Paulo|editora=Oficina de textos|ano=2010|página=35 e 254|capítulo=Capítulo 2 - Raios X |isbn =978-85-7975-005-2}}</ref> |
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<ref name="Clark">{{Citar livro|autor=George L. Clark|título=Applied X-rays|língua=en|edição=2ª|local=Nova York|editora=McGraw-Hill|ano=1955|capítulo=Cap.2 - X-rays tubes}}</ref> |
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Revisão das 13h09min de 1 de janeiro de 2020
Uma ampola de raios X chamada também de tubo de Coolidge[1][2], é uma válvula termiônica, cuja função é a produção de um feixe de raios X.
A ampola, que pode ser de vidro (Pyrex) ou metal, tem seu interior mantido em vácuo e possui dois eletrodos: um catodo e um anodo. No catodo há um filamento que quando atravessado por uma corrente elétrica gera calor. Uma vez aquecido, o filamento emite elétrons pelo efeito termoiônico. Estes elétrons são acelerados em direção ao anodo em função de uma diferença de potencial existente entre estes eletrodos. Quando os elétrons atingem o anodo, sofrem uma desaceleração brusca e sua energia cinética é, em sua maior parte, convertida em calor e também em raios X por meio do fenômeno do bremsstrahlung (do alemão: radiação de freamento).[1][3][4]
Catodo
O catodo é o eletrodo negativo e sua função é fornecer os elétrons que serão acelerados em direção ao anodo pelo campo elétrico existente entre os dois eletrodos.
O catodo possui um ou dois filamentos feitos de uma liga de tungstênio e tório. Quando uma corrente elétrica atravessa o filamento é gerado calor pelo efeito Joule, o filamento atinge temperaturas da ordem de 2000 °C (a temperatura de fusão do tungstênio é de 3410 °C). Nesta temperatura, por meio do efeito termoiônico, o filamento emite elétrons. A presença de 1 a 2% de tório no tungstênio aumenta a eficiência da emissão e prolonga a vida do catodo.[1][5][2]
Os elétrons são emitidos a partir do filamento em todas as direções, além disso, como todos possuem a mesma carga negativa, ocorre uma repulsão entre eles o que leva a uma desfocalização do feixe ao chegar no anodo. Para evitar esse problema, um eletrodo de focalização (ou capa focalizadora) carregado negativamente e localizado ao redor do filamento é usado para confinar eletrostaticamente os elétrons.[1][5][2]
Anodo
Em uma ampola de raios X, o eletrodo positivo é o anodo e é onde o feixe de elétrons colide e produz os raios X.
O principal problema no seu projeto deve-se a ineficiência na produção dos raios X, uma vez que mais de 99% da energia cinética dos elétrons que atingem o anodo é transformada em calor.[1][5]
.jpg)
Existem dois tipos de anodos:
- anodo fixo: são usados em equipamentos odontológicos e equipamentos portáteis que não necessitam de correntes elevadas.[1] Nestes o anodo é feito com um material com boa capacidade térmica como o cobre. O ponto do anodo no qual o feixe de elétrons incide é chamado de alvo e é feito com uma liga de tungstênio ou molibdênio impregnado no cobre. Estes materiais possuem alto ponto de fusão e o tungstênio, em particular, possui elevado número atômico o que aumenta a eficiência na produção dos raios X.[1][5][6]. Estes anodos podem ser refrigerados com água, no caso de aparelhos usados em cristalografia ou ainda com óleo no caso de aparelhos para radiografia.[5]
- anodo giratório: o anodo tem o formato de um disco e possui um eixo ligado a um motor. Durante seu funcionamento o disco gira continuamente e o feixe de elétrons incide em sua borda, dessa forma a área na qual o calor é gerado é muito maior que no caso do anodo fixo, melhorando a dissipação térmica.[1][5] Quanto maior a rotação, melhor a dissipação térmica. Na maioria dos tubos de raios X a rotação é de 3600 rpm (rotações por minuto), enquanto em tubos alta capacidade podem chegar a 10000 rpm.[1]
Produção dos raios X
Ao atingirem o anodo, a maioria dos elétrons perdem sua energia cinética nas inúmeras colisões com os átomos do anodo, convertendo-a em calor. Alguns elétrons participam na produção de raios X por dois processos fundamentais: a emissão de raios X de freamento e a emissão de raios X característicos (ou de fluorescência).[6]
Os raios X característicos produzem um espectro de linhas ou raias com energias bem definidas características do material do alvo.[6]
Já os raios X de freamento ocorrem quando os elétrons aproximam-se dos núcleos dos átomos que compõem o alvo e sofrem uma desaceleração brusca devido ao campo coulombiano do núcleo. Estes raios X são chamados de bremsstrahlung (do alemão: radiação de freamento) e produzem um espectro contínuo de energia, variando de valores próximos de zero até um valor máximo que corresponde a toda a energia cinética do elétron.[6]
Referências
- ↑ a b c d e f g h i Stewart Carlyle Bushong (2010). «Cap. 7 - O tubo de raios X». Ciência radiológica para tecnólogos. Física, biologia e proteção 9ª ed. [S.l.]: Elsevier. p. 123. ISBN 978-8535237320
- ↑ a b c George L. Clark (1955). «Cap.2 - X-rays tubes». Applied X-rays (em inglês) 2ª ed. Nova York: McGraw-Hill
- ↑ Luiz Alberto M. Scaff (1979). «Cap. 2 - Produção de raios X». Bases Físicas da Radiologia. Diagnóstico e terapia. São Paulo: Sarvier. p. 22-23
- ↑ Júlio César de A. C. R. Soares (2008). «Cap. 3 - Formação de imagens em radiologia». Princípios de física em radiodiagnóstico (pdf) 2ª ed. São Paulo: Colégio Brasileiro de Radiologia. p. 41-42. ISBN 978-85-87950-10-9. Consultado em 17 de dezembro de 2019
- ↑ a b c d e f J.G. Brown (1966). «Cap. 2 - Generation of X-rays». X-rays and their applications (em inglês). [S.l.]: New York Plenum Press. ISBN 978-1-4613-4398-1
- ↑ a b c d Okuno, Emico; Yoshimura, Elisabeth (2010). «Capítulo 2 - Raios X». Física das radiações. São Paulo: Oficina de textos. p. 35 e 254. ISBN 978-85-7975-005-2