Tubo de Crookes

Os raios X foram observados pela primeira vez em tubos de descarga conhecidos como "tubos de Crookes", em homenagem a um de seus inventores, o físico britânico William Crookes.[8] Quando os usos dos raios X na medicina e na ciência foram descobertos, tubos de Crookes especializados começaram a ser fabricados para a produção de

Nos tubos de Crookes, os elétrons necessários para gerar o cátodo, constituído por uma placa de alumínio de formato côncavo, criavam um feixe de elétrons. Nos primeiros modelos, o ânodo era usado para acelerar os elétrons, que colidiam com o vidro na extremidade do tubo. Isso fez com que o tubo quebrasse depois de um certo tempo; Esse problema foi resolvido com a adoção do ânodo como alvo do feixe de elétrons, embora outros modelos utilizassem um terceiro eletrodo, o anticátodo, para a produção de raios X. Normalmente o anti-cátodo ou, na sua ausência, o ânodo, era feito de platina, posicionado obliquamente para que, graças à curvatura do cátodo, os elétrons fossem focados em uma área do ânodo com cerca de 1 mm de diâmetro, para produzir imagens mais nítidas.[9]​.

Os tubos funcionavam aplicando uma tensão de corrente contínua de até cerca de 100 quilovolts entre os ânodos e o cátodo. A tensão era gerada por uma bobina indutora ou, no caso de tubos grandes, por um gerador elétrico. A voltagem gerou e acelerou alguns íons do gás presente no tubo, que por sua vez ionizou outros átomos do gás em uma reação em cadeia. O cátodo emitiu elétrons quando íons carregados positivamente colidiram com o metal. Esses elétrons, juntamente com os emitidos pelo gás, causavam raios X no ânodo ou anticátodo por meio de Bremsstrahlung ou fluorescência.

Os tubos de Crookes eram instáveis. Com o passar do tempo, o gás residual em seu interior foi absorvido pelas paredes do tubo; Como consequência, a pressão foi reduzida, a voltagem aumentou e foram produzidos raios X de maior energia, até que o tubo parou de funcionar. Para evitar esse processo, era acoplado ao tubo um pequeno conduíte com mica ou outro material que emitia gás ao ser aquecido, restaurando assim a pressão inicial. As paredes de vidro do tubo escureciam após o uso continuado do tubo.[9]​.

Tubo Coolidge

Em 1913, William Coolidge fez várias melhorias no tubo de Crookes. O tubo Coolidge, também conhecido como "tubo de cátodo quente", tem sido usado desde então com algumas modificações no projeto básico. Ele opera em alto vácuo, cerca de 10 Pa "Pascal (unidade)"), ou 10 Torr, e os elétrons são gerados por emissão termiônica em um filamento de tungstênio - o cátodo - aquecido por uma corrente elétrica. O feixe de elétrons emitido pelo cátodo é acelerado pela aplicação de uma diferença de potencial entre o cátodo e o ânodo; Quando colidem com o ânodo, os elétrons produzem raios X pelos mesmos processos do tubo de Crookes.[10]​.

ânodo rotativo

O tubo anódico rotativo é um tubo Coolidge no qual o ânodo é girado por indução eletromagnética gerada por estatores localizados ao redor do tubo. Ao girar, o calor gerado pelo impacto do feixe de elétrons é distribuído por uma área superficial maior, o que permite aumentar a intensidade do feixe de elétrons em aplicações que requerem alta dose de raios X.[11]​.

Tubos de microfoco

Certas técnicas, como a microtomografia, requerem imagens de resolução muito alta que podem ser obtidas usando um feixe de raios X de seção pequena. Os tubos de microfoco produzem feixes com um diâmetro típico inferior a 50 µm. Os tubos de microfoco de ânodo sólido são semelhantes a um tubo Coolidge convencional, mas com o feixe de elétrons incidente em uma área muito pequena do ânodo, normalmente entre 5 e 20 µm; A densidade de potência do feixe de elétrons é limitada a um valor máximo de 0,4-0,8 W/µm para não derreter o ânodo,[12]​ então essas fontes não são muito potentes, por exemplo, 4-8 W para um feixe de elétrons de 10 µm de diâmetro.

Os tubos anódicos de metal líquido, por outro lado, podem operar com uma potência de 3-6 W/µm. Nestes instrumentos, o ânodo sólido é substituído por um jato de metal líquido, geralmente gálio em circulação contínua.[13]​[14]​ A potência total é uma ordem de grandeza maior que nas fontes de ânodo fixo, o que permite a redução do foco para 5 µm de diâmetro, acompanhada de uma melhoria na resolução da imagem e um menor tempo de exposição.

Cátodo de nanotubo de carbono

O cátodo usado nos tubos convencionais pode ser substituído por uma série de nanotubos de carbono que emitem elétrons quando uma voltagem lhes é aplicada, em vez de por aquecimento, como o filamento de tungstênio, para que possam operar em temperatura ambiente. Esse projeto foi idealizado por um grupo de cientistas da Universidade da Carolina do Norte e patenteado em 2000. Além de melhorar o consumo de energia, esse projeto apresenta vantagens em aplicações que exigem imagens de objetos em movimento: os feixes de elétrons de diferentes nanotubos emitem raios X em diferentes direções, não sendo necessário movimentar o aparelho, como é o caso de tubos com um único filamento, o que resultaria em mais imagens. afiado.[10]​[15]​.

Medicamento

Os primeiros usos de tubos de raios X na medicina e na odontologia datam do final do século. Os primeiros tubos de gás já eram utilizados para realizar fluoroscopia e raios X, explorando o contraste na absorção de Além de servirem como instrumentos de diagnóstico de lesões ósseas e dentárias, afecções do aparelho digestivo e na angiografia, fazem parte dos equipamentos utilizados em alguns procedimentos cirúrgicos, principalmente para visualizar o correto implante de dispositivos. Outra aplicação importante, principalmente no passado, foi na área de radioterapia, principalmente no tratamento de câncer e tumores, possibilitada pela capacidade dos raios X de causar morte celular. Embora os tubos de Crookes pudessem ser usados ​​para tratar tumores superficiais, foi somente com o desenvolvimento dos tubos de vácuo que a radiação com energia suficiente pôde ser obtida para atingir os tumores internos. Os tubos de raios X para esta aplicação requerem uma tensão muito alta e foram gradualmente substituídos por outras fontes de raios X, como aceleradores lineares.[17]​.

Inspeções comerciais e de segurança

Os tubos de raios X fazem parte dos dispositivos de segurança em aeroportos e edifícios públicos e para inspeção de mercadorias. No despacho de bagagem, o gerador de raios X emite radiação de amplo espectro e duas placas detectoras separadas por uma folha de metal, que só conseguem passar pela energia mais alta. No século, começaram a aparecer scanners de raios X de baixa energia, que podem passar pelas roupas, mas são refletidos por objetos densos. O feixe de raios X se move horizontal e verticalmente e os raios refletidos em cada posição formam uma imagem bidimensional da parte externa do corpo.[19]​.

Os tubos de raios X fazem parte dos equipamentos de inspeção de produtos e controle de qualidade em muitas indústrias que usam diversas técnicas, como fluoroscopia ou tomografia computadorizada.[20]​ Os tubos de microfoco são particularmente úteis para visualizar componentes eletrônicos em circuitos integrados.[21]​.

Análise de materiais

Os raios X são amplamente utilizados para examinar a estrutura, propriedades e composição de todos os tipos de materiais orgânicos e inorgânicos. Os tubos de raios X são utilizados em difratômetros, instrumentos utilizados para estudar material cristalino por meio da difração de raios X, com o objetivo de identificar minerais e compostos inorgânicos e determinar a estrutura da matéria em resolução atômica. Esses experimentos são cruciais para pesquisa e desenvolvimento em disciplinas tão diversas como geologia, biologia, física da matéria e ciências ambientais.[22]​[23]​ Eles também são usados ​​como fonte de

Em experimentos analíticos é comum descartar os raios X gerados pela radiação de frenagem e utilizar apenas o feixe monocromático correspondente à emissão característica do ânodo. Isto pode ser conseguido através do uso de monocromadores e filtros que são pouco absorventes no comprimento de onda de interesse, mas mais opacos aos raios X de comprimentos de onda mais curtos, normalmente um metal com número atômico Z inferior ao metal usado no ânodo.[25]​.

Quando os raios X foram descobertos, eles não eram suspeitos de serem perigosos para a saúde e, por um tempo, eram oculares de alta voltagem.[16]​[26]​ Foi finalmente estabelecido que uma dose de 3 mSv") pode causar vermelhidão e irritação da pele. Como alguns tubos podem resultar em exposições entre 10 e 10.000 mSv/h, é necessário adotar medidas para minimizar a dose recebida durante o uso e manuseio de raios X tubos.[27]​.

Em todas as fontes modernas, o tubo é cercado por um invólucro protetor de chumbo, que absorve todos os raios X, exceto aqueles direcionados à janela de saída.[28] Dispositivos também são usados ​​para regular a voltagem máxima no tubo, e filtros e colimadores para confinar o tubo. Mesmo quando a dose recebida em uma única exposição não é alta o suficiente para causar efeitos de curto prazo, o acúmulo de exposições repetidas aumenta o risco de desenvolver câncer, de modo que protocolos de segurança são normalmente implementados – por exemplo, uma exigência de oclusão da área a ser tratada; Na medicina diagnóstica, os pacientes são colocados a uma certa distância, para reduzir a dose por unidade de área, e os tempos de exposição são usados ​​o mais curtos possível.[27]​.

Tubo de Crookes

Os raios X foram observados pela primeira vez em tubos de descarga conhecidos como "tubos de Crookes", em homenagem a um de seus inventores, o físico britânico William Crookes.[8] Quando os usos dos raios X na medicina e na ciência foram descobertos, tubos de Crookes especializados começaram a ser fabricados para a produção de

Nos tubos de Crookes, os elétrons necessários para gerar o cátodo, constituído por uma placa de alumínio de formato côncavo, criavam um feixe de elétrons. Nos primeiros modelos, o ânodo era usado para acelerar os elétrons, que colidiam com o vidro na extremidade do tubo. Isso fez com que o tubo quebrasse depois de um certo tempo; Esse problema foi resolvido com a adoção do ânodo como alvo do feixe de elétrons, embora outros modelos utilizassem um terceiro eletrodo, o anticátodo, para a produção de raios X. Normalmente o anti-cátodo ou, na sua ausência, o ânodo, era feito de platina, posicionado obliquamente para que, graças à curvatura do cátodo, os elétrons fossem focados em uma área do ânodo com cerca de 1 mm de diâmetro, para produzir imagens mais nítidas.[9]​.

Os tubos funcionavam aplicando uma tensão de corrente contínua de até cerca de 100 quilovolts entre os ânodos e o cátodo. A tensão era gerada por uma bobina indutora ou, no caso de tubos grandes, por um gerador elétrico. A voltagem gerou e acelerou alguns íons do gás presente no tubo, que por sua vez ionizou outros átomos do gás em uma reação em cadeia. O cátodo emitiu elétrons quando íons carregados positivamente colidiram com o metal. Esses elétrons, juntamente com os emitidos pelo gás, causavam raios X no ânodo ou anticátodo por meio de Bremsstrahlung ou fluorescência.

Os tubos de Crookes eram instáveis. Com o passar do tempo, o gás residual em seu interior foi absorvido pelas paredes do tubo; Como consequência, a pressão foi reduzida, a voltagem aumentou e foram produzidos raios X de maior energia, até que o tubo parou de funcionar. Para evitar esse processo, era acoplado ao tubo um pequeno conduíte com mica ou outro material que emitia gás ao ser aquecido, restaurando assim a pressão inicial. As paredes de vidro do tubo escureciam após o uso continuado do tubo.[9]​.

Tubo Coolidge

Em 1913, William Coolidge fez várias melhorias no tubo de Crookes. O tubo Coolidge, também conhecido como "tubo de cátodo quente", tem sido usado desde então com algumas modificações no projeto básico. Ele opera em alto vácuo, cerca de 10 Pa "Pascal (unidade)"), ou 10 Torr, e os elétrons são gerados por emissão termiônica em um filamento de tungstênio - o cátodo - aquecido por uma corrente elétrica. O feixe de elétrons emitido pelo cátodo é acelerado pela aplicação de uma diferença de potencial entre o cátodo e o ânodo; Quando colidem com o ânodo, os elétrons produzem raios X pelos mesmos processos do tubo de Crookes.[10]​.

ânodo rotativo

O tubo anódico rotativo é um tubo Coolidge no qual o ânodo é girado por indução eletromagnética gerada por estatores localizados ao redor do tubo. Ao girar, o calor gerado pelo impacto do feixe de elétrons é distribuído por uma área superficial maior, o que permite aumentar a intensidade do feixe de elétrons em aplicações que requerem alta dose de raios X.[11]​.

Tubos de microfoco

Certas técnicas, como a microtomografia, requerem imagens de resolução muito alta que podem ser obtidas usando um feixe de raios X de seção pequena. Os tubos de microfoco produzem feixes com um diâmetro típico inferior a 50 µm. Os tubos de microfoco de ânodo sólido são semelhantes a um tubo Coolidge convencional, mas com o feixe de elétrons incidente em uma área muito pequena do ânodo, normalmente entre 5 e 20 µm; A densidade de potência do feixe de elétrons é limitada a um valor máximo de 0,4-0,8 W/µm para não derreter o ânodo,[12]​ então essas fontes não são muito potentes, por exemplo, 4-8 W para um feixe de elétrons de 10 µm de diâmetro.

Os tubos anódicos de metal líquido, por outro lado, podem operar com uma potência de 3-6 W/µm. Nestes instrumentos, o ânodo sólido é substituído por um jato de metal líquido, geralmente gálio em circulação contínua.[13]​[14]​ A potência total é uma ordem de grandeza maior que nas fontes de ânodo fixo, o que permite a redução do foco para 5 µm de diâmetro, acompanhada de uma melhoria na resolução da imagem e um menor tempo de exposição.

Cátodo de nanotubo de carbono

O cátodo usado nos tubos convencionais pode ser substituído por uma série de nanotubos de carbono que emitem elétrons quando uma voltagem lhes é aplicada, em vez de por aquecimento, como o filamento de tungstênio, para que possam operar em temperatura ambiente. Esse projeto foi idealizado por um grupo de cientistas da Universidade da Carolina do Norte e patenteado em 2000. Além de melhorar o consumo de energia, esse projeto apresenta vantagens em aplicações que exigem imagens de objetos em movimento: os feixes de elétrons de diferentes nanotubos emitem raios X em diferentes direções, não sendo necessário movimentar o aparelho, como é o caso de tubos com um único filamento, o que resultaria em mais imagens. afiado.[10]​[15]​.

Medicamento

Os primeiros usos de tubos de raios X na medicina e na odontologia datam do final do século. Os primeiros tubos de gás já eram utilizados para realizar fluoroscopia e raios X, explorando o contraste na absorção de Além de servirem como instrumentos de diagnóstico de lesões ósseas e dentárias, afecções do aparelho digestivo e na angiografia, fazem parte dos equipamentos utilizados em alguns procedimentos cirúrgicos, principalmente para visualizar o correto implante de dispositivos. Outra aplicação importante, principalmente no passado, foi na área de radioterapia, principalmente no tratamento de câncer e tumores, possibilitada pela capacidade dos raios X de causar morte celular. Embora os tubos de Crookes pudessem ser usados ​​para tratar tumores superficiais, foi somente com o desenvolvimento dos tubos de vácuo que a radiação com energia suficiente pôde ser obtida para atingir os tumores internos. Os tubos de raios X para esta aplicação requerem uma tensão muito alta e foram gradualmente substituídos por outras fontes de raios X, como aceleradores lineares.[17]​.

Inspeções comerciais e de segurança

Os tubos de raios X fazem parte dos dispositivos de segurança em aeroportos e edifícios públicos e para inspeção de mercadorias. No despacho de bagagem, o gerador de raios X emite radiação de amplo espectro e duas placas detectoras separadas por uma folha de metal, que só conseguem passar pela energia mais alta. No século, começaram a aparecer scanners de raios X de baixa energia, que podem passar pelas roupas, mas são refletidos por objetos densos. O feixe de raios X se move horizontal e verticalmente e os raios refletidos em cada posição formam uma imagem bidimensional da parte externa do corpo.[19]​.

Os tubos de raios X fazem parte dos equipamentos de inspeção de produtos e controle de qualidade em muitas indústrias que usam diversas técnicas, como fluoroscopia ou tomografia computadorizada.[20]​ Os tubos de microfoco são particularmente úteis para visualizar componentes eletrônicos em circuitos integrados.[21]​.

Análise de materiais

Os raios X são amplamente utilizados para examinar a estrutura, propriedades e composição de todos os tipos de materiais orgânicos e inorgânicos. Os tubos de raios X são utilizados em difratômetros, instrumentos utilizados para estudar material cristalino por meio da difração de raios X, com o objetivo de identificar minerais e compostos inorgânicos e determinar a estrutura da matéria em resolução atômica. Esses experimentos são cruciais para pesquisa e desenvolvimento em disciplinas tão diversas como geologia, biologia, física da matéria e ciências ambientais.[22]​[23]​ Eles também são usados ​​como fonte de

Em experimentos analíticos é comum descartar os raios X gerados pela radiação de frenagem e utilizar apenas o feixe monocromático correspondente à emissão característica do ânodo. Isto pode ser conseguido através do uso de monocromadores e filtros que são pouco absorventes no comprimento de onda de interesse, mas mais opacos aos raios X de comprimentos de onda mais curtos, normalmente um metal com número atômico Z inferior ao metal usado no ânodo.[25]​.

Quando os raios X foram descobertos, eles não eram suspeitos de serem perigosos para a saúde e, por um tempo, eram oculares de alta voltagem.[16]​[26]​ Foi finalmente estabelecido que uma dose de 3 mSv") pode causar vermelhidão e irritação da pele. Como alguns tubos podem resultar em exposições entre 10 e 10.000 mSv/h, é necessário adotar medidas para minimizar a dose recebida durante o uso e manuseio de raios X tubos.[27]​.

Em todas as fontes modernas, o tubo é cercado por um invólucro protetor de chumbo, que absorve todos os raios X, exceto aqueles direcionados à janela de saída.[28] Dispositivos também são usados ​​para regular a voltagem máxima no tubo, e filtros e colimadores para confinar o tubo. Mesmo quando a dose recebida em uma única exposição não é alta o suficiente para causar efeitos de curto prazo, o acúmulo de exposições repetidas aumenta o risco de desenvolver câncer, de modo que protocolos de segurança são normalmente implementados – por exemplo, uma exigência de oclusão da área a ser tratada; Na medicina diagnóstica, os pacientes são colocados a uma certa distância, para reduzir a dose por unidade de área, e os tempos de exposição são usados ​​o mais curtos possível.[27]​.