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Raio X

Física dos raios X

Os raios X são radiações da mesma natureza da radiação gama (ondas eletromagnéticas), com características semelhantes. Só diferem da radiação gama pela origem, ou seja, os raios X não são emitidos do núcleo do átomo.

Os raios X são radiações de natureza eletromagnética, que se propagam no ar (ou vácuo). Essa radiação é produzida quando ocorre o bombardeamento de um material metálico de alto número atômico (tungstênio), resultando na produção de radiação X por freamento ou ionização.

Propriedade dos raios X

Raio X

Os raios X são produzidos quando elétrons em alta velocidade, provenientes do filamento aquecido, chocam-se com o alvo (anodo) produzindo radiação. O feixe de raios X pode ser considerado como um “chuveiro” de fótons distribuídos de modo aleatório. Os raios X possuem propriedades que os tornam extremamente úteis.

Enegrecem filme fotográfico;

Provocam luminescência em determinados sais metálicos;

São radiação eletromagnética, portanto não são defletidos por campos elétricos ou magnéticos pois não tem carga;

Tornam-se “duros” (mais penetrantes) após passarem por materiais absorvedores;

roduzem radiação secundária (espalhada) ao atravessar um corpo;

Propagam-se em linha reta e em todas as direções;

Atravessam um corpo tanto melhor, quanto maior for a tensão (voltagem) do tubo (kV);

No vácuo, propagam-se com a velocidade da luz;

Obedecem a lei do inverso do quadrado da distância (1/r2), ou seja, reduz sua intensidade dessa forma;

Podem provocar mudanças biológicas, que podem ser benignas ou malignas, ao interagir com sistemas biológicos.

As máquinas de raios X foram projetadas de modo que um grande número de elétrons são produzidos e acelerados para atingirem um anteparo sólido (alvo) com alta energia cinética. Este fenômeno ocorre em um tubo de raios X que é um conversor de energia. Recebe energia elétrica que converte em raios X e calor.

O calor é um subproduto indesejável no processo. O tubo de raios X é projetado para maximizar a produção de raios X e dissipar o calor tão rápido quanto possível.

Elementos do tubo de raios X

O tubo de raios X possui dois elementos principais e que serão a partir de agora objeto de estudo: catodo e anodo.

Raio X

O catodo é o eletrodo negativo do tubo. É constituído de duas partes principais: o filamento e o copo focalizador. A função básica do catodo é emitir elétrons e focalizá-los em forma de um feixe bem definido apontado para o anodo. Em geral, o catodo consiste de um pequeno fio em espiral (ou filamento) dentro de uma cavidade (copo de focagem) como mostrado na figura anterior.

O filamento é normalmente feito de Tungstênio (com pequeno acréscimo de Tório) Toriado, pois esta liga tem alto ponto de fusão e não vaporiza facilmente (a vaporização do filamento provoca o enegrecimento do interior do tubo e a conseqüente mudança nas características elétricas do mesmo). A queima do filamento é, talvez, a mais provável causa da falha de um tubo.

O corpo de focagem serve para focalizar os elétrons que saem do catodo e fazer com que eles “batam” no anodo e não em outras partes. A corrente do tubo é controlada pelo grau de aquecimento do filamento (catodo). Quanto mais aquecido for o filamento, mais elétrons serão emitidos pelo mesmo, e maior será a corrente que fluirá entre anodo e catodo. Assim , a corrente de filamento controla a corrente entre anodo e catodo.

Raio X

O anodo é o pólo positivo do tubo, serve de suporte para o alvo e atua como elemento condutor de calor. O anodo deve ser de um material (tungstênio) de boa condutividade térmica, alto ponto de fusão e alto número atômico, de forma a otimizar a relação de perda de energia dos elétrons por radiação (raios X) e a perda de energia por aquecimento. Existem dois tipos de anodo: anodo fixo e anodo giratório.

Os tubos de anodo fixo são usualmente utilizados em máquinas de baixa corrente, tais como: raios X dentário, raios X portátil, máquinas de radioterapia, raios X industrial, etc.

Os tubos de anodo giratório são usados em máquinas de alta corrente, normalmente utilizadas em radiodiagnóstico. Ele permite altas correntes pois a área de impacto dos elétrons fica aumentada. Como exemplo, tomemos um alvo fixo, cuja área de impacto é de 1mm x 4 mm, isto é, 4 mm2. Se este alvo girar com um raio de giro igual 30mm, a área de impacto seria aproximadamente: 754mm2; nestas condições, o tubo giratório teria cerca de 200 vezes mais área do que o tubo fixo.

O anodo e o catodo ficam acondicionados no interior de um invólucro fechado (tubo ou ampola), que está acondicionado no interior do cabeçote do RX. A ampola é geralmente constituída de vidro de alta resistência e mantida em vácuo, e tem função de promover isolamento térmico e elétrico entre anodo e catodo. O cabeçote contém a ampola e demais acessórios. É revestido de chumbo cuja função é de blindar a radiação de fuga e permitir a passagem do feixe de radiação apenas pela janela radiotransparente direcionando desta forma o feixe. O espaço é preenchido com óleo que atua como isolante elétrico e térmico.

Radiação de Freamento (Bremsstrahlung)

Raio X

Essa radiação é produzida quando um elétron passa próximo ao núcleo de um átomo de tungstênio, sendo atraído pelo núcleo deste e desviado de sua trajetória original. Com isto, o elétron perde uma parte de sua energia cinética original, emitindo parte dela como fótons de radiação, de alta e baixa energia e comprimento de onda diferentes, dependendo do nível de profundidade atingida pelo elétron do metal alvo. Isto significa dizer que, enquanto penetra no material, cada elétron sofre uma perda energética que irá gerar radiação (fótons) com energia e comprimento de onda também menores. Se formos considerar percentualmente a radiação produzida, veremos que 99 por cento dela é emitida como calor e somente 1 por cento possui energia com características de radiação X.

Existem situações (raras) em que alguns elétrons muito energéticos se chocam diretamente com os núcleos, convertendo toda a sua energia cinética em um fóton de alta energia e freqüência (a rigor, esta seria uma outra forma de geração de radiação, onde a energia do fóton gerado é igual à energia do elétron incidente, o que se configura como um fóton de máxima energia).

Durante o bombardeamento do alvo, todas as possibilidades em termos de geração de fótons acontecem, na medida que temos interações diferentes entre elétrons incidentes com o material do alvo, gerando fótons de diferentes energias.

A radiação de freamento, ou Bremsstrahlung, se caracteriza por ter uma distribuição de energia relativa aos fótons gerados, bastante ampla, como mostra a figura a seguir.

Raio X

Como se pode observar pelo gráfico ao lado, a maioria dos fótons obtidos possui baixa energia, sendo que somente uns poucos têm a energia equivalente à diferença de potencial (voltagem) aplicada ao tubo. Esse gráfico mostra que são gerados muitos fótons de baixa energia, o que pode ser perigoso para o paciente irradiado, pois estes fótons de baixa energia interagem com os tecidos vivos, sem contribuir para a formação da imagem radiográfica.

O espectro, distribuição das energias dos fótons gerados por uma radiação de freamento, é mostrado na figura a seguir, onde se pode observar que a radiação não é monoenergética, mas sim polienergética, pois temos fótons de diferentes energias, em quantidades diferentes.

Raio X

Radiação característica

Pelo visto anteriormente, alguns fótons interagem diretamente com os núcleos, convertendo toda sua energia em radiação, sem modificar o átomo alvo, ou seja, sem ionizá-lo.

Raio X

Existem situações, no entanto, em que elétron pode interagir com um átomo quebrando sua neutralidade (ionizando-o), ao retirar dele elétrons pertencentes à sua camada mais interna (K). Ao retirar o elétron da camada K, começa o processo de preenchimento dessa lacuna (busca de equilíbrio), por elétrons de camada superiores. Dependendo de camada que vem o elétron que ocupa a lacuna da camada K, teremos níveis de radiação diferenciados.

Raio X

Como exemplo, vamos considerar que um elétron da camada L ocupe a lacuna da camada K, emitindo uma radiação da ordem de 59 keV; se o elétron ocupante vem da camada M, a energia gerada é da ordem de 67 keV; se o elétron ocupante vem da camada N, teremos uma radiação da ordem de 69 keV.

Quando se usa como alvo um material com o tungstênio, o bombardeamento por elétrons de alta energia gera uma radiação com características específicas (radiação característica), pois esse material possui um número atômico definido (bastante alto), necessitando um nível alto de energia para retirar os elétrons de sua camada K.

A energia da radiação gerada por um alvo de tungstênio é da ordem de 70 keV. A condição necessária e imprescindível para que se produza a radiação característica do tungstênio é que os fótons devem ter uma energia máxima superior a 70 keV, já que a energia de ligação da camada K é da ordem de 70 keV.

Como se da o processo de geração da radiação característica do tungstênio?

Exemplo: Quando bombardeamos um alvo de tungstênio com elétrons submetidos a uma tensão de 100 kV, serão gerados fótons com energia de poucos keV até 100 keV, mas uma grande parte deles terão energia da ordem de 70 keV, característica do tungstênio.

Cada material emite um nível definido de radiação característica, dependendo de seu número atômico, como são os casos do tungstênio (radiologia convencional) e molibidênio (mamografia), que possuem radiações características da ordem de 70 keV e 20 keV, respectivamente.

Essa figura é o resultado da superposição da radiação característica do tungstênio com o espectro contínuo gerado com 100 kVp. Nela se pode observar que, além de fótons, com energia baixas e altas, temos um grande número deles com energias correspondentes somente ao tungstênio. Quando o alvo bombardeado é de molibidênio, a radiação característica se situa na faixa de 20 keV.

Efeito anódico

Raio X

Descreve um fenômeno no qual a intensidade da radiação emitida da extremidade do catodo do campo de raios X é maior do que aquela na extremidade do anodo. Isso é devido ao ângulo da face do anodo, de forma que há maior atenuação ou absorção dos raios X na extremidade do anodo.

A diferença na intensidade do feixe de raios X entre catodo e anodo pode variar de 30% a 50%.

Na realização de estudos radiológicos do fêmur, perna, úmero, coluna lombar e torácica deve-se levar em conta a influência do efeito anódico na realização das incidências radiológicas pertinentes a estes estudos.

Luciano Santa Rita Oliveira

Fonte: www.tecnologiaradiologica.com

Raio X

Roentgen e a descoberta dos Raios-X

Em 8 de novembro de 1895, o professor e físico alemão Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923) trabalhava em seu escuro laboratório de Wurzburg. Seus experimentos focavam o fenômeno da luz e outras emissões geradas pela descarga de corrente elétrica em tubos de vidro a vácuo. Estes tubos, conhecidos genericamente como “ampola de Crookes”, em homenagem ao pesquisador britânico William Crookes (1832-1919), já estavam largamente disponíveis. Roentgen estava interessado nos raios catódicos e analisava o alcance desses raios no lado de fora da ampola.

Para sua surpresa, Roentgen notara que quando sua ampola, embalada por uma caixa de papelão, era carregada, um objeto posto no outro lado da sala começava a brilhar. Era uma tela revestida de platinocianato de bário colocada a uma distância tal que seria impossível a interação com os raios catódicos emitidos pela ampola. Assim ele pensava.

Sabemos pouco sobre a seqüência de suas experiências a partir daí, exceto que, enquanto ele segurava algum material entre a ampola e a tela para testar os raios recentemente descobertos, notou os ossos de sua mão vividamente presentes na tela.

Obviamente que é impossível para todos nós, acostumados que estamos a ver as modernas imagens médicas nos dias atuais, imaginar o misto de espanto e incredulidade que tomara conta de Roentgen naqueles momentos.

Roentgen mergulhou durante as sete semanas seguintes em meticulosos experimentos a fim de determinar a natureza daqueles raios. Ele trabalhou enclausurado em seu laboratório. Contou a um amigo que havia descoberto algo interessante, mas que não sabia ainda se suas observações estavam corretas.

Em 28 de dezembro de 1895, Roentgen entregou seu relatório preliminar sobre a sua descoberta ao presidente da Sociedade de Física Médica de Wurzburg, acompanhado de radiografias experimentais, entre elas a da imagem da mão de sua esposa. No dia do Ano Novo ele mandou relatórios impressos para vários Físicos amigos seus por todo a Europa. Já em janeiro do novo ano o mundo teve a sua atenção voltada para a nova descoberta e Roentgen aclamado como o descobridor de um milagre médico. Roentgen recebeu o primeiro prêmio Nobel de Física em 1901. Ele recusou o direito de patente e propriedade de sua descoberta e até mesmo dispensou homenagens do tipo epônimo. Assim mesmo, até hoje, a radiografia é chamada por alguns de roentnografia.

Wilhelm Conrad Roentgen

Wilhelm Conrad Roentgen (1845-1923) in 1896. Ironicamente (devido à natureza de sua descoberta), Roentgen não gostava de ser fotografado. Existem relativamente poucas imagens de Roentgen após a grande descoberta, a maioria em pose rígida e solene.

Instituto de Física

O lugar da descoberta, Instituto de Física da Universidade de Wurzburg, em 1896. Os Roentgens viveram em apartamentos no andar superior, com os laboratórios e salas de aula no porão e primeiro andar.

Laboratório do Instituto de Física onde Roentgen

Laboratório do Instituto de Física onde Roentgen notou pela primeira vez e investigou os raios-X.

Radiografia da mão da esposa de Roentgen

A famosa radiografia da mão da esposa de Roentgen, realizada em 22 de dezembro de 1895 e enviada ao Físico Franz Exner em Viena. Esta é tradicionalmente conhecida ser “a primeira radiografia”.

Fonte: www.radscan.com.br

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