Origens históricas dos raios-x. Tubos de Crookes

Transcrição

1 Origens históricas dos raios-x Tubos de Crookes

2 Origens históricas dos raios-x Tubo de Raios-X

3 Origens históricas dos raios-x

4 Características que um tubo de raios-x para diagnóstico deve ter: Devem produzir um número de raios-x suficiente para construir a imagem num curto intervalo de tempo. Devem permitir o controlo da energia dos raios-x. A produção dos raios-x deve ser reprodutível. Devem cumprir todas as normas de segurança e economia em vigor.

5 Componentes de um tubo de raios-x

6 Funções do invólucro Protecção mecânica do tubo Evitar o sobreaquecimento do mesmo (dissipando calor através do óleo) Prevenir descargas eléctricas para o exterior Servir de barreira para alguma radiação que consiga atravessar o tubo. Conter as junções eléctricas necessárias para aplicar diferenças de potencial no tubo Possuir uma janela transparente aos raios-x que permita a passagem do feixe proveniente do alvo.

7 Tubo de vidro (ou metal) Tem que suportar o vácuo Pode ter problemas de depósito de metais.

8 O filamento O filamento, que funciona como cátodo é um pequeno enrolamento de tungsténio dopado com tório que é percorrido por uma corrente na ordem dos ampères e que, por emissão termoiónica, liberta electrões. O tungsténio é adequado a esta função porque possui uma alta probabilidade de ocorrência do efeito termoiónico (acrescida pelo facto de se encontrar dopado por tório) e tem uma temperatura de fusão muitíssimo elevada (3410ºC).

9 Focagem dos electrões

10 Relação entre a corrente electrónica e a tensão ma imposta Corrente de saturação Pontos de saturação Corrente no filamento

11 O alvo e a produção dos raios-x ânodo ângulo feixe de electrões largura efectiva do foco cátodo O material dos alvos é habitualmente o tungsténio: Tem um elevado número atómico e, consequentemente, uma boa eficiência na produção de raios-x. Tem uma boa condução térmica. Tem um elevado ponto de fusão, tal como já foi referido anteriormente. Existem, no entanto, aplicações específicas onde são necessárias energias menores onde se usam alvos de molibdénio ou de ródio

12 A relação entre o ângulo do alvo e a largura efectiva do foco ângulo feixe de electrões ânodo largura efectiva do foco cátodo

13 Necessidade de rodar o alvo

14 Circuito eléctrico que alimenta o tubo Circuito eléctrico principal Primário (baixa tensão) Secundário (alta tensão) Circuito do filamento

15 Alimentação do ânodo/cátodo Rectificação de meia onda

16 Alimentação do ânodo/cátodo Rectificação de onda completa seguida de rectificação

17 Alimentação do ânodo/cátodo Interferência das três ondas Transformador Esquema das ondas obtidas Rectificador Ondas provenientes de um circuito trifásico Obtenção de alta tensão contínua a partir de um circuito trifásico

18 Alimentação do ânodo/cátodo Gerador de alta frequência

19 As características dos raios-x A energia: comprimento de onda, frequência dos fotões. Intensidade: nº de fotões por unidade de tempo. Estas duas grandezas caracterizam o espectro de raio-x, o qual varia de alvo para alvo e é a curva da intensidade do feixe em função da sua frequência.

20 Efeitos do bombardeamento dos electrões sobre o alvo Os electrões penetram muito pouco no alvo, desaceleram e ficam finalmente em repouso. Térmico: a maior parte da energia cinética dos electrões provenientes do cátodo é transferida para os electrões das camadas mais externas dos átomos excitando-os para estados de energia mais elevados. Quando esses electrões regressam ao seu estado inicial, libertam radiação electromagnética na gama do infravermelho (rendimento de cerca de 1%).

21 Efeitos do bombardeamento dos electrões sobre o alvo Efeito Térmico Átomos do alvo Electrões acelerados Alvo Vácuo

22 Efeitos do bombardeamento dos electrões sobre o alvo Espectro Característico: Os electrões provenientes do cátodo interagem também com os electrões dos átomos do alvo que se encontram em camadas mais internas, ionizando-os. Quando este processo ocorre, são os electrões que se encontram nas camadas mais externas que vêm ocupar o lugar Alvo deixado vago pelo electrão ionizado.

23 Efeitos do bombardeamento dos electrões sobre o alvo Espectro Característico: A energia libertada neste processo é muito maior, corresponde, portanto a uma frequência superior. Neste caso, a radiação libertada corresponde à gama dos raios-x e é característica da composição do alvo. A cada elemento estão associados determinados níveis energéticos de tal forma que transições entre cada um desses níveis corresponde a riscas específicas dos espectros de Alvo absorção e de emissão

24 Efeitos do bombardeamento dos electrões sobre o alvo Espectro Característico: Electrão ionizado Raio-x Núcleo atómico Electrão proveniente do cátodo ou electrão secundário Alvo

25 Efeitos do bombardeamento dos electrões sobre o alvo Espectro Característico: Intensidade (unidades arbitrárias) Linhas K Linhas L Energia (kev) Alvo

26 Efeitos do bombardeamento dos electrões sobre o alvo Espectro Contínuo (radiação de Bremsstrahlung): Sempre que existe uma aceleração ou desaceleração de uma partícula carregada devido à presença de um campo eléctrico, ocorre libertação de radiação electromagnética. Quando electrões com uma determinada energia cinética seguem numa trajectória que passa próxima de um núcleo atómico, a primeira tendência é ser atraído por ele, devido ao facto de terem cargas de sinais opostos e, posteriormente, divergem na sua Alvo trajectória desacelerando.

27 Efeitos do bombardeamento dos electrões sobre o alvo Espectro Contínuo (radiação de Bremsstrahlung): Do balanço deste fenómeno resulta uma diminuição da energia cinética do electrão que se converte em radiação electromagnética na gama dos raios-x. A este tipo de radiação, cujo mecanismo está ilustrado na dá-se o nome de radiação de Bremsstrahlung e é responsável pelo espectro contínuo dos raios-x Alvo

28 Efeitos do bombardeamento dos electrões sobre o alvo Espectro Contínuo (radiação de Bremsstrahlung): Alvo

29 Espectro de raios-x Alvo

30 Relação entre a corrente electrónica e o espectro de raios-x Intensidade (nº de fotões) Energia (kev) Alvo

31 Relação entre a diferença a de potencial ânodo/cátodo e o espectro de raios-x Intensidade (nº de fotões) Energia (kev) Alvo

32 Relação entre um absorvedor e o espectro de raios-x Intensidade (nº de fotões) Absorvedor de Al de 2 mm de espessura Absorvedor de Al de 4 mm de espessura Energia (kev) Alvo

33 Relação entre um absorvedor e o espectro de raios-x Intensidade (nº de fotões) Ouro, Z=79 Tungsténio, Z=74 Ródio, Z=45 i io, Z=42 Energia (kev)

34 Geradores e espectro de raios-x Tensão ou diferença de potencial (Volt) Tempo (ms) Representação da intensidade e da energia dos raios-x Tensão ânodo/cátodo

35 Geradores e espectro de raios-x Intensidade (nº de fotões) Gerador monofásico Gerador de alta frequência Gerador trifásico Energia (kev)