Rayos X-fundamento Teorico

CAPITULO I

FUNDAMENTO TEORICO

1.1 INTRODUCCION A LOS RAYOS-X

En noviembre de 1895, el físico alemán Wilhelm Roentgen, en Laboratorio realizaba su investigación con un tubo de rayos catódicos; y fue ahí donde se dio origen al descubrimiento de los Rayos-X. En conocimiento por esa extraordinaria contribución a la ciencia, Roentgen recibió el primer premio Nobel de Física en 1901.

Roentgen llego a la conclusión de que los rayos-X son ondas electromagnéticas de longitud muy corta (cerca de millón de veces menor que un milímetros).

Los rayos-X son un tipo de radiación semejante a la luz, pero es invisible y con energía suficiente para atravesar cuerpos opacos.

Los rayos-X es posible detectarlos de tres maneras: 1º) Detectores con gases porque los rayos-X ionizan el aire, 2º) Los rayos-X ennegrecen los filmes fotográficos, 3º) Por materiales que producen luz visible debido a la interacción con rayos-X.

1.1.1 PRODUCCION DE RAYOS-X

Son producidos por los electrones que se mueven del cátodo al ánodo dentro de un tubo de rayos-X ver Figura 1.1, acelerados por una alta tensión de decenas de kilovoltios. Esos electrones llegan al material del ánodo con alta velocidad donde son frenados bruscamente por los átomos del ánodo.

Figura 1.1 Los componentes básicos de un tubo rayos-X [3].

La energía cinética del electrón (K) que es acelerado por un voltaje (V) se incrementa por:

(1.1)

Donde: e = carga del electrón (1.60 x 10-19 C).

En el proceso de interacción de los electrones en los átomos del ánodo ocurren dos procesos de emisión de radiación X, conocida como: radiación de Bremsstrahlung (o frenado) y la radiación característica.

A) Radiación de Bremsstrahlung

La radiación de Bremsstrahlung o radiación de frenado es producida cuando los electrones acelerados son frenados bruscamente por los átomos del ánodo, esto se da cuando el electrón pasa cerca del núcleo del átomo y es desacelerado debido a la interacción Coulombiana. Resultando en la emisión de espectro continuo de la radiación X, con longitud de onda de un orden de magnitud menores a 1 Aº.

Figura 1.2 La producción de radiación Bremsstrahlung [9].

El espectro continuo correctamente producido por bremsstrahlung se muestra en la figura 1.3.

Figura 1.3 (grafica del libro de Eisberg)

La energía del fotón emitido depende: Z (número atómico) del blanco, Energía cinética del electrón y distancia del electrón al núcleo. En el proceso de Bremsstrahlung la energía liberada por el electrón varia entre el valor mínimo y máximo de la energía cinética dada por la alta tensión para acelerarlo. La relación entre el λmin de un espectro de rayos-X y la alta tensión que fue establecida por William Duane e Franklin Hunt. Considerando el caso de una colisión frontal entre el electrón y el núcleo, toda la energía del electrón (ecuación 1.2) es cedido al fotón resultante de rayos-X ( ; h = constante de Plank, = la frecuencia del fotón), en este caso la mínima longitud de onda (en Aº ) puede ser calculado:

(1.2)

La longitud de rayos-X varía en un espectro continuo, esta variación es producida por las diferentes energías, con el cual los electrones alcanzan el blanco.

B). Radiación característica

Radiación característica se produce cuando los electrones con energía () del orden de 104 eV colisionan con los átomos del ánodo arrancando electrones de las subcapas interiores del átomo. Quedando el átomo en un estado excitado, y al regresar al estado de equilibrio, emite fotones.

Ocurre cuando un electrón acelerado con energía E0 cede energía ∆E al átomo del blanco, arrancando un electrón de la capa interna de energía En (n=K,L,M,N), con energía igual a ∆E-En. El espacio vacío del átomo es ocupado con un electrón de la capa más próxima, restableciendo el equilibrio del átomo.

En este “salto” el electrón cede el exceso de energía en la forma de un fotón, cuya energía es igual a la diferencia de energía de los dos niveles envueltos.

Figura 1.4 Producción de rayos-X por radiación característica.

1.1.2 FACTORES QUE MODIFICAN EL HAZ DE RAYOS-X

a) Tensión aplicada al tubo y filtración

Los haces de rayos-X poseen fotones de varias energías. Los fotones menos energéticos no son útiles para radiografía, debido al poco poder de penetración y no llegan al filme, generan un aumento de la dosis en la piel del paciente. La colocación de una lámina de aluminio en el haz de radiación (filtración adicional) absorbe preferencialmente los fotones de menos energía, tornando el haz más penetrante y un aumento de la energía efectiva del haz. El haz debe poseer una filtración adecuada para garantizar una correcta práctica radiológica.

Cuanto mayor es el kilovoltaje aplicado en el tubo, mayor debe ser el espesor de filtración. También mayor la energía del haz de rayos-X y mayor su poder de penetración, entonces menor será la dosis en el paciente.

Es recomendado que para aparatos de rayos-X que operan hasta 70kV la filtración total debe ser de 1,5mm de Al y de 2,5mm de Al para los aparatos de diagnóstico que operan con tensiones por encima de 70kV.

b) Material del Blanco

Es el área del ánodo donde ocurre el impacto directo de los electrones, la variación en el material del blanco afecta el espectro de energía del haz y el número de fotones producidos (intensidad). La eficiencia de la producción de rayos-X depende del potencial aplicado (kV) y del número atómico del blanco (Z), y es dado por la expresión:

Eficiencia=9x10-10Z.(kV)

El alto número atómico de los átomos del blanco, aumenta la eficiencia de la producción de los rayos-X. El material utilizado generalmente es el tungsteno: Z=74, cuya conductividad térmica es casi igual al cobre, con un alto punto de fusión (3,370ºC).

c) Corriente y tiempo

La cantidad de fotones de rayos-X es directamente proporcional a la corriente del tubo y al tiempo de disparo. Cuando la corriente (mA) aumenta, el número de electrones que impactan el blanco también aumenta, por lo tanto el número de fotones de rayos-X producidos también crece (Fig. 1.5).

Figura 1.5 Efecto de los cambios de miliamperaje.

d) Forma de onda del voltaje aplicado

Cuando el cátodo es negativo con respecto al ánodo, los electrones

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