Tubo de rayos-x
Los tubos de rayos X son dispositivos para producir rayos X , generalmente para tres tipos de aplicaciones:
- radiografía y tomografía ( imágenes médicas , ciencia de materiales );
- Cristalografía de rayos X (difracción de rayos X, ver también el artículo Difractómetro );
- análisis químico elemental por espectrometría de fluorescencia de rayos X .
Hay varios tipos de tubos.
Principio de funcionamiento
Sea cual sea el tipo de tubo, la generación de rayos X se realiza según el mismo principio.
Se establece una alta tensión eléctrica (del orden de 20 a 400 k V ) entre dos electrodos . Entonces hay una corriente de electrones desde el cátodo al ánodo (a veces llamado "anticatódo" o "objetivo").
Los electrones son frenados por los átomos en el objetivo, haciendo que la radiación de frenado continuo o radiación de frenado , una parte del espectro de los cuales está en el x - ray dominio .
Estos electrones excita los átomos de la diana, y estos re-emiten una característica de radiación de rayos X por el fenómeno de X-fluorescencia .
El espectro que sale del tubo es, por tanto, la superposición de la radiación de frenado y la fluorescencia de rayos X del objetivo.
Los tubos de rayos X tienen una eficiencia energética extremadamente baja, y la mayor parte de la energía eléctrica (99%) se disipa en forma de calor . Por tanto, los tubos deben enfriarse, en general, mediante circulación de agua, un baño de aceite o mediante un sistema de ánodo giratorio.
Tubo de Crookes
Históricamente, el primer tubo de rayos X fue inventado por Sir William Crookes . Originalmente estaba destinado a provocar una fluorescencia luminosa de minerales . El tubo de Crookes también se llama tubo de descarga, tubo de gas o tubo de cátodo frío.
Es una bombilla de vidrio en la que creamos un vacío ; queda una presión de aire residual de aproximadamente 100 Pa (aproximadamente 1 torr ) (sin referencia para los valores de presión)) . Contiene un cátodo cóncavo de metal, aluminio para concentrar el flujo de electrones y un ánodo o "objetivo".
Una bobina de inducción proporciona alto voltaje. Entonces se produce una ionización del aire residual, en forma de destello o "descarga", que provoca un flujo de electrones desde el cátodo al ánodo. Este flujo, llamado rayo catódico , produce radiación electromagnética que es capaz de crear luz fluorescente en ciertos cuerpos, así como de producir descargas de cuerpos electrificados a distancia. También crea radiografías.
Este tubo solo puede crear rayos X de forma intermitente. Todavía se usa en algunos tipos de ciclotrones.
Tubo Coolidge
El tubo de Crookes fue mejorado por William Coolidge en 1913 . El tubo Coolidge, también llamado tubo de cátodo caliente, es el tubo más utilizado. Es un tubo de alto vacío ( aprox. 10 −4 Pa , aprox. 10 −6 torr ), cubierto con una caja de plomo.
En el tubo Coolidge, los electrones son emitidos por un filamento metálico (metal alcalinotérreo) calentado por una corriente eléctrica ( efecto termoiónico también utilizado en tubos de rayos catódicos de TV ). El filamento constituye el cátodo del tubo. El alto voltaje se establece entre el cátodo y el ánodo, lo que acelera los electrones emitidos por el filamento. Estos electrones golpean el ánodo.
En los llamados tubos de "ventana lateral", los electrones se concentran (enfocan) mediante una pieza llamada Wehnelt (en) colocada justo después del filamento.
Desde un punto de vista eléctrico, tenemos por tanto:
- un filamento en cuyos terminales se establece una baja tensión, para crear una corriente eléctrica de calentamiento ( efecto Joule );
- en algunos tubos, una parte de una forma particular que tiene un voltaje ligeramente negativo con respecto al filamento (es decir con respecto a los dos terminales del filamento), con el fin de repeler los electrones provenientes del filamento hacia el centro de la parte; es el Wehnelt;
- un ánodo objetivo que tiene un voltaje fuertemente positivo con respecto al Wehnelt y al filamento.
Hay dos geometrías de tubo:
- tubos con ventana lateral: el filamento es un solenoide de eje rectilíneo y se coloca delante del objetivo, que está biselado; la trayectoria de los electrones es una línea recta
- tubos con ventana frontal: el filamento es un solenoide de eje circular y rodea el ánodo; la trayectoria de los electrones es curva.
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Tubo de ventana lateral.
-
Tubo de ventana delantera.
Tubo de ánodo giratorio
Los tubos de ánodo giratorio son una mejora de los tubos Coolidge que permiten tener altas intensidades de rayos X.
Una de las limitaciones de la producción de rayos X es, de hecho, el calor producido por el fenómeno. Entonces tomamos un ánodo cilíndrico grande y lo giramos. Por lo tanto, cada parte del ánodo solo se irradia durante un corto tiempo, lo que facilita la disipación del calor.
Por tanto, es posible alcanzar potencias del orden de 100 kW .
Condiciones de funcionamiento del tubo de cátodo caliente
Configuración de espectro
Los tres parámetros importantes de los tubos de cátodo caliente (tubos Coolidge y tubos de ánodo giratorio) son:
- la intensidad que atraviesa el filamento, que determinará la cantidad de electrones emitidos y por tanto la cantidad de rayos X emitidos (intensidad);
- el alto voltaje entre el ánodo y el cátodo, que determinará la forma del espectro de frenado continuo y en particular la energía máxima de los rayos X emitidos;
- la naturaleza química del objetivo, que determinará el espectro específico, que son las longitudes de onda con mayor intensidad.
La intensidad de los rayos X es directamente proporcional a la intensidad de la corriente que fluye a través del filamento, en igualdad de condiciones. La intensidad de corriente del filamento varía típicamente de 5 a 50 m A para un tubo Coolidge, más para un tubo de ánodo giratorio.
El papel del alto voltaje es más complejo. Los electrones de carga e se aceleran con el alto voltaje V , su energía cinética E 0 es por lo tanto
si se expresa en kilo electronvoltios (keV), E 0 tiene el valor numérico de V en kilovoltios.
Si E 0 es menor que la energía de ionización de los electrones centrales de los átomos objetivo, solo hay radiación de frenado continua. Si E 0 es mayor que esta energía de ionización, el objetivo emitirá fluorescencia. Generalmente veremos las líneas Kα 1 , Kα 2 y Kβ de los átomos del objetivo.
Cuanto más aumenta el alto voltaje, más aumenta la energía máxima de los fotones y más disminuye la longitud de onda mínima.
La naturaleza química del objetivo hará que varíen las energías / longitudes de onda de las líneas objetivo.
Caso de difracción de rayos XPara la difracción de rayos X, estamos interesados principalmente en las líneas Kα del objetivo, no en la radiación de fondo . De hecho, la dirección de la difracción depende de la longitud de onda (según la ley de Bragg ), la mayor parte del tiempo buscamos tener una radiación monocromática (con la excepción de las imágenes de Laue ). De hecho, la línea Kβ generalmente se elimina pero se retienen las líneas Kα 1 y Kα 2 , así como la radiación de frenado continua que contribuirá al ruido de fondo. En ciertos casos en los que la relación señal / ruido es esencial, se utiliza un monocromador , a costa de una pérdida significativa de intensidad - entonces hay una radiación “realmente” monocromática; También es posible utilizar un detector "sólido" (diodo de silicio dopado con litio o diodo de silicio de difusión) con muy buena discriminación de energía (principio de análisis de dispersión de energía ), lo que permite trabajar en modo monocromático y al mismo tiempo. tener una señal fuerte.
Normalmente se utilizan voltajes altos de 50 kV y blancos de cobre en general, a veces molibdeno , cobalto o manganeso . De hecho, la longitud de onda de las líneas Kα 1 de cobre (del orden de 1,6 Å ) permite observar el fenómeno de difracción para un amplio rango de distancias interreticulares ( d que van de 0,9 a 9, 2 Å en un rango angular 2θ de 10 a 120 °, ver el artículo ley de Bragg ). Par contre, les raies du cuivre ont une énergie suffisamment grande ( 8 keV pour la Kα 1 ) pour exciter les atomes de fer, la fluorescence induite sur les échantillons contenant majoritairement du fer (comme les aciers et fontes ) donne donc un bruit de fond muy elevado. El uso de un tubo de cobalto o manganeso permite reducir este parásito ruido de fondo ya que las energías de los fotones son insuficientes para excitar el hierro (la línea Kα 1 del cobalto tiene una energía de 6,9 keV , la del manganeso 5,9 keV ); otra solución es poner un monocromador trasero (es decir situado entre la muestra y el detector) o utilizar un detector que filtre con precisión las energías de los fotones (detector de sólidos del tipo utilizado en análisis dispersivo en energía ) con el fin de eliminar el componente fluorescente del hierro.
El tubo de manganeso también se utiliza para la medición de tensiones ( tensión ): el desplazamiento angular Δ2θ para una deformación de la malla de ε es igual a:
por lo tanto, cuanto mayor sea 2θ, mayor será el desplazamiento Δ2θ. Sin embargo, la longitud de onda de la línea Kα 1 del manganeso (del orden de 2,1 Å) permite tener ángulos de difracción más altos.
Caja de fluorescencia de rayos XEn la fluorescencia de rayos X, el contexto es diferente. Aquí es necesario tener fotones que tengan suficiente energía para excitar los átomos que se quieren detectar. Por lo tanto, elegimos objetivos en elementos pesados, como el rodio para la mayoría de los tubos (la línea Kβ tiene una energía de 22,7 keV ) o, a veces, paladio (en general para los minitubos, la línea Kβ tiene una energía de 23,8 keV ). Los elementos con mayor energía de ionización son excitados por los fotones de la radiación continua de frenado.
La principal limitación se debe a la potencia del generador . De hecho, si queremos más intensidad, debemos reducir el alto voltaje; esta situación es adecuada para medir elementos ligeros porque solo necesitan fotones de baja energía, por otro lado, al ser su señal débil, se debe aumentar la intensidad. Si, por el contrario, queremos excitar los átomos pesados, se necesita un voltaje más alto, por lo que se reduce la intensidad; esto no plantea ningún problema porque los átomos pesados dan una señal importante.
La mayoría de los espectrómetros tienen un tubo de Coolidge accionado por una potencia eléctrica del 1 al 4 k W .
Sin embargo, no toda la radiación del tubo se utiliza para excitar los átomos de la muestra; una parte se difunde por difusión de Rayleigh o por difusión de Compton . Por lo tanto, los picos característicos del objetivo aparecen en el espectro medido, incluso si la muestra no contiene estos elementos. Estos fenómenos pueden dificultar la detección de elementos que tengan picos de energía próximos a los del ánodo del tubo. Para evitar esto, podemos
- o poner un filtro para cortar la parte molesta del espectro del tubo; se utilizan filtros de algunos cientos de micrómetros , a menudo de cobre o aluminio ;
- use un tubo con un ánodo que tenga picos en un lugar que no interfiera, como un ánodo de cromo ;
- utilice un objetivo secundario: el tubo irradia un objetivo y es la radiación fluorescente de este objetivo la que irradiará la muestra; esto permite trabajar en radiación cuasi monocromática, y con muy bajas intensidades; esto también se conoce como una fuente "polarizada".
Envejecimiento del tubo
El envejecimiento del tubo implica tres fenómenos:
- la porosidad del tubo, que provoca una caída del vacío;
- la sublimación del filamento;
- choques térmicos en el filamento;
- la corrosión .
El filamento de tungsteno se calienta y se somete al vacío, por lo que se sublimará naturalmente. El gas de tungsteno así creado migrará al interior del tubo y se condensará tanto en las paredes como en la ventana. Por tanto, tendremos tres efectos:
- el tungsteno de la ventana se filtrará y absorberá los rayos X de baja energía; por lo tanto, hay una disminución gradual de la intensidad en longitudes de onda largas; en la espectrometría de fluorescencia de rayos X, esto da como resultado una caída en la sensibilidad de los elementos ligeros;
- el tungsteno depositado al ser bombardeado con rayos X, entrará en fluorescencia; en la difracción de rayos X, la aparición de picos característicos del tungsteno, y en particular de la línea L (en notación Siegbahn ), dará lugar a picos de difracción parásitos;
- el filamento se adelgaza, lo que a largo plazo puede provocar su rotura.
La ventana del tubo es lo más delgada posible para absorber la menor cantidad de rayos X. Al estar el tubo al vacío, los gases se difundirán lentamente hacia el interior del tubo. Esto es particularmente cierto para los tubos colocados en una atmósfera de helio (el caso de los espectrómetros de fluorescencia de rayos X que miden líquidos), siendo el helio una molécula muy pequeña. Cuando el vacío ya no es suficiente, se producen arcos eléctricos (ionización del gas bajo el efecto de alto voltaje), llamados "flashes", que impiden la producción de rayos X. Cuando los flashes se vuelven demasiado frecuentes, el tubo queda inutilizable. y debe cambiarse.
El tubo se enfría con agua. La humedad tenderá a condensarse en las partes frías, y en particular en las tuberías metálicas que llevan el agua en el tubo. Esta humedad acelerará la corrosión del metal. Esta es una de las razones por las que el tubo se mantiene encendido cuando no se usa (generalmente se pone al mínimo de alta tensión y corriente, por ejemplo 20 kV y 5 mA ): manteniendo el tubo caliente, evitamos la condensación.
La otra razón por la que el tubo se mantiene encendido cuando no está en funcionamiento es para evitar un choque térmico. En general, la intensidad en el filamento (corriente de calentamiento) se mantiene incluso cuando se corta la alta tensión: el tubo no emite rayos X, pero no se apaga, no sufre variación de temperatura.
Dependiendo de las condiciones de uso, la vida útil de un tubo varía de uno a diez años, con una media de tres a cinco años.
Ruido de fondo
La emisión de rayos X es aleatoria. Por tanto, existe una fluctuación de la señal de corto período que genera un ruido de fondo. La ley de emisión, y por lo tanto la tasa de conteo - número de fotones X detectados por segundo - sigue una ley de Poisson ; por tanto, la desviación estándar es la raíz cuadrada de la intensidad media.
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Cuanto mayor es la intensidad, mayor es la desviación estándar y, por lo tanto, las fluctuaciones, pero la relación señal / ruido aumenta:
lo que, por tanto, es favorable a la precisión de la medición.
Ver también
Bibliografía
- (en) R. Behling, Modern Diagnostic X-Ray Sources. Tecnología, Fabricación, Fiabilidad , Boca Raton, FL, EE. UU., CRC Press , coll. "Taylor y Francis",2016, 423 p. ( ISBN 978-1-4822-4132-7 ).
- (en) N. Broll y P. de Chateaubourg, “ Distribución espectral de los tubos de rayos X de la ventana final: avances en el análisis de rayos X ” , Actas de la Conferencia de rayos X de Denver [PDF] , en ICDD ,1997
Elementos convexos
- Otros métodos de producción de rayos X:
enlaces externos
- (fr) Texto de 1895 de Röntgen sobre el descubrimiento de los rayos X en línea y analizado en el sitio BibNum .
- El sitio del tubo de rayos catódicos (inglés)
- El tubo de rayos X y su funda.