Produção de Raios X

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DIRCEU DIAS PEREIRA 
FÍSICA MÉDICA - UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO – UFRJ 
INSTITUTO DE RADIOPROTEÇÃO E DOSIMENTRIA – IRD 
RADIODIAGNÓSTICO – OUTUBRO DE 2016. 
 
1. Produção de Raios X 
A produção dos raios X 
ocorre devido à conversão de 
energia cinética de um elétron, 
suficientemente energético, em 
uma onda eletromagnética ou mais 
especificamente em um fóton. Esta 
conversão se dá devido a interação 
do elétron com o campo 
coulombiano do átomo 
(Bremsstrahlung) ou com a 
interação com os elétrons 
presentes na eletrosfera (Raio X 
característico). A figura 1 mostra o 
esquema de produção de Raios X de 
freamento e Raios Gama (como não 
é o objetivo do presente trabalho 
vamos ignorar o processo de produção dos Raios Gama). 
 
1.1 Raios X de Freamento ou Bremsstrahlung 
No chamado Raio X de freamento ou Bremsstrahlung o elétron sofre uma 
aceleração negativa quando se aproxima do campo potencial coulombiano presente no 
átomo de forma que a energia dissipada pelo elétron durante a desaceleração é emitida 
em forma de fótons. Quando o elétron possui energia suficiente para emitir um fóton 
com energia suficiente para ionização de outros átomos, ou seja, quando há produção 
de radiação ionizante, denominamos que foi produzido o Raio X de freamento ou 
Bremsstrahlung. Apenas uma pequena parte dos elétrons incidentes sobre o átomo 
produz Raio X, considerando que a maior parte dos elétrons emite fótons de energias 
mais baixas, o fato é que a eficiência na produção de Raios X de um gerador utilizado 
em medicina é aproximadamente de 3%, enquanto o restante da energia cinética do 
elétron é convertida em calor. 
 
Figura 1 - Esquema de produção de Raios X de freamento e Raios 
Gama. [1] 
1.2 Raios X característicos 
A Figura 2 mostra o 
processo de produção dos Raios 
X característicos é devido a 
“colisão” do elétron incidente 
com um elétron da eletrosfera, 
nesta situação a transferência de 
momento é suficiente para 
ejetar o elétron da eletrosfera e 
consequentemente criar uma 
vacância na camada, afim de 
reestabelecer o equilíbrio 
energético do átomo, um elétron 
de uma camada mais energética 
emite, em forma de fóton, a 
diferença de energia entre as duas camadas permitindo-o “descer” à camada de energia 
mais baixa. O Fóton emitido por este processo tem a energia exata da diferença dos dois 
níveis energéticos, devido a esta propriedade ser intrínseca de cada tipo de átomo este 
fóton é dito característico de determinado elemento químico, de tal forma que 
nomeamos Raios X Característicos. A eficiência de produção de Raios X citada no tópico 
anterior já considera a soma de todos os tipos de Raios X produzidos, porém se 
considerarmos somente a produção dos Raios X característicos esta eficiência é muito 
menor dada as condições necessárias para que haja este tipo de interação entre os 
elétrons (incidente e da eletrosfera). 
 
1.3 Espectro de Raios X 
A produção de Raios X 
tem sido avaliada, até o 
momento, como um processo 
solitário, porém na verdade 
dentro de um tubo de 
produção de raios X ocorrem 
centenas de milhares destas 
pequenas interações em um 
período muito curto. Todas 
estas interações dão origem 
ao espectro de energia do 
Raio X. A Figura 3 mostra o 
espectro de Raios X 
produzidos por freamento, 
observe que o eixo horizontal 
apresenta o valor em energia dos fótons emitidos após a interação com o campo 
Figura 2 - Esquema de produção de Raios X Característico. [1] 
Figura 3 – Espectro de Raios X de freamento. [1] 
coulombiano de forma que um elétron incidente com energia cinética máxima de 90 
KeV somente pode emitir um fóton de mesma energia máxima. A discussão sobre o 
espectro de Raios X filtrados e não filtrados se dará em uma secção exclusiva logo em 
seguida. 
A figura 4 mostra a soma do espectro formado pelos processos de freamento do 
elétron incidente e de colisão com o elétron da eletrosfera, de forma que a contagem 
de fótons com energias específicas cresce consideravelmente, na figura surgem então 
novos picos referentes aos fótons de Raios X característicos, outra nomenclatura 
também utilizada para este fóton é de Raios X de fluorescência, porém é necessário 
observar que no processo de formação de Raios X característicos não há nenhum tipo 
de fluorescência, este nome é somente pela semelhança com o processo de emissão de 
fótons na região do visível, a rigor a principal diferença entre os dois processos são as 
faixas de energias que cada um está sujeito. 
 Os picos de 
Raios X característicos na 
figura 4 são classificados de 
forma a discriminar as 
camadas de origem do elétron 
emissor do fóton. α são 
transições de elétrons entre 
camadas eletrônicas 
adjacentes, enquanto as β são 
transições de fótons entre 
camadas não adjacentes. Os 
picos Kα representam os 
fótons emitidos após a passagem de um elétron da camada L para a camada K do átomo 
de Tungstênio, em quanto o pico Kβ representa os fótons emitidos após a passagem de 
elétrons das camadas M, N ou O para a camada K. É possível compreender a posição dos 
picos, a energia dos fótons Kβ deve ser maior que a dos fótons Kα somente analisando 
a diferença de energia entre os níveis. 
 
1.4 Tubo de Raios X 
O tubo de Raios X é um invólucro que fornece as condições necessárias para 
produção dos fótons de raio X. É composto, em geral, de um Catodo, um Anodo, um 
Rotor, uma fonte de alta tensão, algum tipo de material refrigerante, um envelope de 
metal ou vidro que contém todas as partes citadas e uma janela de saída para a radiação. 
A figura 5 mostra uma montagem simplificada de um tubo de Raios X. Neste sistema os 
elétrons são emitidos pelo catado e acelerados até o anodo através da grande diferença 
de potencial aplicada. A colisão do feixe de elétrons com o anodo permite a produção 
de Raios X e calor. Algumas relações importantes devem ser ressaltadas, a teoria de 
radiações ionizantes mostra que a energia cinética das partículas carregadas está 
Figura 4 – Espectro de Raios X. [1] 
intimamente ligada ao poder de 
penetração destas, de modo que 
quanto mais energética é uma 
partícula maior será o poder seu 
poder de penetração, outros fatores 
devem ser levados em consideração 
na hora de compreender as 
interações dos elétrons com a 
matéria, como Stopping Power e LET, 
porém, por hora, não se faz 
necessária a análise mais cuidadosa, 
fica estabelecido que um elétron com 
grande energia cinética produz um 
fóton com grande energia e portanto 
com alto poder de penetração, esta relação será relembrada quando comentarmos 
sobre o efeito anódico que será abordado em secções posteriores. Outra relação 
indispensável para o bom entendimento do leitor sobre a produção dos Raios X é a 
dependência do número de elétrons emitidos com a corrente aplicada ao catodo, desta 
retiramos que quanto maior a corrente aplicada maior será a quantidade de elétrons 
emitidos e, por consequência, maior será o número de fótons de Raios X (1 mA = 6,24 x 
EXP15 elétrons/s). 
CATODO: É o terminal negativo do tubo de Raios X, composto de um filamento e 
lentes focais. O filamento é semelhante aos encontrados em lâmpadas incandescentes 
exceto que no caso do tudo este é composto de Tungstênio, podendo suportar grande 
variação da corrente aplicada (40 ~ 1200 mA). Quando energizado, o filamento aquece 
devido a passagem de corrente elétrica, elétrons são arrancados e a diferença de 
potencial é responsável por acelera-los até o anodo. As lentes focais são simplesmente 
eletroímãs responsáveis por direcionar os elétrons emitidos para um determinadoponto do anodo chamado focal spot. 
ANODO: É o terminal positivo do tubo de Raios X, formado por um alvo de metal, 
geralmente Tungstênio, não somente devido seu número atômico alto (Z=74) mas 
também devido sua alta resistência térmica, sabendo que cerca de 97% da energia dos 
elétrons incidentes é convertida em calor. Molibdênio (Mo=42) e Rodio (Rh=45) são 
bastante usados em tubos de Raios X para mamografia. Uma outra solução encontrada 
para o problema do superaquecimento do anodo é a utilização de um rotor, neste tipo 
de anodo o focal spot muda ao longo da produção permitindo que as regiões do anodo 
que não estão sendo atingidas por elétrons tenham algum tempo para resfriar-se. Esta 
construção foi uma grande evolução aumentando em muito tempo a expectativa de vida 
do tubo. 
FONTE DE ALTA TENSÃO: É responsável pela aceleração dos elétrons emitidos 
pelo catodo, energia que pode ser relacionada com o poder de penetração do fóton de 
Figura 5 – Esquema do tubo de Raios X. [2] 
Raio X produzido, os tubos de Raios X diagnóstico costumam utilizar tensões entre 40 e 
150 KeV. 
MATERIAL REFRIGERANTE: A produção de calor é extremamente alta em alguns 
sistemas. Na fluoroscopia, devido aos longos tempos de ativação do tudo, é de suma 
importância um sistema eficiente de refrigeração do anodo. 
INVÓLUCRO DE METAL OU VIDRO: É importante que os elétrons arrancados do 
catodo sejam direcionados de forma bastante precisa para uma determinada região do 
anodo, por causa desta necessidade estes elétrons devem sofrer a menor quantidade 
possível de interações ao longo do percurso entre os terminais de alta tensão. O 
invólucro é responsável pela condição de vácuo do sistema certificando que os elétrons 
encontrem o alvo com toda energia fornecida pela diferença de potencial. 
 
1.5 Efeito anódico 
O Anodo é 
construído para que a 
produção dos Raios X seja 
direcionada, como as 
energias, em diagnóstico, 
são no máximo de 150 KeV, 
o ângulo de saída dos fótons 
produzidos é algo próximo 
de 70°, somados à 
angulação do anodo temos 
a maior parte dos Raios X 
produzidos saindo com um 
ângulo de 90° da superfície 
do anodo. O efeito anódico 
descreve um fenômeno no 
qual a intensidade do 
campo de Raios X é maior ne 
região mais próxima do 
catodo. Isto deve-se pela 
atenuação que ocorre dentro do próprio anodo, parte dos fótons produzido devem 
percorrer um percurso maior dentro do anodo de forma que a atenuação é relevante 
como mostra a figura 6. 
 
1.6 Filtração e Colimadores 
A produção de Raios X, como já comentado em itens anteriores, são apresenta 
limitações quanto ao valor das energias dos fótons emitidos de forma que o espectro 
teórico deveria ser a linha decrescente presente na figura 3a. A construção desta ideia 
Figura 5 – Esquema do efeito anódico. [1] 
é relativamente simples, basta assumirmos que a probabilidade de interações que 
transferem toda a energia dos elétrons para os fótons é extremamente baixa enquanto 
a probabilidade de interações onde a conversão de pequenas porções das energias dos 
elétrons é bastante maior, porém esta montagem é completamente teórica devido a 
construção do tudo de Raios X. A necessidade do invólucro de metal ou vidro insere 
uma blindagem inerente à construção do sistema, deste modo os fótons com energias 
mais baixas, baixo poder de penetração, são barrados dentro do próprio invólucro 
utilizado para produção destes fótons. Além desta são utilizadas outros tipos de 
filtragens para que fótons de energias pouco penetrantes, aqueles que não produzem 
imagem, sejam atenuados afim de evitar exposição desnecessária do paciente. A 
preocupação com a exposição nos leva à utilização um sistema capaz de limitar o campo 
de irradiação, esta construção é formada por placas de material atenuante, geralmente 
chumbo, na janela de saída do feixe de fótons, criando assim um modo de limitar as 
fronteiras entre regiões que serão irradiadas. 
 
 
Referências 
[1] - BUSHBERG, J. T., SEIBERT, J. A., LEIDHOLDT, E. M. – The Essential Physics of Medical 
Imaging – Third Edition – Wolters Kluwer/Lippincott Williams & Wilkins. 
[2] – CANEVARO, L. V. – Physical and techinical aspectes in interventional radiology – Revista 
Brasileira de Física Médica. 2009;3(1):101-15